燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組節(jié)能降耗措施分析

張逸君 徐哲飛

1.上海申能奉賢熱電有限公司

2.國網(wǎng)上海市南供電公司

0 引言

作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，天然氣具有可調(diào)度、效率高和可靠性強等優(yōu)勢，以其為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不僅能充分緩解可再生能源的波動性和不穩(wěn)定性，且產(chǎn)生的碳排放只有同等容量煤電機(jī)組的40%左右。近年來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和天然氣應(yīng)用的不斷發(fā)展，比傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)更加靈活高效的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（gas-steam turbine combined cycle, GTCC）發(fā)電機(jī)組在我國電力生產(chǎn)行業(yè)中的地位日益提高，該類機(jī)組在改善電力調(diào)峰性能和降低污染物排放量等方面具有廣闊的前景。因此，在我國電力行業(yè)落實綠色發(fā)展的積極實踐中，有必要結(jié)合GTCC機(jī)組本身和其所在區(qū)域電網(wǎng)的運行特點，通過一系列有效措施進(jìn)一步挖掘機(jī)組在節(jié)能降耗和減本增效等方面的潛力，以助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

上海某熱電有限公司現(xiàn)有2 套9F GTCC 發(fā)電機(jī)組，全廠總裝機(jī)容量為924 MW，屬于國內(nèi)較為先進(jìn)的F級GTCC機(jī)組。本文首先介紹了該機(jī)組的基本配置及運行狀況，接著根據(jù)機(jī)組實際情況，從技術(shù)改造、優(yōu)化運行和檢修管理三方面分析了機(jī)組可采用的節(jié)能降耗措施，以期為同類電廠提供參考。

1 機(jī)組配置及運行概況

該廠的9F GTCC 發(fā)電機(jī)組由1 臺AE94.3A F級工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、1 臺余熱鍋爐和1 臺蒸汽輪機(jī)組成，并以1 臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組對應(yīng)1 臺余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)的聯(lián)合循環(huán)方式運行，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 9F GTCC發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工藝流程

圖1中，透平入口溫度為1 240 ℃，做功后的排氣溫度為580 ℃。排氣進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)過壓、過熱蒸汽供汽輪機(jī)做功，其中主蒸汽溫度約為560 ℃。

在熱效率方面，聯(lián)合循環(huán)由布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)組成，機(jī)組在能量轉(zhuǎn)換過程中的熱能被合理梯級利用，因此其熱效率可達(dá)58%。而即使是超超臨界的600 MW 級、1 000 MW 級燃煤發(fā)電機(jī)組，其熱效率一般也只能達(dá)到46%~48%，遠(yuǎn)低于GTCC機(jī)組。

在能耗方面，GTCC機(jī)組的供電標(biāo)煤耗為215~225 g/kWh，與國內(nèi)先進(jìn)的百萬超超臨界燃煤機(jī)組所能達(dá)到的251 g/kWh 相比，也下降了10%~14%左右，所以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是當(dāng)今火力發(fā)電標(biāo)煤耗較低的發(fā)電方式。

在碳排放方面，AE94.3A型燃機(jī)的布置方式為單軸布置、軸向排氣，其環(huán)形燃燒室的設(shè)計能夠使煙氣排放降低為NOx約25~35 mg/m3，CO約1 mg/m3。

綜上所述，盡管GTCC發(fā)電機(jī)組的能耗屬于比較先進(jìn)的水平，但從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)組實際運行情況來看，仍有進(jìn)一步節(jié)能降耗的空間，例如進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造、優(yōu)化運行方式、加強檢修管理等，有助于獲得更佳的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2 設(shè)備技術(shù)改造

2.1 進(jìn)氣冷卻技術(shù)改造

目前，該廠的GTCC 機(jī)組仍存在受環(huán)境溫度影響大的問題，機(jī)組的出力和熱效率會隨著大氣溫度的不斷升高而明顯下降。這是因為燃?xì)廨啓C(jī)是定容裝置，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的升高會降低空氣密度，使得進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量減小、壓比降低，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率和熱效率降低［1］。

為解決這一問題，可以采用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)（包括蒸發(fā)冷卻、表面式冷卻、電制冷、蒸汽或熱水制冷等［2］）對壓氣機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行相應(yīng)的冷處理，以提高機(jī)組的出力和效率，降低其發(fā)電成本。

在此項技術(shù)改進(jìn)的落實過程中，需要注意以下事項：

1）應(yīng)結(jié)合不同區(qū)域在環(huán)境溫度和濕度上的差異性，針對不同區(qū)域范圍中不同的GTCC 機(jī)組，采用合適的進(jìn)氣冷卻技術(shù)。

2）應(yīng)對不同冷卻方式對降低機(jī)組發(fā)電成本的能力進(jìn)行比較和分析，以進(jìn)一步挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力。

3）無論采用何種進(jìn)氣冷卻技術(shù)，應(yīng)注意將壓氣機(jī)進(jìn)氣冷卻后的溫度與空氣的露點溫度之間的差值控制在一定范圍內(nèi)，保證機(jī)組的熱效率和經(jīng)濟(jì)性得到最大程度的提升。

2.2 循環(huán)水泵電機(jī)雙速改造

該廠現(xiàn)有的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單位制系統(tǒng)，每臺機(jī)組配備3 臺循環(huán)水泵，其電機(jī)功率為710 kW，額定轉(zhuǎn)速為594 r/min。循泵的運行臺數(shù)可根據(jù)大氣溫度調(diào)整，在溫度較低時可采用2 運1備方式。溫度較高時可根據(jù)真空情況采用3 泵運行，此時循泵電機(jī)始終在額定轉(zhuǎn)速下運行。然而，循環(huán)水的運行方式目前仍存在以下問題：

1）在冬季，由于循環(huán)水溫較低，汽輪機(jī)背壓經(jīng)常在5 kPa 以下，過低的真空并不能有效提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

2）機(jī)組停機(jī)后循泵仍需運行一段時間，過大的冷卻水量會造成循泵電耗的增加。

3）在不同環(huán)境溫度下，單臺循泵電機(jī)輸出功率波動較小，而凝汽器實際的真空差異較大。

針對上述問題，可對循泵的電機(jī)進(jìn)行雙速改造，使循泵在冬季及夏季不同工況下均能滿足凝汽器真空要求，并有效降低電耗。改造的常用方法之一為改變繞組的連接方式，即通過改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)來改變其轉(zhuǎn)速，并通過切換連接片來控制實際極數(shù)。改造后，在冬季及氣溫較低的季節(jié)，或凝汽器熱負(fù)荷較低的停機(jī)期間，可采用循泵低速運行方式，在不影響機(jī)組負(fù)荷的情況下降低循泵的電耗，從而降低廠用電率。

根據(jù)離心泵相似定律，在一定范圍內(nèi)改變循泵的轉(zhuǎn)速，泵的效率近似不變，其前后性能有如下近似比例關(guān)系式［3］：

式中，Q1、H1、P1和Q2、H2、P2分別表示在轉(zhuǎn)速為n1和n2的情況下循泵的流量、揚程和所需的軸功率。

根據(jù)上述關(guān)系式，若將該廠原有的10 極循泵電機(jī)改造為10/12 極雙速電機(jī)，則電機(jī)在12 極運行時，理論上的轉(zhuǎn)速為495 r/min，較改造前降低了99 r/min。此時，水泵流量、揚程和軸功率分別為10極運行時的83%、69%和58%，即水泵流量減少17%時，電機(jī)輸出功率可減少42%，此舉可給企業(yè)帶來年節(jié)電約80萬kWh的效益。

綜上所述，采用轉(zhuǎn)速差不大的相鄰極數(shù)雙速電機(jī)驅(qū)動水泵，并根據(jù)各季節(jié)水溫的變化來選擇驅(qū)動轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)供水量，能有效節(jié)約電能。

2.3 軸封母管溢流改造

在高負(fù)荷期間，GTCC 機(jī)組輔汽母管不再向軸封母管提供蒸汽，高中壓缸軸端壓力較高，汽封齒的泄漏蒸汽先到軸封母管，再向低壓軸封提供密封蒸汽，從而形成自密封。高中壓軸封母管壓力有一設(shè)定值，超過此壓力，軸封母管多出的蒸汽將通過溢流調(diào)門排到凝汽器，這樣不僅導(dǎo)致了凝汽器熱負(fù)荷增加、真空受影響，還易造成較大的熱量損失。

目前，該廠#1 和#2 機(jī)組高中壓軸封母管壓力分別控制在10 kPa 和3.5 kPa，在兩臺機(jī)組負(fù)荷均為350 MW 時，其高中壓軸封溢流調(diào)開度分別為30%和70%，凝汽器真空分別為10.2 kPa 和11.2 kPa。由于#2 機(jī)組高中壓軸封母管壓力控制值比#1 機(jī)組低6.5 kPa，導(dǎo)致其軸封溢流調(diào)開度比#1 機(jī)組高出了40%，從而可能引起#2 機(jī)組凝汽器真空劣于#1機(jī)組。

為解決上述問題，可以嘗試對#2機(jī)組軸封系統(tǒng)進(jìn)行母管溢流改造，具體思路是在保持軸封母管溢流管接入凝汽器的基礎(chǔ)上，增加旁路接到軸封冷卻器。此項改造可帶來的效益分析如下：

1）通過軸封冷卻器換熱來加熱凝結(jié)水，提高其溫度，使溢流蒸汽熱量得到有效利用。有效利用的熱量和凝結(jié)水提高的溫度計算方法如下［4］：

對于#2 機(jī)組，在軸封壓力為3.5 kPa，溫度為335 ℃，凝汽器真空為11.2 kPa，凝結(jié)水溫度為47.5 ℃時，M為350 t/h，h1和h2分別為3 148.08 kJ/kg和198.80 kJ/kg，l為2 389 kJ/kg，m取600 kg/h。經(jīng)式(4)和(5)計算可得，軸封冷卻器溢流蒸汽如果改至用于加熱凝結(jié)水，在不考慮冷卻器換熱效率的情況下，可以將鍋爐凝結(jié)水加熱2.2 ℃左右。

2）軸封母管溢流管旁接到軸封冷卻器后，能有效降低凝汽器熱負(fù)荷、減少其熱沖擊，并提高其真空，實現(xiàn)GTCC 機(jī)組效率的提升，達(dá)到節(jié)能的目的。汽機(jī)負(fù)荷變化后所帶來的經(jīng)濟(jì)效益如下所示［4］：

式中：W為汽機(jī)負(fù)荷變化后的年節(jié)省電量；d為機(jī)組運行天數(shù)；為汽機(jī)增加的功率，可通過如式(7)所示的汽機(jī)負(fù)荷與排入凝汽器熱負(fù)荷的比例關(guān)系來獲得為汽機(jī)額定負(fù)荷，#2機(jī)組為155 MW；為凝汽器熱負(fù)荷，經(jīng)查詢可得其設(shè)計值為251 248 kW。

綜上所述，如果用軸封母管溢流蒸汽來加熱凝結(jié)水，不但可以減小凝汽器熱負(fù)荷、提高其真空度，還可以提高凝結(jié)水溫度，實現(xiàn)機(jī)組效率的提升。

3 運行方式優(yōu)化

對于參與調(diào)峰和經(jīng)常啟停的GTCC機(jī)組而言，運行方式的優(yōu)化對節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用。優(yōu)化運行包含多方面的內(nèi)容，本文主要從機(jī)組運行優(yōu)化、輔機(jī)運行優(yōu)化以及機(jī)組管理優(yōu)化三個方面進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)組運行方式優(yōu)化

機(jī)組運行過程中，市場營銷部門可以根據(jù)每日天然氣供應(yīng)量和熱值及時與相關(guān)部門進(jìn)行溝通交流，合理安排機(jī)組的運行方式，盡可能保證機(jī)組低氣耗、高負(fù)荷運行。同時，相關(guān)部門可以實時追蹤天然氣價格市場的波動情況，并分析需求端在不同階段的用電情況，據(jù)此來合理調(diào)整發(fā)電量，在減少企業(yè)燃料成本支出的同時，提高發(fā)電效率。

3.2 輔機(jī)運行方式優(yōu)化

1）機(jī)組啟停過程

在機(jī)組啟停過程中，對循環(huán)水泵這類輔機(jī)的啟停節(jié)點進(jìn)行控制，對降低能耗至關(guān)重要。目前，該廠2臺GTCC機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)共設(shè)置6臺循環(huán)水泵，按夏季兩機(jī)五至六泵，其余季節(jié)一機(jī)兩泵兩種工況運行。由于循泵的功率較大，在機(jī)組的啟停過程中，可以盡量采取晚啟、早停的方式來優(yōu)化循泵運行。

優(yōu)化后，在機(jī)組開機(jī)過程中，第二臺循泵啟動節(jié)點由機(jī)組并網(wǎng)后推遲至汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前，平均推遲時間為45 min。夏季工況下，在機(jī)組停機(jī)過程中，第一臺循泵停用節(jié)點由機(jī)組解列后提前至RDS(Rotor Displacement System, 轉(zhuǎn)子位移優(yōu)化系統(tǒng))至副推位置，平均提前時間為20 min。以每臺循泵功率710 kW 計算（每分鐘能耗11.8 kWh），在兩臺機(jī)組均投運的情況下，若一臺循泵每天少運行1 h，一天就能節(jié)約近1 500 kWh，節(jié)能效果顯著。

2）機(jī)組停運期間

在該廠的循環(huán)水系統(tǒng)中，現(xiàn)只有一臺注水泵，如果機(jī)組停用較長時間，兩臺機(jī)組汽機(jī)均處于冷態(tài)（中壓轉(zhuǎn)子溫度小于100 ℃），且閉冷水溫度無明顯上升趨勢，則可以將循環(huán)水系統(tǒng)改注水泵運行方式。以目前該廠注水泵運行時功率約20 kW為例，相比于單臺循泵功率710 kW，優(yōu)化后每小時可節(jié)約690 kWh左右，一天則可節(jié)約近1.6萬kWh。

在循環(huán)水系統(tǒng)已處于注水泵運行方式的基礎(chǔ)上，若兩臺機(jī)組閉冷水溫度無明顯上升趨勢，則可將兩者的閉冷水系統(tǒng)改聯(lián)絡(luò)運行，即停用其中一臺閉冷泵。在此情況下，以閉冷泵功率113 kW計算，一天可節(jié)約電量為2 700 kWh。

另外，在機(jī)組停運期間，在保證汽機(jī)安全的情況下，若將破壞真空停用軸封時間適當(dāng)縮短，也可節(jié)約一定的廠用電和廠用汽。

3.3 機(jī)組運行管理優(yōu)化

機(jī)組的運行管理優(yōu)化對于提升GTCC 電廠的節(jié)能降耗能力也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。具體優(yōu)化措施包括：

1）加強對機(jī)組性能的監(jiān)視，及時了解機(jī)組的壓氣機(jī)、汽輪機(jī)的效率和燃燒參數(shù)的變化情況，對機(jī)組運行效率下降的原因進(jìn)行分析，最后結(jié)合機(jī)組實際運行情況有針對性地采取措施進(jìn)行調(diào)整，保證設(shè)備性能的最優(yōu)化。

2）加強對廠用電率、補水率、氣耗率和供電標(biāo)煤耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的管理和分析。

3）各崗位運行人員若發(fā)現(xiàn)異常情況，及時通知設(shè)備管理部進(jìn)行處理，對于暫無條件消除的缺陷加強觀察，并保證具備條件后及時處理。

4 檢修管理優(yōu)化

隨著機(jī)組運行時間的增加，各設(shè)備可能出現(xiàn)的問題和故障也將相應(yīng)增多。因此，有必要不斷進(jìn)行設(shè)備檢修管理優(yōu)化，以保證機(jī)組處于良好的運行狀態(tài)。主要的優(yōu)化措施如下：

1）完善機(jī)組的消缺、維護(hù)工作

定期可開展清洗全廠板式冷卻器，包括閉冷器、主機(jī)油系統(tǒng)的冷油器、定冷器、真空泵冷卻器，提高冷卻效果［5］。加強凝汽器鈦管檢查，防止腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)燃機(jī)等效運行小時數(shù)，合理安排壓氣機(jī)離線或在線水洗，及時更換進(jìn)氣濾芯，保證機(jī)組出力和熱效率在正常水平。

2）倡導(dǎo)綠色檢修

在檢修工作中踐行節(jié)能、環(huán)保和安全的準(zhǔn)則，減少漏汽、漏水或漏油導(dǎo)致的能耗增加，力求實現(xiàn)檢修效率提升和環(huán)保效益增加的雙贏。

3）推進(jìn)“智慧電廠”建設(shè)

充分調(diào)研國際國內(nèi)領(lǐng)先實踐和典型案例，積極探索人工智能等先進(jìn)技術(shù)在GTCC電廠的運行、檢修和管理等領(lǐng)域所能發(fā)揮的作用，開展智慧電廠建設(shè)探索分析，推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用下的管理模式創(chuàng)新，為提升企業(yè)電力業(yè)務(wù)的整體競爭力貢獻(xiàn)價值。

5 結(jié)論

本文對GTCC 電廠的節(jié)能降耗潛力進(jìn)行了分析和研究，從設(shè)備技術(shù)改造、運行方式優(yōu)化和檢修管理優(yōu)化三個方面入手探討了GTCC 機(jī)組實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏的可能途徑。事實證明，對于技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較先進(jìn)，且在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)頂峰、調(diào)峰特殊任務(wù)的GTCC機(jī)組而言，只要不斷加強和完善節(jié)能管理，并結(jié)合電廠的實際運行情況和優(yōu)化需求對各項節(jié)能降耗措施進(jìn)行針對性落實，就能有效提高機(jī)組的能源利用效率，降低其排放水平，最大化各項措施帶來的經(jīng)濟(jì)效益和減排效果。