燃氣—蒸汽聯合循環機組蒸汽參數對經濟性影響分析

高緒棟 呂玉紅 蘇偉

摘 要 節能降耗已經成為全社會的一種共識，特別是天然氣作為相對清潔的寶貴資源，合理利用天然氣資源，對全廠熱效率進行優化，具有顯著的環保效益、較好的經濟性及節能減排效益。本文以9F級燃機為例通過對裝機方案影響聯合循環性能的各個因素分別進行分析優化和論述，尋找最佳的聯合循環底循環的設計參數，優化熱平衡計算，提高全廠熱效率。

關鍵詞 聯合循環;蒸汽參數;系統優化;經濟性分析

1燃氣循環

燃機是聯合循環機組中最為重要的主機，它的性能的好壞除了影響自身的出力外，還影響下游的設備的性能。因此燃機的合理選型至關重要，是對全廠經濟性影響最大的環節之一。

燃機的自身的性能主要是體現在發電效率上，影響燃機發電效率的因素有很多，比如壓氣機壓縮比、燃燒溫度、燃燒效率、壓氣機效率、渦輪機效率、機械效率等等。雖然以上各因素都是燃機的重要特性，對發電效率的影響較大，但各家燃機的不同型號對于上述數據已經進行優化，形成了成型的產品。目前，作為購買方，只能從不同的產品里面選用適宜的燃機。

目前，世界上有大型燃機運行業績或供貨業績的廠商主要有：美國GE公司、德國西門子公司、日本三菱重工和意大利安薩爾多公司，國內聯合體有：東方電氣-MHI聯合體、哈爾濱動力-GE聯合體、上海電氣-Ansaldo聯合體、華電重工-西門子聯合體。

2 蒸汽循環優化

燃氣輪機確定以后，排煙參數便已確定，通過合理選取過熱器出口端差及節點溫差等確定鍋爐汽水參數。此方面已經有一定的理論研究[1-2]，蒸汽參數的選擇應結合余熱鍋爐參數與汽機廠的制造能力及成熟的產品系列等綜合選取，本文利用GT-PRO工具，結合具體的9F級燃機，對不同參數下的工況進行建模計算，通過分析汽機汽水參數的變化對聯合循環性能的影響趨勢，對全廠熱效率進行優化設計。

2.1 ?高壓蒸汽壓力優化

當燃機排煙參數及余熱鍋爐高壓主蒸汽溫度確定以后，提高汽輪機高壓主蒸汽進汽壓力會導致高壓汽包的壓力增加，從而提高了高壓蒸汽的飽和溫度，而高壓部分的節點溫度不變，導致高壓汽包后的煙氣溫度升高，經過中壓蒸發段及過熱段的煙氣溫差增大。由溫差的變化導致高壓主蒸汽流量降低，中壓蒸汽流量增加。綜合因素的影響導致低壓蒸汽流量的增加。從圖2中可以看出，中低壓流量的增加只能抵消高壓蒸汽流量的部分減小，因此隨著高壓蒸汽壓力升高，汽機的輸出功率增加。

但是，隨著高壓蒸汽壓力升高，余熱鍋爐高壓產汽質量流量減少、高壓蒸汽比容降低，這都會使高壓蒸汽體積流量明顯減少。這將要求高壓葉片長度變短，對通流效率有不利影響。

對于余熱鍋爐，隨著高壓主蒸汽進汽壓力的增加，余熱鍋爐設計強度增加，換熱器的壁厚增加，換熱系數減小，換熱面積增加。因此，對余熱鍋爐的投資有不利影響。

因此，綜合比較各方面的因素，主蒸汽進汽壓力取13.5～16.5MPa（a）是比較合理的。

2.2 再熱蒸汽壓力優化

當燃機排煙參數及余熱鍋爐的其他參數確定以后，提高汽輪機再熱蒸汽壓力會導致中壓汽包的壓力增加，從而提高了中壓蒸汽的飽和溫度，而中壓部分的節點溫度不變，導致中壓汽包后的煙氣溫度升高，經過低壓蒸發段及過熱段的煙氣溫差增大。溫差的變化導致中壓補汽流量降低，再熱蒸汽流量降低，而低壓蒸汽流量增加。

從圖3中可以看出，隨著再熱蒸汽壓力的不斷升高，汽輪機出力呈先增大后減小的趨勢。對三壓再熱聯合循環系統，存在最佳的再熱蒸汽壓力值，但再熱系統對汽機功率和聯合循環總體性能影響不大。綜合比較各方面的因素，推薦最佳再熱蒸汽壓力范圍取2.9～3.2MPa·a。

2.3 ?低壓補汽壓力優化

當燃機排煙參數及余熱鍋爐其他參數確定以后，低壓過熱器入口的煙氣溫度便已確定，并且不隨低壓蒸汽壓力變化而變化，而低壓換熱區煙氣出口溫度則由低壓汽包壓力和低壓汽包的節點溫差確定。此時，提高汽輪機低壓補汽壓力會導致低壓汽包的壓力增加，從而提高了余熱鍋爐低壓蒸汽的飽和溫度，而低壓部分的節點溫度不變，導致低壓汽包后的煙氣溫度升高。溫差的變化導致余熱鍋爐低壓蒸汽流量降低，余熱鍋爐排煙溫度升高。

關于低壓補汽壓力對汽機出力的影響需綜合考慮，當壓力較低時，雖然低壓補汽流量增大，但汽機中低壓缸的分缸壓力降低，低壓缸內工質的做功能力下降，汽機出力反而較低。從圖4中可以看出，隨著低壓補汽壓力升高，汽輪機出力呈先增大后減小的趨勢。對于典型9F級一拖一機組，汽機低壓蒸汽壓力通常取0.42-0.55MPa。

2.4 ?高壓/再熱蒸汽溫度優化

當燃機排煙參數及余熱鍋爐高壓/再熱蒸汽壓力確定以后，節點溫度不變，汽包的飽和溫度不變，則通過蒸發器出口的煙溫一定，而高壓/再熱蒸汽溫度上升引起熱端溫差減小。因此，高壓/再熱段總吸熱量增加。因此，隨著高壓/再熱蒸汽進汽溫度的增加，汽機功率增加。

但是，由于燃機排煙溫度和熱端溫差的要求，余熱鍋爐出口溫度不可能無限制增加。因此，汽輪機進口溫度也不可能無限制增加，一般要求熱端溫差大于25℃。綜合各方面的影響因素，高壓/再熱蒸汽汽機進口溫度一般采用566℃。

3結束語

本文通過利用GT-PRO軟件建模對9F級燃氣—蒸汽聯合循環機組進行仿真模擬，形成了不同參數下的經濟性數據，通過分析對比，結合鍋爐和汽機的實際情況，確定了蒸汽循環最佳的參數，為同類型燃機的蒸汽參數設計提供了參考。

參考文獻

[1] 段立強，楊勇平，林汝謀，等.聯合循環中蒸汽底循環系統設計優化研究[J].華北電力大學學報，2004，31（6）：37-39.

[2] 楊愛麗，徐傳海.聯合循環電站中余熱鍋爐主要參數的計算與選擇[J].燃氣輪機技術，2003，16（2）：48-51.