華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司 李 洋 丁 盛 于 洋 張 皓 呼德爾

目前我國開始天然氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用，西氣東輸、近海天然氣開發(fā)和引進國外液化天然氣工程全面展開，國家開始重視發(fā)展天然氣燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。與國外燃氣蒸汽聯(lián)合循壞機組帶基本負荷為主的情況不同，我國的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組主要用于電網(wǎng)調(diào)峰。燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組穩(wěn)定運行工況的熱效率則已超過58%，但啟停經(jīng)濟性分析工作較少，本文通過建立啟停模型分析啟停經(jīng)濟性，為電廠參與調(diào)峰，節(jié)能降耗及爭取補貼具有重要的指導(dǎo)意義。

1 燃氣聯(lián)合循環(huán)機組啟停調(diào)峰過程

GE9FB級燃氣輪機額定功率304.1MW，排氣溫度640℃，汽輪機額定出力158.8MW，燃機效率約38.77%，汽輪機效率約為37.88%，整個聯(lián)合循環(huán)機組總效率可達約59.02%。聯(lián)合循環(huán)機組啟動主要經(jīng)過幾個階段：輔助系統(tǒng)設(shè)備啟動，靜態(tài)變頻器（LCI）輸入交流電，將發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電動機帶動燃機，為其啟動提供必需的外界動力，當轉(zhuǎn)速約為420r/min時燃機進行點火，當轉(zhuǎn)速達到2700r/min時燃氣透平所產(chǎn)生的機械功足以抵消壓氣機的耗功，LCI裝置退出。機組繼續(xù)升速，當達到額定轉(zhuǎn)速后并網(wǎng)提高電負荷。達到穩(wěn)定的暖機負荷后待蒸汽參數(shù)滿足汽機的進汽條件，汽機啟動，進汽后汽機緩慢增大主汽調(diào)閥開度，直至全開進入滑壓運行，整個機組啟動完成[1-3]。

機組啟動過程中的耗電設(shè)備有盤車電機、LCI啟動裝置、透平冷卻風(fēng)機、燃機包排氣風(fēng)機、壓氣機水洗泵、凝汽器真空泵、軸抽風(fēng)機、頂軸油泵、循環(huán)水泵、給水泵以及凝結(jié)水泵。輔助蒸汽主要分為汽輪機冷卻用蒸汽以及蒸汽輪機軸封蒸汽。補給水則主要用于：汽包與熱井水位調(diào)整用水量，開機時排污、疏水用水量，補充泄漏的水量。

綜上所述，在進行以下假設(shè)后建立計算模型：經(jīng)濟性分析僅考慮氣、電、水三部分，不考慮其它成本及機組壽命等因素；機組參與的啟停調(diào)峰僅考慮晝啟夜停模式；天然氣熱值保持恒定；機組啟動時間從燃機啟動至機組投入AGC為止，機組停運時間從機組退出AGC至燃機解列熄火為止；啟停過程中的所耗外購電量累計在機組停運期間計算。

2 燃氣聯(lián)合循環(huán)機組經(jīng)濟性指標及其計算模型

2.1 運行期間計算模型

在機組運行期間，設(shè)機組平均負荷率為φ1，運行時間為T1，機組額定功率為M，則運行期間機組 發(fā)電量為E1=Mφ1T1，設(shè)運行期間廠用電率隨機組 負荷率變化的函數(shù)為γ1(φ1)，則運行期間機組發(fā)電 所得費用為YE1=yeE1（1-γ1），設(shè)運行期間氣耗隨機 組負荷率變化的函數(shù)為g1（φ1），則運行期間所消耗 的燃氣費用為yG1=103ygg1E1，設(shè)運行期間水耗隨機 組負荷率變化的函數(shù)為w1（φ1），則運行期間所消耗 的化學(xué)補給水費用為yw1=yww1E1。

式中，yG1為運行期間燃氣費用，元；YE1為運行期間發(fā)電所得費用，元；YW1為運行期間化學(xué)補給水費用，元；yg為燃氣價格，元/Nm3；ye為上網(wǎng)電價格，元/MWh；yw為化學(xué)補給水價格，元/噸；g1為運行期間機組平均氣耗，Nm3/kWh；E1為運行期間機組發(fā)電量，MWh；w1為運行期間機組平均水耗，kg/kWh；φ1為運行期間機組平均負荷率；γ1為運行期間機組平均廠用電率；M為機組額定功率，MW；T1為機組運行小時，h。在機組運行期間綜合經(jīng)濟性效益為Y1（φ1，T1）=YE1-YG1-YW1。

2.2 停機期間計算模型

在機組停運期間，設(shè)機組停運時間為T2，則停運期間機組廠用電耗量為E2=10-3UkIkT2，停運期間機組廠用電費用為YE2=yεE2，設(shè)機組停運期間化學(xué)補給水量為W2，則停運期間所消耗的化學(xué)補給水費用為YW2=yWW2。式中，YE2為停運期間廠用電費用，元；YW2為停運期間化學(xué)補給水費用，元；為yε外購電價格，元/MWh；E2為停運期間機組廠用電量，MWh；W2為停運期間化學(xué)補給水用量，噸；Uk為停運期間啟備變高壓端的電壓，V；Ik為停運期間啟備變高壓端的電流，A；T2為機組停運小時，h。在機組停運期間綜合經(jīng)濟性效益為Y2（T2）=-YE2-YW2。

2.3 啟動和停運過程計算模型

根據(jù)汽機高壓缸一級金屬溫度的不同，聯(lián)合循環(huán)機組的啟動方式一般分為熱態(tài)啟動、溫態(tài)啟動和冷態(tài)啟動[4]，熱態(tài)、溫態(tài)和冷態(tài)的啟動時間依次增加，進而降低了機組啟動的經(jīng)濟性[5]。但考慮啟停調(diào)峰一般不超過48小時，因此以下分析均按照熱態(tài)啟動考慮。

設(shè)啟動/停運過程中燃氣流量隨時間變化的函數(shù)是Gsi(t)，使用天燃氣的時間為則啟動/停運過程中的耗氣量為

啟動/停運過程中所消耗的燃氣費用為YGSi=ygGsi。式中，YGSi為啟動/停運過程燃氣費用，元；Gsi為啟動/停運過程燃氣用量，Nm3；si為si=su，啟動過程；si=sd，停運過程。設(shè)啟動/停運過程中機組發(fā)電量隨時間變化的函數(shù)是Esi（t），則啟動/停運過程中的機組發(fā)電量為：

啟動/停運過程中平均廠用電率為：

啟動/停運過程中機組發(fā)電所得費用為YEsi=yeEsi。

式中，YEsi為啟動/停運過程發(fā)電所得費用，元； Esi為啟動/停運過程機組發(fā)電量，MWh；γ3si為啟動/停運過程平均廠用電率；Ui為啟動/停運過程某耗電設(shè)備運行時的兩端電壓，V；Ii為啟動/停運過程某耗電設(shè)備運行時的電流，A；ti為啟動/停運過程某耗電設(shè)備運行的時間，h；n為啟動/停運過程耗電設(shè)備數(shù)量。

設(shè)啟動/停運過程中化學(xué)補給水流量隨時間變化的函數(shù)是Wsi（t），則啟動/停運過程中的化學(xué)補給 水消耗量為：

啟動/停運過程中所消耗的化學(xué)補給水費用為YWsi=yWWsi。式中YWsi為啟/停過程化學(xué)補給水費用，元；Wsi為啟/停過程化學(xué)補給水用量，噸。在機組啟停期間綜合經(jīng)濟性效益為Y3=YE3-YG3-YW3=（YEsu-YGsu-YWsu）+（YEsd-YGsd-YWsd）。

2.4 調(diào)峰周期內(nèi)經(jīng)濟性效益

設(shè)一個啟停調(diào)峰周期時間為T，包含運行時間T1，停機時間T2和啟停時間，定義調(diào)停，則在一個啟停調(diào)峰周期內(nèi)經(jīng)濟性收益為Y=Y1（φ1，T1）+Y2（T2）+Y3+Y0（1），式 中Y0為 機組一次啟停調(diào)峰電網(wǎng)補償費用，元。如果機組在運行周期T內(nèi)不參與啟停調(diào)峰，則經(jīng)濟性收益為 Y'=YE-YG-YW=yeE（1-γ）-103yggE-yWWE，式中 相關(guān)物理量含義與2.1節(jié)內(nèi)容類似。

通過式（1）可知，機組在一個啟停調(diào)峰周期內(nèi)，由于Y3和Y0為常數(shù)，所以機組啟停調(diào)峰經(jīng)濟性收益Y是隨φ1和τ變化的函數(shù)關(guān)系。對參與啟停調(diào)峰的燃氣聯(lián)合循環(huán)機組，應(yīng)根據(jù)Y（φ1，τ）函數(shù)關(guān)系合 理安排各機組的啟停，爭取合適的負荷率和調(diào)停時間以提高機組運行調(diào)峰經(jīng)濟性綜合效益。

3 9FB燃氣聯(lián)合循環(huán)機組啟停調(diào)峰經(jīng)濟性計算

根據(jù)9FB燃氣聯(lián)合循環(huán)機組實際運行數(shù)據(jù)，可知不同負荷率下對應(yīng)的發(fā)電氣耗、廠用電率及水耗關(guān)系曲線圖如圖1～3，結(jié)合第2節(jié)計算模型和上述實際關(guān)系圖，按照24、48小時周期分別計算，結(jié)果如表1～2。

4 結(jié)語

燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組調(diào)峰是中國燃機電廠持續(xù)發(fā)展的必由之路，利用本文建立的調(diào)峰模型對燃氣電廠運行方式進行分析可得結(jié)論：非低負荷運行機組建議不進行或少進行調(diào)峰運行；長期低負荷運行的機組建議積極參與市場調(diào)峰以提高收益；參與調(diào)峰的機組在一個調(diào)峰周期內(nèi)一方面盡可能縮短停機時間，另一方面盡可能提高運行負荷率才能達到收益增加的目標；充分利用不同時段氣價、電價的差別，合理安排調(diào)峰時段；合理安排啟停機操作，停備期間采取可靠措施降低外購電量，進而提高收益；雖然不同周期對收益差值沒有影響，但考慮到周期越長啟動消耗越大，建議采取短周期調(diào)峰。由于本文未考慮機組調(diào)峰導(dǎo)致的設(shè)備損耗壽命折舊及其它可能的影響，因此得到的總收益與實際收益有較大出入，雖然不影響最終的應(yīng)對策略，但在條件許可情況下，新建燃機電廠在進行設(shè)備采購時盡量采用適應(yīng)頻繁啟停的設(shè)備以提高收益。

表1 24小時周期收益

表2 48小時周期收益