SGT-800 和6F.01 聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能分析

王 曉

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020 年）》指出：“加快建設(shè)天然氣分布式能源項目和天然氣調(diào)峰電站，2020 年氣電裝機規(guī)模達到110 GW”。截至2018 年底我國氣電總裝機容量83.3 GW，占電源總裝機容量4.4%，年氣電發(fā)電量2 236 億kWh，占總發(fā)電量的3.2%［1］。

現(xiàn)階段，大量工業(yè)園區(qū)的工業(yè)熱負荷由分散的工業(yè)燃煤和燃氣小鍋爐提供。小容量F 級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有對氣源供應(yīng)要求較低、調(diào)峰能力強、清潔高效等優(yōu)勢，隨著企業(yè)對電價和汽價承受能力日益提高，有廣闊的應(yīng)用空間。其中50 MW 級燃氣輪機典型代表有GE 公司的6F.01 型燃氣輪機和SIEMENS 公司的SGT-800 型燃氣輪機。

在工程應(yīng)用中，小容量F 級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組容量小，朗肯循環(huán)效率較低且不被重視，在性能提升上還有潛力可挖。結(jié)合某工業(yè)園區(qū)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)工程實踐，對SGT-800 和6F.01 機組聯(lián)合循環(huán)熱力性能進行簡單比較，并對朗肯循環(huán)效率提升進行相關(guān)計算分析。

1 聯(lián)合循環(huán)熱力性能

1.1 ISO 純凝工況熱力性能

ISO 工況由國際標準化委員會規(guī)定，其環(huán)境條件：溫度15 ℃，壓力101 325 Pa，相對濕度60%。ISO純凝工況下兩型機組一拖一聯(lián)合循環(huán)熱力性能見表1。

表1 SGT-800 和6F.01 一拖一聯(lián)合循環(huán)熱力性能

1.2 ISO 工況發(fā)電效率

SGT-800 和6F.01 兩型燃氣輪機發(fā)電效率分別為39.73%和38.41%，SGT-800 燃氣輪機發(fā)電效率高，差值為1.32 個百分點。

SGT-800 機組朗肯循環(huán)效率為32.27%，6F.01機組朗肯循環(huán)效率為32.358%，差值為0.088 個百分點。

SGT-800 機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率為56.36%，較6F.01 機組的56.23%高0.13 個百分點。

1.3 ISO 工況燃氣輪機排煙

SGT-800 燃氣輪機天然氣消耗量為14 776 m3／h，6F.01 燃氣輪機天然氣消耗量為14 892 m3／h，SGT-800 燃氣輪機燃料消耗量略低。

SGT-800 燃氣輪機過量空氣系數(shù)為2.669，6F.01燃氣輪機過量空氣系數(shù)為2.492，SGT-800 燃氣輪機過量空氣系數(shù)更大。

SGT-800 燃氣輪機排煙溫度為570 ℃，6F.01 燃氣輪機排煙溫度為620.6 ℃。

SGT-800 燃氣輪機排煙質(zhì)量流量為135.0 kg／s，6F.01 燃氣輪機排煙質(zhì)量流量為125.97 kg／s，SGT-800 燃氣輪機排煙質(zhì)量流量更大。

ISO 工況SGT-800 燃氣輪機較6F.01 燃氣輪機燃料消耗量低、過量空氣系數(shù)高、排煙溫度低、排煙質(zhì)量流量高。6F.01 燃氣輪機排煙攜帶熱量更多，熱能品位高于SGT-800 燃氣輪機排煙。理論上6F.01 機組朗肯循環(huán)主蒸汽參數(shù)上限高于SGT-800 機組。

1.4 ISO 純凝工況朗肯循環(huán)熱力性能

某工程應(yīng)用中6F.01 機組主蒸汽壓力 （汽輪機入口）為8.086 MPa，溫度565.4 ℃；SGT-800 機組主蒸汽壓力（汽輪機入口）為7.80 MPa，溫度539.2 ℃。6F.01 機組主蒸汽參數(shù)值更高，但差別不大。

某工程應(yīng)用中SGT-800 配套汽輪機額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，加權(quán)平均效率為86.6%；6F.01 配套汽輪機額定轉(zhuǎn)速5 000 r／min，加權(quán)平均效率為87.5%。6F.01 機組配套汽輪機效率略高，但由于該機組汽輪機與發(fā)電機通過減速箱連接，傳動損失較SGT-800配套汽輪機大。

兩機組ISO 純凝工況朗肯循環(huán)主要參數(shù)見表2。

表2 ISO 純凝工況朗肯循環(huán)主要參數(shù)

2 SGT-800 朗肯循環(huán)性能提升潛力

SGT-800 配套汽輪發(fā)電機組單機容量小，不宜設(shè)置再熱系統(tǒng)，朗肯循環(huán)效率提升潛力主要考慮提升主蒸汽壓力和溫度。

2.1 計算邊界條件及相關(guān)假定

汽輪機效率86.6%不變；低壓缸排汽溫度34.9 ℃；計算工況的實際排汽焓由汽輪機效率和理想焓降反推；主蒸汽質(zhì)量流量不變；計算工況不考慮低壓蒸汽；給水泵泵效率71%；給水泵電機效率90%。

2.2 主蒸汽溫度

不補燃的聯(lián)合循環(huán)中，余熱鍋爐高壓蒸汽溫度受到燃氣輪機排煙溫度限制。考慮到變工況下汽輪機運行的安全性，主蒸汽溫度與燃氣輪機排煙溫度的溫差一般不小于30 ℃，通過優(yōu)化進行選取［2］。

ISO 工況SGT-800 機組的主蒸汽與燃氣輪機排煙溫差為28.6℃，該換熱溫差既能充分利用燃氣輪機排煙熱能品位，又便于配套成熟的蒸汽輪機。溫差設(shè)置合理，進一步提升主蒸汽溫度空間非常有限［3］。

2.3 主蒸汽壓力

保持SGT-800 機組朗肯循環(huán)其他參數(shù)不變，僅提升汽輪機入口處主蒸汽壓力，選取5 個工況點進行相應(yīng)計算［4］。

工況Ⅰ：主蒸汽壓力10.0 MPa。汽輪機出力增加0.306 MW，給水泵電機功率增加0.092 MW，機組凈出力增加0.214 MW，朗肯循環(huán)效率32.574%，提升0.304 個百分點。

工況Ⅱ：主蒸汽壓力11.5 MPa。汽輪機出力增加0.445 MW，給水泵電機功率增加0.138 MW，機組凈出力增加0.307 MW，朗肯循環(huán)效率32.706%，提升0.436 個百分點。

工況Ⅲ：主蒸汽壓力13.2 MPa。汽輪機出力增加0.552 MW，給水泵電機功率增加0.193 MW，機組凈出力增加0.359 MW，朗肯循環(huán)效率32.779%，提升0.509 個百分點。

工況Ⅳ：主蒸汽壓力14.5 MPa。汽輪機出力增加0.604 MW，給水泵電機功率增加0.23 MW，機組凈出力增加0.374 MW，朗肯循環(huán)效率32.801%，提升0.531 個百分點。

工況Ⅴ：主蒸汽壓力16.2 MPa。汽輪機出力增加0.643 MW，給水泵電機功率增加0.285 MW，機組凈出力增加0.358 MW，朗肯循環(huán)效率32.778%，提升0.508 個百分點。

以上工況點計算數(shù)據(jù)匯總見表3。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)繪制主蒸汽壓力提升值與朗肯循環(huán)效率增加值關(guān)系見圖1。

表3 主蒸汽壓力與朗肯循環(huán)效率（主蒸汽539.2 ℃）

圖1 主蒸汽壓力提升值與朗肯循環(huán)效率增加值（主蒸汽539.2 ℃）

2.4 主蒸汽壓力與朗肯循環(huán)效率關(guān)系

主蒸汽溫度539.2 ℃時，提高主蒸汽壓力可以提高朗肯循環(huán)效率。在5 種計算工況中，主蒸汽壓力14.5 MPa 時，朗肯循環(huán)效率提升幅度最大，達到0.531 個百分點。

主蒸汽壓力由7.8 MPa 提升至14.5 MPa 階段，相鄰工況點間的線段斜率逐段降低，表明隨主蒸汽壓力升高，相同壓力提升值對應(yīng)的朗肯循環(huán)效率增加值呈下降趨勢。

主蒸汽壓力14.5 MPa 提升至16.2 MPa 階段，朗肯循環(huán)效率降低0.023 個百分點。壓力提升后汽輪機出力增加0.039 MW，給水泵電機功率增加0.052 MW，機組凈出力減少0.013 MW。

SGT-800 機組主蒸汽溫度為539.2 ℃時，存在最佳主蒸汽壓力點，對應(yīng)的朗肯循環(huán)效率最高。最佳主蒸汽壓力值與主蒸汽溫度、汽輪機內(nèi)效率、電動給水泵效率等參數(shù)相關(guān)。在本文假設(shè)邊界條件下，最佳主蒸汽壓力值約為14.5 MPa。

3 6F.01 朗肯循環(huán)性能提升潛力

ISO 工況6F.01 燃氣輪機排煙溫度620.6 ℃較SGT-800 機組高50.6 ℃，燃氣輪機排煙熱能品位較高，可以通過提升主蒸汽壓力和溫度提升朗肯循環(huán)效率，朗肯循環(huán)性能提升潛力更大。

3.1 計算邊界條件及相關(guān)假定

汽輪機效率87.5%不變；低壓缸排汽溫度35.54 ℃；計算工況的實際排汽焓由汽輪機效率和理想焓降反推［4］；主蒸汽質(zhì)量流量不變；計算工況不考慮低壓蒸汽；給水泵泵效率71%；給水泵電機效率90%。

3.2 典型工況朗肯循環(huán)效率

保持朗肯循環(huán)其他參數(shù)不變，通過提升汽輪機入口處主蒸汽壓力和溫度，選取5 個工況點進行計算分析，典型工況見表4。

表4 主蒸汽參數(shù)提升典型工況6F.01 機組朗肯循環(huán)效率

ISO 純凝工況6F.01 機組，通過提升主蒸汽壓力至16.2 MPa，朗肯循環(huán)效率提升0.592 個百分點；通過提升主蒸汽溫度至585 ℃，朗肯循環(huán)效率提升0.719 個百分點；同時提升主蒸汽溫度和壓力至16.2 MPa／585 ℃，朗肯循環(huán)效率提升1.387 個百分點［5］。

4 結(jié)語

針對小容量F 級聯(lián)合循環(huán)機組朗肯循環(huán)效率較低問題，通過對SGT-800 和6F.01 機組聯(lián)合循環(huán)熱力性能進行比較分析，尤其是對SGT-800 機組朗肯循環(huán)效率提升潛力進行相關(guān)計算分析，形成結(jié)論為：ISO 工況SGT-800 燃氣輪機較6F.01 過量空氣系數(shù)高、排煙溫度低、排煙熱能品位較低；SGT-800機組朗肯循環(huán)在亞臨界參數(shù)以下存在最佳主蒸汽壓力點對應(yīng)的朗肯循環(huán)效率最高；6F.01 機組朗肯循環(huán)效率提升潛力大于SGT-800 機組。

在工程實踐中，須結(jié)合機組運行邊界條件（機組年利用小時數(shù)、天然氣價格和上網(wǎng)電價等），對朗肯循環(huán)效率提升帶來的發(fā)電端正收益和設(shè)備系統(tǒng)造價提高帶來的投資端負收益進行綜合計算，尋求兼顧機組效率和經(jīng)濟性的最優(yōu)蒸汽參數(shù)設(shè)置。