F 级燃气 -- 蒸汽联合循环 机组效率优化分析

柯爱周

广东粤电大南海智慧能源有限公司，广东 揭阳 515223

【内容摘要】 为提高F级燃气--蒸汽联合循环机组的运行效率，实现节能降耗，从机组参数优化，夏季部分负荷运行优化等方面进行全面分析，结合本项目主要承担调峰运行功能，年运行小时数及利用小时数偏低，不建议增加较多设备初投资进一步提高汽机进汽参数。通过调整燃机IGV水平，选择合理的燃机燃烧器系统，加热入口空气等方式提高联合循环机组部分负荷效率。

1 问题的提出

广东能源揭阳大南海天然气热电联产项目建设4套F级容量480MW“1+1”燃气－蒸汽联合循环机组主要用于调峰，年平均负荷率低造成部分高品位能源浪费，严重影响联合循环机组整体经济性。因此，特对燃气-蒸汽联合循环机组的效率优化及部分负荷提效技术进行研究。

2 机组参数优化

在余热锅炉和汽轮机性能之间进行的一个最优化热力计算选择机组最佳参数，通过充分计算、分析和论证，为汽轮机的设计提供最优化参数。通过F级燃机-蒸汽联合循环机组565℃/565℃、588℃/588℃和600℃/600℃三种主蒸汽/热再热蒸汽参数热平衡分析，结果表明：联合循环机组发电出力、发电效率和余热锅炉换热面积随蒸汽参数的提高而增加。根据设备厂家提供数据，提高机组参数主要设备投资相应增大，F级燃气-蒸汽联合循环机组588℃/588℃方案：余热锅炉增加1107万元、主再热管道系统增加147万元、汽轮机增加1315万元，合计增加2570万元；600℃/600℃方案：余热锅炉增加1882万元、主再热管道系统增加129万元、汽轮机增加1403万元，合计增加3414万元。

提高机组进汽参数后，设备初投资增加较多。故不建议提高汽机进汽参数，维持F级联合循环机组565℃/565℃进汽参数，保证较低的工程投资。

3 夏季运行工况效率提升

机组在正常运行中需根据电网调度要求调整机组负荷，燃气轮机在多数情况都处于部分负荷方式下运行。燃气--蒸汽联合循环机组部分负荷下性能变化曲线如图4-1所示。

图4-1 联合循环效率随机组负荷的变化曲线

由图4-1可以看出，当燃机在部分负荷下运行时，随着负荷率的降低，效率开始逐步下降。由于燃气轮机出力降低使汽轮机出力也明显下降，导致联合循环出力及效率随之降低，以下对一般常用的燃气轮机部分负荷调节方式进行分析。

3.1 改变压气机可调导叶（IGV）角度

目前对于部分负荷运行控制模式，在部分负荷范围内通过调整可调导叶（IGV）角度，尽可能维持燃气轮机排气温度与基本负荷大致相同，间接将部分负荷下的燃烧温度维持在较高的水平（即IGV角度与燃烧温度T3协调控制），从而在一定程度上优化燃气轮机在部分负荷下的运行性能。此外，燃气轮机排气温度不变，使得进入余热锅炉的能量具有较高的品质，以提高能量利用率，增加汽轮机出力，保证整个联合循环效率维持在相对较高的水平。

本项目燃机厂描述：当机组从满负荷开始减负荷，IGV开度不断减小以维持部分负荷下透平出口温度修正值（Turbine Outlet Temperature Corrected，简称OTC）不变；当IGV关到最小开度位置时，如继续减负荷，则IGV维持最小开度不变，OTC不断下降。压气机在IGV最小位置的流量能从72.5%减少到62%，也就意味着保持OTC不变的部分负荷段得以延伸。试验结果证明采用“部分负荷运行优化”技术的机组部分负荷OTC维持不变的负荷段从以前的60%~100%延伸到50%~100%，所以部分负荷下的效率得以提高。针对F级燃气轮机，出力维持在80%基本负荷不变的情况下，若将当下部分负荷的燃烧温度提升至与基本负荷下的燃烧温度相同，其燃烧温度提升幅度可达40℃，此时燃气轮机效率将会降低0.7%，进入余热锅炉的排气能量及品质均有所提升，排气能力增加3%，排气温度升高30℃以上，使得汽轮机侧出力增加3.9%，联合循环出力增加1.35，联合循环效率提升0.56%。

3.2 燃气轮机燃烧器改造

燃气轮机制造厂在不断优化升级燃机的燃烧技术，以满足越来越严格的NOx排放要求和部分负荷运行需求。本项目燃烧器系统采用DLN2.6+燃烧系统，其燃烧室采用了5+1布局，增加了PM1中心喷嘴，气体燃料管路中每一个燃烧筒有四条燃料管路，每一条燃料管路都有一个独立的管道系统。DLN2.6+燃烧系统增强了燃机的低负荷运行能力，在40%~100%负荷时仍可以满足30mg/Nm³的NOx排放要求。DLN2.6+燃烧室采用全预混控制模式，增强了燃机低负荷运行能力，消除了扩散燃烧火焰，提高了燃料的适应性，降低了低负荷时的可见黄烟。

图 4.2-1 DLN2.6+燃料喷嘴组件

3.3 燃气轮机进气加热

压气机进气温度的变化会对燃气轮机以及整个联合循环机组性能影响很大。随着压气机进口温度的升高，空气密度将减少，比容升高，压气机吸入的空气量随之减少，这使得燃气轮机及其联合循环的额定发电功率随环境温度的升高而降低。

联合循环机组出力与大气温度的变化曲线如图4.3-1所示：

图4.3-1 燃气轮机进气温度变化对联合循环出力的影响

对于机组部分负荷运行，在给定的目标负荷下，可通过加热燃气轮机入口空气实现联合循环总出力不变，但燃气轮机负荷率上升的特殊运行模式，在提升燃气轮机效率的同时，可以提高排入余热锅炉的能量及其品质，从而提升联合循环机组效率，提升机组运行经济性。

当燃气--蒸汽联合循环机组在部分负荷运行时，若保持联合循环机组负荷不变，联合循环效率随着燃机进口空气温度的升高而明显上升，效率上升速度随着燃机进口空气加热温度的升高而逐渐变缓。目前燃机进气加热技术在国内已经逐步开展应用，根据广东地区燃机电厂进行的压气机进气研究，进气加热前后，燃机主要技术参数发生明显变化如下图所示：

图4.3-2 燃气轮机进气温度变化对燃机参数的影响

从上图中可以看到，通过加热压气机进气使温度提升15.8℃后，燃机负荷率可以提升13.5%左右，联合循环效率提升，热耗降低。以本项目为例，环境温度升高10℃，同样负荷下至少节约天然气1000Nm³/h，按天然气加热2.6元/Nm³计算，机组每小时多产生效益2600元，若年调峰3000小时，将多产生效益780万元/年。因此，相比于其他机组性能提升手段，该方法性能提升效果十分显著，且深度负荷条件越低，经济性越好。

4 结论

为提高联合循环机组运行效率，实现节能降耗，通过以上分析，得出下列结论：

1. 提高机组参数可以更好地匹配燃机顶循环和蒸汽底循环，提高联合循环机组的发电量，提高机组参数后，机组初投资增加较多，因此不建议进一步提高汽机进汽参数。

2. 燃气轮机在部分负荷运行下，若维持其出力不变，IGV开度关小，燃气轮机效率降低而汽水侧效率明显提升，使联合循环的整体效率提高。

3. 选择合理的燃机燃烧器系统可以提高燃料的适应性，增强燃气轮机低负荷运行能力。

4. 通过加热燃机入口空气，既能够提升燃气轮机效率，又能够提高排入余热锅炉的能量及其品质，从而提升了联合循环机组效率。

参考文献

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