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    • 燃气-蒸汽联合循环电站主机配置型式分析

        自1939年瑞士BBC公司制成世界上第一台工业燃气轮机以来,经过60多年的发展,燃气轮机已在发电、管线动力、舰船动力、坦克和机车动力等领域获得了广泛应用。相对于其他能源转换装置,燃气轮机的优势是功率密度极大,综合效率高,启动速度快,噪声低频分量很低,排放污染小等。燃气-蒸汽联合体循环电站主机配置方案对机组热效率,建设成本、运行的灵活性及设备维护的方便性方面有重大的影响。

        

        1 工程背景及要求

        

        阿联酋某燃气-蒸汽联合体循环电厂的主燃料为天然气,备用燃料为轻质柴油,全厂额定净出力为2400MW。全寿命周期内计划运行负荷有8种工况点,最大运行工况90%额定净出力,最小运行工况为35%额定净出力,且低于55%额定净出力工况运行时间占机组全寿命周期的54.2%,故该电厂应具备良好的调峰能力。故要求其轴系配置为多轴,以便燃机可在汽机安装过程中进行简单循环运行,从而提高资金的周转率和效率;也可以在汽机故障或检修时,燃机可利用旁路烟囱实现独立运行,提高了整个电站可利用率。燃机调峰能力强[1,2],多轴配置可使燃机快速启动,快速补充电网负荷。

        

        全厂联合循环热效率、工程总造价、主机业绩、机组操作灵活性等是设计方案竞比主要考核方向。经过多种方案的筛选后,两种H级燃机-蒸汽联合循环主机配置方案进入最终的竞比,3拖2配置方案和1拖1+2拖1配置方案。

        

        2 方案主要配置情况

        

        2.1 3拖2主机配置方案

        

        项目对主机有两年两台运行业绩的要求,故从满足业绩的JAC系列中选择最大的机型作为3拖2主机配置方案的燃机。3台燃机的出力为1430100kW,因此余热锅炉须增加补燃功能才能满足全厂总净出力的要求,汽机总毛出力达到了1028800kW。联合循环的汽机出力比较大,只有将两个汽机配置一样大样才能符合要求,否则单个汽机过大,汽机选型严重受限,故最终形成了3拖2多轴配置方案。方案中蒸汽系统采用三压设计,主蒸汽系统如图1,从三台余热锅炉来主蒸汽在汽机主厂房外的主蒸汽母管汇合,然后通过汽机主汽阀、调阀进入汽轮机高压缸。为了方便运行及机组维护,余热锅炉主蒸汽支管与主蒸汽母管之间以及母管均设置了隔离阀。热再系统设置与主汽系统配置一致。两台汽机高压缸排汽汇流至冷再蒸汽母管,再经过冷再支管进入余热锅炉再热系统,冷再蒸汽支管与母管之间以及及母管也设置了隔离阀。

        

        每台余热锅炉设置了1套高\中\低蒸汽旁路系统,均设置在蒸汽支管上,支管主蒸汽经过高旁减温减压后进入应冷再支管,#1&#2余热锅炉的中压蒸汽和低压蒸汽分别经过中旁和低旁减温减压后进入#1汽机的凝汽器,#3余热锅炉的中压蒸汽和低压蒸汽分别经过中旁和低旁减温减压后则进入#2汽机的凝汽器。

        

        热力管道的支管及母管设置了隔离阀,可为机组的并汽、退汽、隔离提供方便。关闭蒸汽母管的隔离阀,可以将3拖2运行模式变换为1拖1或者2拖1模式;也能实现3台动力单元进行轮流检修。

        

        2.2 1拖1+2拖1主机配置方案

        

        方案2选择MHPS的出力最大的JAC燃气联合循环机组,由1拖1+2拖1两个相对独立的动力单元组成。3台燃机的出力为1656000kW,汽机总出力为795000kW。余热锅炉采用三压设计且不带补燃功能(图3)。全厂热力系统属于典型1拖1+2拖1多轴配置,该类配置在国内以有十分成熟的设计,也做相当多的研究[3,4]。

        

        1拖1配置型式:从1台余热锅炉来的主蒸汽进入汽轮机高压缸做功后返回余热锅炉再热器,来自再热器的蒸汽进入汽轮机中压缸做功后再进入低压缸,并在低压缸中与低压蒸汽汇合,所有做功完成后进入凝汽器。高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽管道分别设置了高\中\低旁,高压旁出口蒸汽进入再热系统,中\低压旁路出口蒸汽进入凝汽器。

        

        2拖1配置型式:2台余热锅炉来的主蒸汽汇入蒸汽母管后进入汽轮机高压缸,做功后经过冷再蒸汽母管-支管后返回2台余热锅炉再热器;来自2台余热锅炉的中压蒸汽进入汽轮机中压缸做功后再进入低压缸,并在低压缸中与来自2台余热锅炉的低压蒸汽汇合,所有蒸汽做功完成后进入凝汽器。每台余热锅炉均设置一套高\中\低压旁路系统,与3拖2主机配置型式的旁路系统基本相同。

        

        3 主机配置方案的分析对比

        

        3.1 3拖2主机配置型式优缺点

        

        3拖2主机配置型式把3台燃机、3台余热锅炉与2台汽机组成一个系统,设备之间相互关联,彼此影响。

        

        优点:单台汽机出力适中,汽机选型受限制小;两台汽机型号一致,维护检修备件可共用,减少了备品备件储备数量,提高备件使用效率,降低了后期成本;机组运行模式可变,在机组降负荷或检修时,3拖2运行模式可变换成1拖1或2拖1模式运行;蒸汽循环的余热锅炉存在补燃,开启余热锅炉补燃时,部分燃料未经过燃机做功,故联合循环效率受到了影响。但是在中低负荷时,关闭余热锅炉补燃,燃机仍然能保持较高的负荷并维持较高的热效率,联合循环热效率受机组负荷下降的影响相对较小,故机组时间加权热效率较优。

        

        缺点:启动时间长,冷态启动至满负荷时间约310分钟,远大于1拖1和2拖1机组启动时间;控制系统复杂,机组变负荷特性较差,调节时间较长,对操作要求较高。比如3拖2运行模式与1拖1或2拖1运行模式切换时,须提前将机组参数降低,受电网指令影响较大,切换时间比较长;当全厂负荷过低或因事故、检修等原因需要隔离运行时(比如1拖1或2拖1运行),系统中各单元隔离及时性,安全性、可靠性将受到考验,尤其对蒸汽母管隔离阀泄漏要求、可靠性要求十分高,须对隔离阀的选型充分的论证,并严格控制其生产、安装质量;两台蒸汽轮机须全部安装完成后才能实现联合循环功能,一台汽机无法单独提前运行,不利于提高资金周转率和效益。

        

        3.2 1拖1多轴主机配置型式优缺点

        

        1拖1多轴主机配置型式无补燃功能,属于单元机组,1台汽轮机匹配1台燃机和1台余热锅炉。优点:启停快,既可单独启动也可以其他燃机和汽机动力单元同时启动,冷态启动至满负荷时间约190分钟运行;与3拖2和2拖1配置型式相比相对简单,控制较为容易,维护也方便;联合循环热效率较高,比2拖1配置模式热效率低~0.6%;1拖1联合循环可较其他动力单元提前运行,有利于提高资金周转率和效益。

        

        缺点:单位功率造价较高;联合循环热效率受负荷下降影响相对较大,故机组时间加权热效率较低。

        

        3.3 2拖1多轴主机配置型式优缺点

        

        2拖1多轴主机配置型式无补燃功能,1台汽机匹配2台燃机和2台余热锅炉。优点:启停较快,冷态启动至满负荷时间约215分钟运行;联合循环热效率最高;单位功率造价较高。缺点:联合循环热效率受机组负荷下降的影响也较大,如果将其隔离成1拖1运行时,汽机负荷约50%,效率下降较明显,机组时间加权热效率不优;2拖1主机配置型式在系统复杂性、控制灵活性、维护方便性上处于3拖2与1拖1之间,总体上与3拖2较为类似。

        

        4 结语

        

        现阶段,国外燃气-蒸汽联合循环电厂中已使用了多拖多、多拖1的主机配置型式,比如5拖3、3拖2、3拖1等,并且已在H级燃气-蒸汽联合循环机组中使用3拖2、3拖1等配置型式。国内H级燃气-蒸汽联合循环机组的建设和应用都较少,且燃气-蒸汽联合循环电厂基本上不使用多拖多主机配置模式,H级燃气-蒸汽联合循环的主机配置型式仍旧参考F级,因此国外燃气-蒸汽联合循环电厂的多种主机配置经验可为国内H级燃气-蒸汽联合循环电厂建设提供借鉴。

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