燃气-蒸汽联合循环机组参与电网调峰可行性研究

赵冬雯 栗向鑫 张 硕 贾 琳 高 洵

1.北京石景山供电公司 北京市 石景山区 100043

2.华北电力大学电气与电子工程学院 北京 昌平区102206

3.国家电网华北电力调控分中心 北京 西城区 100053

0 引言

燃气-蒸汽联合循环发电机组，具有高效低耗、启动快、调节灵活、可用率高、建设周期短、安全可靠、环境污染小等优点，是我国电力工业发展的一个重要组成部分［1］。当前，京津唐电网已投产、在建及计划建设的燃气-蒸汽联合循环发电机组所占电网装机比重日益增加。截至2013年年底，京津唐电网火电机组装机容量约为4991万千瓦，其中燃气-蒸汽联合循环发电机组装机容量约为457万千瓦，占比约为9.1%；预计2014年底，京津唐电网火电机组装机容量将达到5602万千瓦，其中燃气-蒸汽联合循环发电机组装机容量将达到898万千瓦，占比约为17.1%。随着燃气-蒸汽联合循环发电机组装机占比不断增大，其如何参与电网调峰的问题越来越引起同业人员的重视，由于燃气-蒸汽联合循环发电机组较常规火电机组运行及启停特性相异，分析燃气-蒸汽联合循环发电机组实际运行情况，讨论其参与电网调峰的可行性具有重要的理论和实际意义。

本文选取京津唐电网某发电厂具有典型性的燃气-蒸汽联合循环发电机组，总结了该类型联合循环机组启动时间、负荷运行区间、深度及启停调峰实际运行特性，同时介绍了网内同类型主力联合循环机组运行特性及燃气-蒸汽联合循环发电机组参与调峰的方式，并对其进行初步讨论，为燃气-蒸汽联合循环机组参与电网调峰提供方法指导。

1 机组相关情况

某发电厂现役燃气-蒸汽联合循环发电机组为“二拖一”燃气—蒸汽联合循环机组，配备两台三菱重工生产的M701F4重型燃机，一台东方汽轮机有限公司生产的三压、再热、双缸、向下排汽、可背压可纯凝运行蒸汽轮机。

1.1 机组启动时间情况

通常，燃气-蒸汽联合循环热电机组启动具有启停快的特点，启动状态按照汽轮机状态分为冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动。其中，冷态、温态、热态和极热态启动分别对应联合循环热电机组高中压缸第一级金属温度在不高于120摄氏度、120～415摄氏度之间、415～450摄氏度之间和450摄氏度以上［2-5］。机组在冷态和温态时，启动时间较长，启动时间对电网调峰影响较大，因此本文着重探讨冷态和温态启动相关问题。京津唐电网某发电厂现役燃气-蒸汽联合循环发电机冷态、温态时，机组不同组合理论启动曲线如图1-4所示。

图1 “二拖一”机组冷态启动曲线

图2 “二拖一”机组温态启动曲线

图3 “一拖一”机组冷态启动曲线

图4 “一拖一”机组温态启动曲线

图1-4分别为该厂联合循环机组 “二拖一”和“一拖一”的冷态和温态启动理论曲线。可知，“二拖一”和“一拖一”冷态启动理论时间为240分钟带满负荷；“二拖一”和“一拖一”稳态启动理论时间为180分钟带满负荷。然而，在联合循环机组“二拖一”冷态实际启动过程中，从启动第一台燃机至带满负荷时间较理论时间延长了10~180分钟；联合循环机组“二拖一”温态实际启动过程中，从启动第二台燃机至带满负荷时间较理论时间延长了40~80分钟；联合循环机组“一拖一”冷态实际启动至脱硝系统的投入时间，较理论时间最高延长160分钟；联合循环机组“一拖一”温态实际启动至脱硝系统的投入，响应时间会延长20~60分钟；“一拖一”运行，第二台燃机冷态实际启动至完成并汽过程，相应时间延长了60分钟；“一拖一”运行，第二台燃机温态实际启动至完成并汽过程，相应时间延长了10～50分钟。

由此可知，该厂联合循环机组实际启动的时间较理论启动时间延迟最高可达180分钟。延迟的时间中包括燃机暖机、汽机暖机、余热锅炉暖炉等过程，具体的延长时间视机组具体情况而定，这给调度运行调峰带来一定难度，调度运行人员无法精确确定调峰机组的具体响应时间。

1.2 机组深度调峰情况

通常，联合循环机组发电负荷与NOX排放量关系较为紧密。该厂燃机脱硝系统采用尿素热解技术，利用燃机尾部烟道的热烟气作为尿素热解的热源。脱硝催化剂的工作温度在346℃左右，热解尿素热解要求温度在450℃以上。该厂在燃机负荷达到160MW以上时，燃机排气温度方可达到要求。因此，该厂在燃机负荷大于160MW后投入脱硝系统，排放指标可达到环保要求。

根据实际运行经验，该厂联合循环机组在夏季调峰期间，能够满足500MW～800MW范围的快速调峰需要；在春秋季电网调峰期间，能够满足500MW～900MW范围的快速调峰需要；在冬季供热调峰期间，根据“以热定电”原则，联合循环机组按照“热电关系曲线”范围参与电网调峰，但是考虑NOx排放量及供热负荷安全、稳定的问题，机组调峰速度较难满足电网快速调峰的需要，机组参与调峰的负荷区间也有所降低。

1.3 机组启停调峰情况

据统计，该厂燃机启停机一次将额外增加EOH（等效运行小时）20个小时。每个EOH费用约2960元，启停一次EOH费用需增加约59200元，并且缩短了燃机的检修周期。另外，在同样EOH的情况下，燃机频繁启停有可能导致燃烧器火焰筒热障涂层脱落、鼓包变形和破裂以及燃机透平叶片热障涂层脱落等问题发生。而类似情况在不参与启停机调峰的燃气机组中较少发生，因此，燃机频繁启停参与调峰或调峰深度过大可能增加燃烧部件和热通道故障发生的概率。

当该厂燃机EOH（等效运行小时）达12000小时，必须进行检修。如燃机频繁启停机，则EOH（等效运行小时）达10000小时即要进行检修，缩短了检修周期。同时，机组参与启停调峰，需要对启停过程中运行成本进行一定核算（天然气成本、人力成本等消耗）等。因此，联合循环机组启停调峰需综合考虑机组运行安全和电厂经济效益等问题。

2 网内主要燃机机型情况

京津唐电网现役联合循环机组主要由GE、西门子、三菱等公司生产。在前文详述三菱机型运行情况的基础上，笔者从启动时间、燃烧模式及机组变负荷率角度介绍、简析网内现役主力类型联合循环机组运行及参与电网调峰的情况。

2.1 启动时间

对于单台燃机的启动，GE公司的9F级燃机从启动到定速耗时约在16分钟左右，加上清吹约15分钟时间，启动总时间约为31分钟。西门子同类型燃机从启动到定速耗时约为13分钟，若需要清吹，启动时间则需再加上15分钟。三菱同类型燃机从启动到定速耗时约为21分钟，其中清吹时间约为3分钟。

由此可见，单纯燃机从启动指令至定速的启动时间最长约为31分钟，而整体联合循环机组的启动响应时间有较大区别，其主要差距体现在各自采用不同的汽轮机，机组的启动及性能特性各异，暖机时间和升速要求均不同，导致联合循环机组整体的响应时间较长，进而导致机组无法及时执行调度调峰指令。

2.2 燃烧模式及机组变负荷率

GE公司的9F级燃机先导预混燃烧模式切换至预混燃烧模式的负荷点为55%额定负荷。西门子同类型燃机机组从启动到带满负荷过程中均不影响，另外部分燃机切换模式还受到天然气供气压力的影响。

对于参与调峰的联合循环机组，在参与深度调峰时，机组整体的变负荷率是一项重要指标。单就燃机来说，燃机的变负荷率基本上没有太大差异，而不同的蒸汽轮机，机组的特性差异将会导致整个联合循环的变负荷率存在较大不同，进而对于电网调峰存在较大影响。

3 联合循环机组参与电网调峰方式探讨

3.1 联合循环机组参与电网调峰方式

对于联合循环机组，若只参与电网调峰，由于蒸汽轮机运行工况各异，各自启动所需时间及准备的时间也各异。对于蒸汽轮机来说，联合循环机组的蒸汽轮机启动时间与燃煤机组比较，就启动时间而言，无优势可言。

联合循环机组若仅让燃机参与调峰，可发挥联合循环机组启动时间短的优势。燃机单独参与电网调峰可分为两种方式：

1）燃机排气端设置烟气旁路，即燃机排气通过烟气旁路外排。目前京津唐电网在建及已投产联合循环机组均未设置烟气旁路。若参与电网调峰，改造机组烟气旁路，可实现单台燃机启动而不需要预热锅炉、蒸汽轮机及辅机，这样使得燃机能够以比较快的速度响应调度运行人员的启停要求。

2）通过投入蒸汽旁路而不启动蒸汽轮机燃机。目前，京津唐电网在建及已投产联合循环机组的蒸汽旁路部分具有100%容量的旁路，这样的旁路使得参与调峰的联合循环机组能够只启动燃机，余热锅炉跟随燃机启动，余热锅炉产生的蒸汽通过蒸汽旁路，蒸汽轮机不启动，可实现机组日启停调峰。

基于烟气旁路的方法，可实现单燃机深度调峰，由于没有蒸汽的影响，汽轮机在停运状态，并且燃机出口的烟气温度较高，脱硝系统具备投入条件，电厂环保压力较小。然而，基于燃气旁路的方法，可以实现单燃机深度调峰，但为了保证汽轮机的安全，机组大量辅助设备需要投运，并且负荷率较低的运行方式下，存在环保指标不合格的风险。

3.2 讨论

联合循环机组参与电网调峰，从启动时间角度考虑，单独燃机启动时间和汽机启动时间无法简单相加成联合循环机组的启动时间，两阶段中间还有相互配合的暖管和疏水的时间。因此，该类型机组若参与启停调峰，则需要在机组厂家提供联合循环的启、停曲线，得到机组理论上启、停机需要的时间的基础上，融合实际运行经验，确定机组真正启停时间。

联合循环机组参与电网调峰，从深度调峰角度考虑，燃机在燃烧模式切换后NOX含量将快速下降。在机组正常运行过程中，为了能够达到NOX排放标准不高于20ppm，需投入脱硝系统，以维持NOX排放标准。然而，在燃烧模式切换前，NOX排放大于100ppm，即使投入脱硝系统，仍然无法保证NOX排放不高于20ppm，同时烟气排烟将呈现淡黄色，因此机组应尽量避免在扩散燃烧模式下运行。由于燃机在预混模式前采用扩散燃烧方式，燃烧温度高，对燃机热通道寿命影响较大，因此相关要求燃机不宜长期在此燃烧模式下运行。由于燃机从先导预混模式切至预混模式切换点大概在燃机55%负荷左右，在燃烧模式切换过程中，燃料调阀将大幅动作，燃机振动也会上升至较高水平，为了避开燃烧模式切换负荷段，燃机负荷应该不低于60%负荷。因此，若调度运行人员若下令联合循环机组执行50%负荷参与电网调峰以及深度调峰指令，需要电厂做好相关前期环保改造及机组保养工作。

联合循环机组参与电网调峰，从启停调峰角度考虑，如果机组频繁启、停或深度调峰，对燃机燃烧部件的寿命影响较大。燃机检修通常按运行时间和启、停次数两个指标来进行，两个指标中任意指标达到条件，机组就必须进行相应检修。由于循环联合机组在京津唐电网冬季有近4个月的供热运行方式，在此期件，机组必须保持连续大负荷运行，方能确保冬季供热任务顺利完成。如果在春季检修结束后，机组以深度调峰或日启、停的方式运行，会对机组寿命和检修条件造成影响和限制，可能会导致机组在冬季供热期出现必须停机检修的情况，否则将影响机组稳定运行及连续供热。

综上所述，联合循环机组参与电网调峰，需综合考虑电厂的运行成本和设备改造成本、机组检修计划、调度调峰压力、电网安全稳定运行以及环保压力等问题。与此同时，电网公司如何通过有效的补偿手段激发该类型机组参与电网调峰的问题仍需进一步研究。

4 结论

燃气-蒸汽联合循环机组在发电效率、启停速度、负荷变化率以及绿色环保等方面优于普通燃煤机组，可用于部分地区电网调峰。联合循环机组可采用“一拖一”或“二拖一”运行方式，若燃机、汽机根据相关需求进行改造，则可更加适应电网调峰的需求。随着联合循环机组装机比例不断扩大，运行人员需要进一步梳理该类型机组启停时间、负荷调整率及燃烧模式等实际运行情况，电网公司则需要通过有效经济补偿手段确保该类型电厂经济效益，以期达到环保、电网安全共同发展的目标。

［1］刘红，蔡宁生.重型燃气轮机技术进展分析［J］.燃气轮机技术，2012，25（3）：1-6.

［2］朱军辉.影响联合循环机组性能和主要因素及分析［J］.电力科学与工程，2002，4：28-30.

［3］毛华军.S109FA联合循环机组调峰运行方式的分析［J］.华电技术，2008，30（8）：13-15.

［4］余学海，廖海燕.IGCC多联产发电机组调峰配置及经济性浅析［J］.热力发电，2010，39（2）：10-13.

［5］黄志坚.燃气-蒸汽联合循环发电机组参与电网调峰运行［J］.上海电力，2006，1：39-42.

［6］葛海华，刘新平.燃气-蒸汽联合循环机组的调峰可行性操作［J］.华东电力，2012，40（12）：2306-2307.

［7］朱宪然，张清峰，赵振宁.700MW级多轴燃气-蒸汽联合循环机组调峰和启动特性［J］.中国电力，2009，42（6）：1-5.