主机设备选择的探讨
中国联合工程公司 袁旭岭
一、概述
随着我国经济改革的深入发展，对外开放，经济开发园区不断涌现，同时电力供应日趋紧张和用电峰谷差值的矛盾日益扩大。为了适应形势的发展需要，给开发园区创造一个良好的投资环境，集电力调峰和联片集中供热于一体的新型供热调峰热电厂已被人们所关注，国家计划委员会、国家经济贸易委员会、电力工业部、建设部于1998年联合颁发了“《关于发展热电联产的若干规定》的通知”，该通知中第9条特别提到要鼓励发展燃气轮机联合循环发电、供热技术，提高热能综合利用效率。而燃气－－蒸汽联合循环装置以其建设周期短、启停速度快、污染物排放少和热效率高等诸多特点已成为目前电力调峰的主要手段之一，同时也是当前高速发展经济、加强环境保护和提高热能综合利用效率的措施之一。
通过苏州高达热电厂的工程设计，结累了一些经验和体会。苏州高达热电厂坐落在苏州高新技术开发区内，该厂为国内第一个电力调峰供热型热电厂，装机总容量为100 MW,主机的配备如下：2台美国GE公司生产的38MWPG6551(B)型燃机，2台15MWC15-3.43/0.98-3汽轮发电机组，2台66/9.5 t/h 双压自然循环型余热锅炉和2台35 t/h燃油锅炉。下面就主机设备的选择谈谈体会。
二、主机设备的配置
联合循环调峰热电厂的主机设备有燃气轮机发电机组、余热锅炉、抽汽凝汽式汽轮发电机组及辅助锅炉。 １、燃气轮机发电机组的选择
选择燃气轮机时，首先要对燃料进行选择，因为燃机对燃料的适应性有一定范围。燃气轮机所燃用的燃料有气体燃料（天然气、液化石油气和煤气）、液体
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燃料（轻油和重油）。在燃料选择时，应对燃料的品种、运输条件、供应方式及价格等进行调查分析，以确定合理的燃料供应系统和恰当的设备选型。天然气、液化石油气、煤气和轻油是燃机的理想燃料，但是使用天然气需要合适的气源，如气源的供给量及地理位置，液化石油气、煤气和轻油价格较贵而使发电成本提高，对于燃用重油，虽然其价格便宜，但由于其粘度大，并且含有多种对燃机有害的元素，如钾、钠、钒、铅和硫等，使用前需进行专门处理，才能达到燃机的要求。因此燃用重油时需对运行费用、维护保养以及发电成本等方面进行技术经济比较。
作为联合循环调峰供热电厂，在机组数量确定时应考虑电厂运行的灵活性，一般宜选择多台机组。对单机容量的选择，可视当地电网的电力平衡情况而定，同时也要考虑电厂单位容量的造价因素，避免设置过多的小容量机组。
２、余热锅炉的选择 ⑴、余热锅炉的作用
燃气轮机虽然其热效率高，但其排烟温度相应也很高,排烟流量也很大。单循环运行时，燃机所耗能的大部分能量从旁路烟囱排入大气，不仅浪费了能源，而且对大气环境产生了热污染。因此利用余热锅炉吸收燃机排放的高温烟气，使之产生蒸汽，进入汽轮发电机组发电，形成燃气－－蒸汽联合循环，不仅提高了电厂的热效率，节约了能源，而且起到了保护大气环境的作用。如美国GE公司生产的PG6551(B)型燃机当单循环运行时，在ISO条件下燃用轻油时的热效率为31.58％，其余能量除了压气机作功耗能以及机组运行时辅助设备耗能以外，绝大部分热量排入大气，其轻油的发电油耗率约为 270-280 g/kWh，而在联合循环运行时其轻油的发电油耗率则为 200-220 g/kWh。很显然, 联合循环运行既节约了能源，又降低了发电成本，提高了电厂的经济效益，可见余热锅炉在联合循环这种优势中起到了“桥梁”的作用。 ⑵、锅炉的选择
余热锅炉从介质工作原理可分自然循环型和强制循环型二大类，他们均具有负荷适应范围广，性能稳定，适宜快速启停的特性。与但强制循环型余热锅炉相比，自然循环型余热锅炉由于阀门等附件可放在地坪操作及无强制循环水泵等原因，因此具有操作、运行和维护方便的特点，但自然循环型余热锅炉由于采用卧式布置形式，具有占地面积大的缺点。
从介质工作压力系统分有单压型和双压型（甚至三压型）余热锅炉。设置多压系统其目的是在于以多个压力等级来分段分级吸收更多的热量，达到降低排烟
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温度，减少汽机回热系统，提高锅炉效率的目的。但应该注意的是压力等级的选择与投资额和投资回收期密切相关，因为压力等级越多，受热面就越大，虽然降低了排烟温度，提高了热交换率，但金属耗量相应增大，即造价相应上升；另一方面，必须考虑到降低余热锅炉排烟温度而造成烟气露点的影响，因此压力等级的选择必须从提高供热系统效率、燃料成份、成本的回收等因素统盘考虑。 ⑶、蒸汽参数和蒸发量的确定
余热锅炉蒸发量的大小与燃机的排烟温度、排烟量、所选用的燃料品种以及余热锅炉本身的热交换效率密切相关，燃机排烟量越大，排烟温度及余热锅炉的热交换效率越高，余热锅炉的蒸发量就越大；同样，余热锅炉过热器出口的蒸汽温度也与燃机的排烟温度有关，余热锅炉入口烟温越高，其过热器出口蒸汽温度也相应越高，但为取得良好的传热效果，烟气温度与蒸汽温度需保持一定的温差，一般在 10-20 ℃以上。
余热锅炉过热器出口蒸汽压力的选择要考虑以下几个因素：
－－余热锅炉过热器出口蒸汽压力应与温度相对应，尽可能符合系列标准； －－在烟气温度允许条件下，尽可能提高蒸汽参数。
如对美国GE公司生产的重型机MS6000系列，一般余热锅炉配置如下： 燃机：PG6541(B)型
余热锅炉配备单压型： 65 t/h （中温中压参数） 燃机：PG6551(B)型
余热锅炉配备双压型： 66.4 t/h （中温中压参数）
9.75 t/h （～0.3 MPa,～140 ℃）
⑷、余热锅炉台数的确定
余热锅炉台数的确定应以整个系统运行的灵活性和供热的连续性及可靠性为原则。
多套燃气轮机组配置单台余热锅炉，虽然可以降低电厂的单位造价，但系统运行的灵活性较差，当该台余热锅炉故障时，就造成与之相关的所有燃机单循环运行，这不仅使电厂发电成本上升，而且导致供热中断。因此余热锅炉的台数一般宜与燃机相同。
３、抽凝式汽轮机的选择 ⑴、蒸汽参数的选择
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汽轮机进汽参数的确定随余热锅炉出口蒸汽参数而定,同时也要考虑燃机调峰的要求，即能适应启停和负荷变化过程中滑参数运行的要求。燃机在启动过程中余热锅炉所产生的蒸汽参数是逐步上升的，在这个过程中，借助于汽轮机蒸汽旁路装置，使蒸汽参数达到一定值（不到额定值）时就进入汽轮机，使汽轮机滑参数启动；在燃机调负荷过程中，余热锅炉出口蒸汽温度也有所变化，这也要求汽轮机随着余热锅炉出口参数变化而滑参数运行。
⑵、机组容量和台数的确定
与常规电厂不同，联合循环汽轮机的容量没有一定的规格和系列，而与余热锅炉出口蒸汽量的大小及蒸汽参数的高低有关，同时也与余热锅炉压力等级相关，应通过计算确定。一般说来，配用余热锅炉的联合循环，汽轮机的容量约为燃机容量的一半。如美国GE公司生产的PG6541(B)型燃机，所配余热锅炉为65 t/h单压型时，可配备15MW的蒸汽轮机组；当余热锅炉为66.4 t/h双压型时，可配备18 MW的蒸汽轮机组，因双压余热锅炉给水的加热用汽来自锅炉本身的低压汽包，而不需取自于汽轮机的回热抽汽，因而增加了蒸汽轮机的出力。 蒸汽轮机台数的确定，同样也应以系统运行的灵活性为原则。二台燃气轮机组与一台汽轮机组组成联合循环即通常所说的“二拖一”这种组合形式是比较常见的，它具有很多优点。下表为美国GE公司50Hz STAG（Steam And Gas)产品系列性能表：
50 Hz STAG产品系列性能表 联合循环牌号 电厂净功率 (MW) 重型燃机 S106B S206B S406B S106FA S206FA S109E S209E S109FA S209FA
电厂净热耗 热效率 (低热值)(kJ/kWh) (低热值)(％) 59.2 119.5 240.0 108.5 219.4 188.4 378.0 348.5 700.8 110
7410 7330 7310 6790 6720 6970 6950 6560 6530 48.6 49.1 49.3 53.0 53.6 51.6 51.8 54.8 55.1 备注：
１现场条件：ISO条件即15 ℃，1.013 Bar，60 ％相对湿度 ２汽轮机排压力＝30.48 mmHg(a)
３性能为净电厂性能，已考虑包括单程冷却水系统在内的有关电厂辅机和设备的功率消耗
从上表中可以看出，相同燃机型号的组合，“二拖一”的热效率要比“一拖一”要高，另外“二拖一”组合还具有单位造价低、占地少、布置紧凑等优点。但是对于供热的联合循环而言，这种组合的方案其系统运行的灵活性存在着一定的局限性，当汽轮机组停运时，二台余热锅炉的高参数蒸汽全部降压供热，造成了不必要的高品位能源的低品位转化。因此，蒸汽轮机组的数量宜与余热锅炉的台数相一致，即以“一拖一”为宜，在这种组合中，当一套机组故障时，另外一套机组可连续不断地供热发电，系统安全可靠，运行灵活方便。
４、连续供热的措施 ⑴、补燃型余热锅炉
调峰热电厂不仅要担任电力调峰任务，而且要对外连续供热。在白天用电高峰期间，联合循环供热发电；夜间用电低谷期间，由于燃机的停运，余热锅炉和蒸汽轮机组也相应停止运行，从而导致供热的中断。解决电力调峰和连续供热之间的这个矛盾，有以下二种途径：采用补燃型余热锅炉和设置辅助锅炉。 使用补燃型不仅解决了燃机停运时供热的需要，而且增加余热锅炉产汽量的同时，可以通过提高余热锅炉入口烟温（700－850℃），从而提高了蒸汽参数。但补燃余热锅炉在技术上需要处理以下问题：
－－由于燃机排出的烟量大，流速很高（17－30m/s)，为了获得稳定的火焰，使得燃料和含氧气流的混 合有一个气流扰动的低速区域，需设置一个稳定火焰的装置；
－－火焰延长，会造成烟道截面不均匀，引起受热面 局部温度过高，在烟道截面上设置栅格式补燃器；
－－对补燃量大的墙式燃烧器，烟道内壁要有水冷壁管保护。
目前，国外补燃型余热锅炉已基本成熟，而国内尚处于研究阶段，选择时应慎重考虑。
⑵、辅助锅炉
在联合循环系统中设置辅助锅炉，夜间在燃机停运时可启动辅助锅炉对外连
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续供热，它同时也是白天联合循环供热的备用锅炉。
可供选择的辅助锅炉有燃油锅炉和燃煤锅炉等，选择时应与联合循环相协调，建议采用与燃机相同燃料的锅炉，燃油锅炉。选择燃油锅炉有以下几个优点：
－－避免了燃煤锅炉所需的煤场、渣场和除尘系统对环境造成污染； －－避免了燃煤锅炉白天压火，夜间运行所带来的能源浪费和繁重的工作量；
－－燃油锅炉启停快速，操作及维护方便。
燃油辅助锅炉的参数宜与余热锅炉相同，即电厂的主蒸汽管道系统为一个系统，这样辅助锅炉既是夜间连续供热的保障，又可作为白天联合循环供热的备用设备，白天当联合循环故障而导致供热中断时，可启动辅助锅炉，以保证供热的连续性。
燃油辅助锅炉容量的确定应考虑以下几个方面：
－－在燃气轮机停运时，利用辅助锅炉的所产生的蒸汽驱动蒸汽轮机组发电供热，因此其容量既要满足热负荷的需要，又要满足蒸汽轮机组运行时汽机后汽缸所必需的最小通流量。
－－不宜设置单台辅助锅炉，以免单台锅炉故障时，造成夜间供汽中断。
三、小结
燃气--蒸汽联合循环供热型调峰热电厂的主机设备选择，不仅要从经济方面考虑，更重要的是要考虑整个热力系统运行灵活、安全，供热连续可靠等多个方面的因素，只有全面考虑，才能取得良好的效果。
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