摘要：燃用天然气的9F级燃气-蒸汽联合循环电厂发电成本较高，竞争力不强。可通过优化机组的总体性能，以获得更高的出力与效率，从而提高该类型电厂的竞争力。可对联合循环机组的进气系统优化、主机参数 匹配优化、汽机冷端优化。主机参数匹配优化包括余热锅炉的热端温差、窄点温差、接近点温差、气侧阻力、排烟温度及余热锅炉的受热面、出口蒸汽压力、温度等参数进行优化。汽机冷端的优化如降低汽机排气背压，能有效提高汽机出力。
关键词：9F级燃气轮机；联合循环；性能优化；主机参数匹配；冷端优化
市场上已有部分9F级燃气-蒸汽联合循环电厂陆续投入商业运行。但是使用清洁能源成本较高。因此，如何对主机参数进行优化匹配，对辅助系统进行优化，提高机组的出力和效率，从而最大限度降低发电成本，可有效提高9F级燃机电厂的竞争力。下面讨论可能的各种优化技术，包括针对特定气象条件的燃机进气部分、利用燃机排烟余热的余热锅 炉系统、汽机冷端系统的优化。
一、燃机进气系统的优化
1、燃机出力与进气系统参数的关系
燃气轮机从大气连续吸取空气做工质，经压缩、加热、膨胀做功后排回大气。膨胀过程做功扣除压缩过程耗功及其他损耗功后才是装置的输出功。所以，当地气象条件变化对燃机压气机的耗功有很大影响。某型 9F级联合循环机组的出力与大气温度、压力、相对湿度间的关系。燃机出力随气温增加而减少，随气压增加而增加。当气温在25℃以下时，燃机出力随相对湿度增加而增加；在25℃以上时，燃机出力随相对湿度增加而减少。其中，通过减少进气滤网、进气道的压降，使燃机压气机进气压力增高。气温可调节的方法较多。当气候炎热时，可通过各种降温手段使压气机进气温度下降，从而使压气机功耗减少，以增加净输出功。燃机进气的相对湿度通 常随进气冷却而增加。需注意，降低进气温度，会增加机组的出力，但对联合循环机组的效率来说未必如此。9F级燃机机组的最佳效率点随机型的不同而不同，一般为10～ 15℃。所以，进气的冷却效益需考虑联合循环机组的整体效率影响而引起的总燃料消耗量的变化。
2、进气冷却的类型及原理
主要的进气冷却技术有蒸发冷却和制冷冷却。制冷冷却根据采用的制冷型式又可分为压缩式制冷、吸收式制冷等几种型式。
蒸发冷却的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和的空气与水接触时，两者间便会发生传热、传质过程。结果是空气的闪热变为水蒸发吸收潜热，使温度降低。此类冷却技术的初始成本及运行维护费用较低，适合干燥炎热地区。其缺点是空气中的含水量对燃机压气机的寿命影响较大，燃机对喷水有严格的限制。
采用制冷冷却方式，制冷系统通过安装在燃机进气道内的热交换器来降低燃机进气的温度。压缩制冷采用压缩机制冷循环，以消耗机械功获得冷源。优点是初投资较低及可获得较低的制冷温度。
吸收式制冷利用电厂低位余热制冷，由于利用低品位的热能且不消耗电力制冷，有利于提高机组运行的经济性。当其在制冷负荷变化较大时（20%～100%），效率较高。吸收制冷常采用溴化锂吸收制冷。溴化锂机组也可采用直燃式，但通常直燃机的价格高于蒸汽式溴化锂机组，而直燃机的配套燃 气系统也相当复杂，而电厂中、低品位的蒸汽源很容易获得。对于新建电厂，经过技术经济比较，蒸汽式溴化锂机组优于直燃机。当然，老厂改造限制因素较多，也有采用直燃机进气冷却。
3、各种进气冷却方法的经济性
采用进气冷却在经济上是否合理或采用何种冷却方式合理，与当地的气象条件、进气冷却系统的年运行小时数、进气冷却系统的初投资、上网电价、燃料价格密切相关。通常，蒸发冷却的初投资最小，但我国大部分地区的气象条件不适合采用该方式。冷水机组的初投资次之，蒸汽型溴化锂机组的初投资最大。
该工程由于进气冷却系统的投资较高，年运行小时数较低，进气冷却系统的投资收益率低于行业平均值8%，经济性不是最好。所以在我国南方地区，9F级燃气轮机电厂是否考虑采用进气冷却系统，建议做技术经济分析后再决定。
二、主机参数匹配的优化
对于组成燃气-蒸汽联合循环的燃气轮机、余热锅炉和汽轮机3大部件来讲，分别存在各自独立的最佳设计，在最佳设计下其经济性最佳。而当它们联合在一起共同工作时，由于物质和能量传递的相互影响，它们组成整个热力系统的最佳运行状态 已不再是各部件最佳状态的简单叠加，而发生了变 化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，联合循环运行时的新最佳运行点需通过深入分析3大部件的特性，分析它们之间的相互影 响，并通过合理的系统热平衡优化计算来寻找。
由于目前 9F级燃气轮机及配套的蒸汽轮机都是定型产品，。但是对余热锅炉，仍有一些优化的余地。对于配套燃用天然气 9F级机组的余热锅炉，目前普遍采用卧式、三压再热、自然循环形式。在某特定工况下，当燃机类型确定时，机组的效率将主要取决于余热锅炉和 蒸汽轮机组成的蒸汽系统的流程设置和参数的优化匹配。因而影响机组性能的主要因素有：一是，余热 锅炉的性能参数，主要包括热端温差、窄点温差、接 近点温差、气侧阻力、排烟温度及余热锅炉的结构参 数，主要为受热面参数等；二是，余热锅炉出口的蒸汽 的压力、温度等。其中，热端温差是指过热器出口汽 温与过热器入口烟温之间的温差。窄点温差是烟气与饱和水蒸汽温度差的最小点，通常在HRSG 蒸发 器出口位置。接近点温差是省煤器出口水压下饱和温度和出口水温度间的温差。
针对某特定条件的9F联合循环电厂，可找出余热锅炉窄点温差、接近点温差与蒸汽量的关系及在 汽机可承受范围内，找出合理的余热锅炉初参数，以 达到在燃机不投入更多燃料的前提下，增加蒸汽轮 机净出力的目的。对以上内容优化的同时，还应综合考虑余热锅炉的合理造价，优化余热锅炉受热面的具体形式（鳍片密度、管排间距等）及在增加受热面的同时，通过合理加大炉膛容积，保证烟气侧的阻力不变，从而不对燃机的出力造成影响。
1、高压主蒸汽出口压力对机组性能的影响
在燃机和余热锅炉的其他参数及几何尺寸确定 后，提高余热锅炉高压主蒸汽出口压力将导致高压 汽包压力增加，从而提高高压蒸汽的饱和温度。如高压的窄点温度不变，导致经过高压汽包后烟气温度升高，经过中压蒸发段及过热段的烟气温 差增大。温差变化将导致高压主蒸汽流量降低，中压蒸汽流量增加，综合因素的影响导致低压蒸汽流量增加。如中、低压蒸汽流量增加部分大于高压蒸 汽流量减少部分，汽机输出功率增加。为余热锅炉高压主蒸汽出口压力与汽机和机组输出功率的关系
2、高压主蒸汽出口温度对机组性能的影响
当压力和窄点温度一定时，汽包的饱和温度一定，则通过蒸发器出口的烟温一定；如果提高主蒸汽温度将引起热端温差减小，则高压段总吸热量增加。因而随着主蒸汽温度的增加，汽机功率增加。表示余热锅炉高压主蒸汽出口温度与机组输出功率和总效率的关系。
3、高压部分窄点温差对机组性能的影响
当高压部分窄点温差在一定范围内变化时，由于汽侧各换热器前、后压力和温度不变，因此，随高压部分窄点温差增加，主蒸汽流量大量减少，导致中、低压蒸汽吸热量增加，会对中、低压蒸汽流量及换热面积有一定的影响。由于高压主蒸汽是进汽膨胀做功的重要部分，其流量大量减少，导致汽机功率大幅降低。
4、高压部分接近点温差对机组性能的影响
当高压部分接近点温差增大时，省煤器出口水温减小，导致高压省煤器受热面积减小，高压蒸发器受热面积有较大增加，高压过热器受热面积略减小因而高压主蒸汽的流量略减小，汽机做功能力略减小，进而导致机组功率和效率的略降低。
5、其他因素对机组性能的影响
中、低压部分受热面的窄点温差、接近点温差的 情况与高压部分基本一致，只是对机组的出力影响 不如高压部分大，在此不做详细描述。
6、优化结果
由上面分析可知，余热锅炉出口参数越高，汽机出力越大；窄点温差、接近点温差越小，汽机出力越大。但出口参数增加，窄点温差、接近点温差减少（意味着受热面增加）都会在一定程度上增加余热锅炉的造价。在需考虑余热锅炉对燃机出力的影响及造价因素的情况下，手工计算不能得到满意结果。
结束语：综上所述，为提高出力和效率，通过对 9F级联合循环发电机组的进气系统、余热锅炉受热面、汽机冷端优化；对余热锅炉受热面进行优化，造价增加不大，经济效益明显，该优化在任何气象条件下都能发挥作用；汽机冷端优化也是提高机组性能和经济效益的有效手段，但该项优化与机组冷却方式和当地水文、气象条件紧密相关，建议结合机组特性、冷却方式及环境条件，对增加机组出力与一次性投资及运行成本进行综合比较，以取得最佳经济效益。
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论文作者:陈国坚
论文发表刊物:《基层建设》2016年23期
论文发表时间:2016/12/9
标签：蒸汽论文; 机组论文; 余热论文; 温差论文; 汽机论文; 高压论文; 锅炉论文; 《基层建设》2016年23期论文;