分轴供热机组和单轴供热机组的分析研究

分轴供热机组和单轴供热机组的分析研究

陈小芳

山东电力工程咨询院有限公司山东省济南市25001

摘要：本文通过对燃气轮机联合循环发电机组生产厂家和电厂的调研，对F级联合循环发电机组单轴和一拖一分轴两种轴系方案的系统配置、运行特性、性能效率、设备选型、工程建设及投资等进行了比较分析.综合以机组可靠性和经济性，兼顾供热和灵活性作为轴系选择主要参考因素，确定适用于本工程的方案。

关键词：燃气轮机；分轴；单轴；供热机组

1概述

本工程目前不考虑供采暖热负荷能力，设计热负荷全部为工业热负荷。扩建二期工程时可考虑民用采暖供热。周围热用户距本工程平均供热半径约5km，最远直线距离约8.2km，考虑5%左右热网损失和工业最大用汽同时使用系数后（系数为0.9），根据焓值折算，本工程设计热负荷，如下表1：

考虑15%左右的管网损失，经焓值折算，电厂抽汽参数暂定为1.3MPa（g），300℃，并考虑0.9的同时率，2台机组最大抽汽量为460t/h。结合机组的经济性和安全性，电厂出口蒸汽参数确定如下：

最大热负荷工况时，两台机组同时满负荷运行，抽汽量460t/h，抽汽参数为1.3MPa.g，300℃，按焓值折算并考虑0.9的同时率，可满足最大供热量559t/h的需求。

平均热负荷工况时，两台机组同时运行，抽汽量330t/h，抽汽参数为1.3MPa.g，300℃，按焓值折算并考虑0.9的同时率，可满足平均供热量400t/h的需求。

2单、分轴机组布置方案介绍

2.1单轴机组布置

发电机末置：燃气轮机与蒸汽轮机相连，发电机置于轴系的末端。采用此种方案的机型有哈动力的9FA机组和东方电气的M701F机组。

发电机中置：发电机中置方案为西门子的SGT5-4000F和安萨尔多的AE94.3A机组所采用，与9F和M701F机组的方案不同，发电机在燃机与汽机之间，发电机转子与汽机转子通过3S离合器连接。

2.2分轴机组布置

分轴机组根据一套机组配置的燃气轮机数量，又可分为一拖一和二拖一两种主流型式。由于国内F级燃气轮机联合循环发电机组多带一定的热负荷，考虑到二拖一机组在负荷调节及机组事故时的灵活性不如两套一拖一机组，以及汽机检修时需全套停运的不利因素，一拖一的分轴形式在近年的新项目中也开始推广。

3单、分轴机组布置方案对比

3.1主设备配置对比

在机组容量相同的情况下，单轴联合循环发电机组主设备包括一台燃气轮机、一台蒸汽轮机、一台发电机、一台余热锅炉及一台主变压器；分轴一拖一机组相比单轴机组，主设备的不同之处是由一台大容量发电机和一台大容量主变替换成多台小容量发电机和多台小容量主变。

3.2主要系统配置对比

分轴一拖一机组相比单轴机组，由于燃气轮机和汽轮机分轴布置，主要系统如盘车系统、润滑油系统等，需要多配置一套，而相应配套的电气设备也较多。控制系统中，单轴机组采用燃机－汽机控制系统的集中一体化控制，控制系统由机组国外OEM厂家提供，成本较高，通讯、组态和程序修改都较困难；而分轴机组一般采用两套控制系统分别控制燃气轮机和蒸汽轮机，蒸汽轮机的控制系统与余热锅炉控制系统整合在一起，组成联合循环的DCS相比于单轴机组的情况，分轴机组联合循环DCS在选型及未来运行使用上灵活性更大。

3.3启动特性比较

就整套联合循环机组启动时间而言，如果不配置旁路挡板，分轴机组起动过程所需要的时间要长于单轴机组，主要是燃机并网后，带到预选负荷进行温度匹配时，需加入汽机冲转的环节，整个过程耗时较长。

4单、分轴机组供热方案比较

4.1联合循环机组供热方案介绍

F级联合循环机组典型配置方案中，余热锅炉为三压、再热、卧式、自然循环型式，汽轮机则为三压、单轴、一次中间再热、凝汽式汽轮机，可供选择的供热方案根据抽汽点的不同而有余热锅炉抽汽供热和汽轮机抽汽供热两种。

余热锅炉供热，是根据供热参数在不同压力等级的管道上抽汽，由于锅炉只能提供有限的几个压力等级的蒸汽，在供热参数匹配上不如蒸汽轮机抽汽，一般需经减压减温方可分别满足用户工业用汽和制冷用汽的需求。

汽轮机供热通过在汽轮机上选取最接近供热参数的对应级上开孔抽汽，配置相应的旋转隔板或内置调节阀等配气调节机构，能达到机组运行稳定。

4.2单、分轴机组供热方案选择

对于单轴机组，采用汽轮机排汽供热，汽缸抽汽量的波动会引起汽轮机轴向受力发生变化，波动剧烈的情况下，易引起轴系平衡问题，造成机组振动，因而单轴机组采用汽轮机供热方案对转子动态性能以及胀差、推力瓦设计等要求较高，而且目前单轴机组采用国外标准设计，国内不掌握设计技术，涉及轴向力平衡的问题相对较难解决。

而对于分轴机组供热，汽轮机国产化程度高，技术成熟，修改设计的灵活性较大，不受燃机影响。采用汽轮机高压缸排汽，抽汽量的波动对于汽轮机轴向受力的影响，可以在汽轮机设计制造时予以解决。而运行时汽轮机出现故障退出运行，余热锅炉和燃气轮机可以利用汽轮机蒸汽旁路继续保持运行，从而保证供热。

5单、分轴机组技术经济比较

5.1占地面积

由于轴系布置的原因，单轴机组的主厂房长度长；分轴机组的主厂房长度短，但分轴机组燃机与汽机分开，使得现场设备布置更灵活，在布置的自由度上，比单轴机组大，多套分轴机组可考虑共用部分空间以减少整体占地面积。

5.2可用率

由于单轴机组的燃气轮机和汽轮机同在一根轴上，燃气轮机停运要考虑汽轮机的热应力状况，需要和汽轮机一起进行较长时间的盘车冷却，以防止出现转子弯曲；而分轴机组由于燃气轮机和汽轮机的轴系分离，二者无关联，汽轮机保持其盘车状态，燃气轮机可以通过高速盘车进行快速冷却而不用考虑汽轮机的热应力状况，从而缩短了停机检修时间。

5.3可靠性

单轴机组的优势在于配置相对简单，系统集成度高，因此运行、维修的设备少，公用系统的控制保护也少，因此故障点相对较少，然而也正由于保护的相对集中，容易出现因设备和装置故障使得整个系统退出并导致整套机组跳闸的情况，可靠性的要求比分轴高。

单轴机组整个轴系过长，对振动表现比较敏感，燃机和汽机及发电机彼此相互影响，汽机及发电机任何一端出现振动问题，都可能导致整套机组停运，如果是突发性振动高故障，必将导致整套机组跳闸。

分轴机组在燃机与汽机分开之后，避免了汽机及汽机发电机的保护动作对燃机的影响，在汽机及汽机发电机故障跳闸停机时，在汽轮机蒸汽旁路可用的情况下，能维持燃机运行，至少能做到根据故障情况决定是否执行主动停机程序，避免燃气轮机跳闸给热部件带来的热应力冲击。

6结论

单轴和分轴机组的出力和效率基本相当，分轴机组在占地和前期设备投入方面要大于单轴机组，投产后，日启停频繁的运行方式，对分轴机组存在不利影响，但分轴机组可用率要强于单轴机组，对燃机特别是热部件寿命更有利，如果需要考虑向周边热用户提供热源，在抽汽供热灵活性方面，分轴机组更具备优势，国内涉及供热的机组，大多采用的是分轴配置。因此，本工程推荐采用分轴配置。

参考文献：

[1]李凤琳.热电联产正迎发展机遇期[N].中国能源报，2015-05-25.

[2]国家经贸委，国家发展计划委，建设部.热电联产项目可行性研究技术规定[S].2001.