燃氣-蒸汽聯合循環機組性能狀態評估及優化技術研究

作者簡介：奚凌峰（1988-），男，工程師。研究方向為9FA燃氣-蒸汽聯合循環機組集控運行。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.034

摘" 要：該文主要探究燃氣-蒸汽聯合循環機組的性能狀態評估方法和優化技術。以某燃氣電廠機組作為研究對象，分別選取燃氣透平內效率、蒸汽輪機內效率與循環熱效率、余熱鍋爐余熱利用率等指標，對燃氣輪機、蒸汽輪機、余熱鍋爐的性能進行評估。結果表明，燃氣輪機與蒸汽輪機性能穩定，余熱鍋爐性能下降明顯。進一步分析余熱鍋爐的煙氣數據和水汽數據，認為蒸發器性能下降是導致余熱鍋爐性能下降的主要原因，在此基礎上提出加裝煙氣過濾裝置、優化過渡煙道結構等優化策略，從而使該機組性能恢復良好。

關鍵詞：燃氣-蒸汽聯合循環機組；燃氣透平；熱效率；余熱鍋爐；利用率

中圖分類號：TM611.31" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0144-04

Abstract： This paper mainly discusses the performance state evaluation method and optimization technology of gas-steam combined cycle unit. Taking the unit of a gas power plant as the research object， the internal efficiency of gas turbine， the internal efficiency and cycle heat efficiency of steam turbine and the waste heat utilization ratio of waste heat boiler are selected to evaluate the performance of gas turbine， steam turbine and waste heat boiler. The results show that the performance of gas turbine and steam turbine is stable， and the performance of waste heat boiler decreases obviously. Based on the further analysis of the flue gas data and water vapor data of the waste heat boiler， it is considered that the decline of the performance of the evaporator is the main reason for the decline of the performance of the waste heat boiler， and on this basis， optimization strategies such as installing flue gas filter and optimizing the structure of transition flue are put forward. As a result， the performance of the unit can be restored well.

Keywords： gas-steam combined cycle unit; gas turbine; thermal efficiency; waste heat boiler; utilization rate

某燃氣電廠使用的燃氣-蒸汽聯合循環機組于2004年正式投入運行，機組設備包括燃氣輪機、蒸汽輪機、余熱鍋爐等。由于機組投入使用年限長，構件磨損、材料老化等問題較為嚴重，機組整體性能有所下降。為準確、直觀地了解燃氣-蒸汽聯合循環機組當前的工況，選取該機組中的燃氣輪機、蒸汽輪機與余熱鍋爐三部分展開了性能評估，根據評估結果確定問題所在，并提出相應的優化技術，以期提高燃氣-蒸汽聯合循環機組的綜合性能。

1" 燃氣-蒸汽聯合循環機組性能狀態評估

1.1" 燃氣輪機性能計算及狀態評估

該機組使用開放循環單軸重型燃氣輪機，從結構組成上看主要由壓氣機、燃燒室、燃氣透平3部分組成。為了獲取燃氣輪機的各項參數，在主要構件上布置了測點，如圖1所示。

圖1中，t8和t9分別表示壓氣機入口和出口的溫度，t6和t7分別表示燃氣透平機的入口和出口的溫度。正常情況下，外界空氣首先進入到壓氣機中。經過壓縮處理使空氣達到一定壓力后，高壓空氣與經過調壓過濾后的一定壓力天然氣同時通入燃燒室。在高溫條件下，混合氣體燃燒并產生高溫、高壓的燃氣。這部分燃氣沿著管道進入燃氣輪機后將熱能轉化為動能，使燃氣輪機轉動，最高轉速可以達到3 000 r/min。同時，燃氣輪機、汽輪機、發電機同軸相連，帶動發電機并網發電[1]。

燃氣透平內效率是反映燃氣輪機性能的一項重要參數，可通過下式求得

式中：Wgt和Wgta分別表示燃氣透平的實際輸出功率和理想輸出功率；t6和t7分別表示燃氣透平進口與出口的溫度；φgt和mgt分別表示燃氣透平的壓縮比和空氣流量。根據公式（1），計算該機組額定負荷為300 MW時，從2004—2020年的燃氣透平內效率，并繪制“內效率-時間”變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在2004—2020年，該機組的燃氣透平內效率整體上呈現下降趨勢，從最開始的82.5%下降到79.3%，累計下降3.2%。前幾年下降比較明顯，從2008年以后區域平穩。僅從燃氣透平內效率這項指標來看，該機組中燃氣輪機的性能除剛投入運行的幾年有下降外，在運行幾年后工況較為穩定。

1.2" 蒸汽輪機性能計算及狀態評估

該機組的蒸汽輪機按照蒸汽壓力的不同，可以分為高壓、中壓和低壓3部分。鍋爐輸送的高壓蒸汽首先進入高壓汽缸，做完功的高壓排汽，蒸汽壓力降低，與中壓來汽并汽后進入中壓汽缸；經過中壓缸做功后蒸汽壓力進一步降低，進入低壓汽缸。蒸汽輪機系統中測點布置如圖3所示。

由圖3可知，pH、pI、pL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽壓力；tH、tI、tL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽溫度；FH、FI、FL分別表示高壓、中壓和低壓蒸汽流量；pC表示汽輪機的排汽壓力；tCOND表示凝汽器出口溫度；tCW1和tCW2分別表示循環水進口與出口的溫度；FCW1和FCW2分別表示循環水進口與出口的流量。

可以用來反映蒸汽輪機性能的指標有輸出功率、內效率、蒸汽焓值與循環熱效率等。本文選取內效率和循環熱效率2項指標，具體計算公式如下

η1=3 600×Pst/[FH（HH-HHS）+FI（HI-HIS）+FL（HL-HLS）]，（2）

式中：η1表示蒸汽輪機的內效率；HHS、HIS、HLS分別表示高壓、中壓、低壓蒸汽等熵膨脹至地排汽壓力時的焓值；Pst表示蒸汽輪機的輸出功率；HH、HI、HL分別表示蒸汽輪機高壓、中壓、低壓汽缸入口蒸汽焓值。

η2=Pst/Q，（3）

式中：η2表示蒸汽輪機的循環熱效率；Pst表示蒸汽輪機的輸出功率；Q表示外部熱源向蒸汽輪機輸送的熱量，可通過下式求得

Q=[FH（HH-HCOND）+FI（HI-HCOND）+FL（HL-HCOND）]，（4）

式中：HCOND表示凝結水的焓值，其他字符的含義同上。根據上述公式，計算該機組額定負荷為300 MW時，從2004—2020年的蒸汽輪機的內效率和循環熱效率，并繪制“內效率-時間”和“循環熱效率-時間”變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在2004—2020年，該機組蒸汽輪機的內效率波動變化較為明顯，波動區間為28%～46%；蒸汽輪機的循環熱效率相對穩定，基本上維持在31.1%～31.5%。其中，2020年循環熱效率為31.2%，相比于最佳循環熱效率僅下降了0.3%。從內效率這項指標來看，該機組中蒸汽輪機的性能變化較為明顯，總體上呈現出前幾年波動較大，后幾年波動減小的變化趨勢；從循環熱效率這項指標來看，該機組中蒸汽輪機的性能略有下降，變化不明顯。

1.3" 余熱鍋爐性能計算及狀態評估

余熱鍋爐也是燃氣-蒸汽聯合循環機組中的重要組成，它能將燃氣輪機排出的高溫煙氣收集起來并利用其熱量，因此余熱鍋爐本質上可以看作是一種熱交換裝置[2]。根據循環介質的不同，余熱鍋爐內存在2種循環，分別是水循環、煙氣循環。煙氣透平的出口排出高溫煙氣后，經管道輸送到余熱鍋爐中。高溫煙氣首先與水循環系統進行熱交換。由于水的比熱容較大，凝結水吸收熱量后產生大量的水蒸氣，經管道輸送至蒸汽輪機中。從調查情況來看，該機組中使用的余熱鍋爐屬于“三壓再熱臥式無補燃自然循環”鍋爐，為減小對空間的占用，鍋爐內部的省煤器、過熱器等均采用模塊化結構[3]。除了上述模塊外，余熱鍋爐還設有汽包（包括高壓、中壓和低壓3類）等，系統組成如圖5所示。

由圖5可知，汽輪機出口排出的高溫蒸汽進入凝汽器后，遇冷產生凝結水，通過水泵將凝結水泵送至低壓汽包。然后由低壓汽包分3路將無氧凝結水輸送出去。

第1路進入低壓蒸發器，相應地形成低壓蒸汽。通過管道將低壓蒸汽再次送回低壓汽包。將飽和蒸汽與飽和水分離后，氣體部分輸送給汽輪機的低壓模塊，水部分則留下來繼續參與循環。

第2路進入中壓給水泵，然后通過管道輸送至中壓省煤器。在該設備內進行預熱，得到汽水混合物。然后進入中壓汽包，利用蒸發器的汽水分離裝置將混合物中的蒸汽與水分開，讓水回到汽包內重新參與循環，讓蒸汽通過管道輸送給中壓過熱器，最終進入到汽輪器中壓氣缸做功。

第3路進入高壓給水泵，首先進行升壓然后按照壓力從低到高的順序，依次將凝結水輸送至I級、Ⅱ級和Ⅲ級高壓省煤器，實現預熱，得到汽水混合物。然后進入高壓汽包，利用蒸發器的汽水分離裝置將混合物中的蒸汽與水分開，水通過下降管進入到高壓汽包內重新參與循環，蒸汽則通過導汽管進入高壓過熱器，經過熱交換后以高壓過熱蒸汽的形式參與汽輪機做功[4]。

可以用來反映余熱鍋爐性能的指標有余熱利用率、有效輸出熱量等。本文選取“余熱利用率”作為評價余熱鍋爐性能的指標。計算該機組額定負荷為300 MW時，從2004—2020年的余熱鍋爐的余熱利用率，并繪制“余熱利用率-時間”變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，從2004—2020年，該機組余熱鍋爐的余熱利用率呈現出較為明顯的下降趨勢。鍋爐剛投入運行時，余熱利用率最高，為78.5%；截止到2020年，余熱利用率降低至71.0%，累積下降了7.5%。從余熱利用率這項指標來看，該機組余熱鍋爐的性能退化較為嚴重。

2" 燃氣-蒸汽聯合循環機組狀態診斷與優化技術

2.1" 余熱鍋爐狀態診斷

通過上文的性能計算與狀態評估，可以發現該機組在投入運行近20年后，蒸汽輪機和燃氣輪機的性能雖然有所下降，但是目前來看基本穩定；相比之下，余熱鍋爐的性能退化較為明顯。為此，將余熱鍋爐作為重點研究對象，對其運行狀態做進一步的診斷，并根據診斷結果采取相應的優化技術。分別采集2004—2020年、機組負荷為300 MW時，余熱鍋爐的煙氣側數據和水汽側數據，通過數據分析，對余熱鍋爐性能下降問題作出了初步診斷，即高壓蒸發器和低壓蒸發器的換熱效果下降，是導致余熱鍋爐性能下降的主要原因。在高壓、低壓蒸發器內主要進行“煙-水”換熱，在這一過程中煙氣中的灰塵附著在蒸發器內壁上，隨著設備使用時間的增加，結成一層具有一定厚度并且導熱較差的灰垢[5]。由于熱阻增加，導致余熱鍋爐的余熱利用率降低，進而表現為性能下降。

2.2" 余熱鍋爐性能優化

根據上述診斷結果，對該機組的余熱鍋爐制定以下優化方案：第一，在余熱鍋爐的進氣口加裝氣體凈化裝置，盡可能地過濾掉煙氣中的灰塵顆粒物等雜質，從源頭上減少余熱鍋爐蒸發器內壁上黏附的灰塵，延緩灰垢的形成時間；第二，優化過渡煙道的結構，改善煙氣在管道內的流動狀況，盡量讓煙氣的流速更加均勻，也能避免因為煙氣湍流而導致的排氣阻力增加、換熱性能下降等問題，達到提高余熱鍋爐余熱利用率的優化效果。

3" 結束語

燃氣-蒸汽聯合循環機組可以實現煙氣余熱的回收利用，從而讓機組的循環熱效率得到提升，兼顧了實用性和環保性。在機組的實際運行中，由于高爐煙氣中含有大量粉塵顆粒物，隨著時間的推移在機組設備的內壁上結垢，導致傳熱系數下降、換熱能力降低。對于這些問題，一方面可以采取外加過濾裝置的方式，延緩結垢的形成；另一方面則可以優化現有的裝置結構，保證煙氣流速穩定，提高換熱效率，從而保證機組性能穩定可靠。

參考文獻：

[1] 張曉聲，丁濤，曲明.考慮燃氣-蒸汽聯合循環機組的機組組合建模綜述[J].中國電機工程學報，2023（7）：65-66.

[2] 于靖雯，曹麗華，王川.基于熔鹽儲熱的燃氣-蒸汽聯合循環機組靈活運行策略[J].汽輪機技術，2023（3）：219-221.

[3] 宋嘉梁，宋瀾波，耿永豐，等.燃氣-蒸汽聯合循環機組中燃氣輪機空氣冷卻器的應用[J].熱能動力工程，2022（7）：26-28.

[4] 黃巖.進氣溫度對燃氣-蒸汽聯合循環機組性能的影響[J].內燃機與配件，2022（22）：53-55.

[5] 林志文，馮景浩，楊承.PG9351FA燃氣-蒸汽聯合循環機組性能劣化研究[J].熱力發電，2022（2）：117-118.