S209E型燃气-蒸汽联合循环机组的运行优化

nijw@gtgsh.com.cn.

S209E型燃气-蒸汽联合循环机组的运行优化

倪剑威

(上海闸电燃气轮机发电有限公司,上海200438)

摘要:分析了某电厂GE S209E型联合循环机组在不同运行方式下的热力性能试验数据,引入了用于测算和评价机组热力性能的简易计算方式,提出了一种基于微分计算的有功优化分配方法.

关键词：联合循环; 单循环; 热力性能; 优化运行

收稿日期：2015-06-30

作者简介：通讯倪剑威(1967-),男,工程师,上海人.主要研究方向为电力运行生产和管理.E-mail:

中图分类号：TK123；TM611.3文献标志码： A

Operation Optimization for A S209E Gas-Steam Combined Cycle Unit

NI Jianwei

(ShanghaiZhadianGasTurbinePowerPlantCo.,Ltd.,Shanghai200438,China)

Abstract:The date of the thermal performance tests in a GE S209E combined cycle unit of a certain power plant in different operation conditions are presented and a simplified computing formula for calculation and assessing is introduced.An optimized power distribution method based on differential calculation method is also proposed.

Key words: combined cycle; simple cycle; thermal performance ; optimization operation

上海某电厂安装有2套S209E型燃气-蒸汽联合循环机组,每套S209E型燃气-蒸汽联合循环机组由2台9E燃机配2台余热锅炉供1台容量为107 MW汽轮发电机组成.

本文根据S209E分别处于“2拖1”和“1拖1”方式下联合循环热力性能试验数据,结合燃气轮机单循环相关试验数据进行了比较分析,并以此为基础提出了一种适应电厂需要的简易热力性能计算与评价方法,有针对性地给出了适应两套S209E在不同运行方式下为确保发电经济性所需的负荷优化调度策略.

1热力性能试验情况

图1为该联合循环机组的热力系统示意图,主蒸汽为母管制,根据需要也可采用1拖1方式运行,即一台燃机加一台锅炉与汽机,其运行方式较为灵活.

某电厂的第2套联合循环发电机组(3#和4#燃机汽轮机,6#汽轮机)在2011年12月4日至12月6日期间委托试验资质单位进行了多项热力性能试验,试验内容包括以下3个方面:

图1　S209E燃气-蒸汽联合循环热力系统示意

(1)3#燃机单循环方式热力性能试验;

(2)3#燃机、3#余热锅炉、6#汽机联合循环方式热力特性试验(1拖1方式);

(3)3#/4#两台燃机、3#/4#余热锅炉和6#汽机联合循环方式热力特性试验(2拖1方式).

试验期间,对机组的3种运行方式进行了4~5点负荷工况数据的测试,每个工况点持续20~30 min,为使各工况下计算结果有可比性,对各个工况和计算结果按GE公司提供的修正曲线及计算公式修正到ISO工况或保证工况下.

有关试验数据如表1所示.

表1　试验测算结果

注:*表示该栏数值为按试验结果所作的计算值;**表示试验中按重油低位热值41 783 kJ/kg,[1]标准标煤耗按煤的低位热值29 307 kJ/kg进行计算.

2S209E联合循环机组两种运行方

式下的热力性能试验分析

2.1　2拖1方式

在燃机水洗后,[2]不注水工况下,燃烧重油时,测算有关试验数据如表2所示.

表2　2拖1方式下的有关试验数据

按表2数据绘制出的功率P,煤耗f和效率F的曲线如图2所示.参照图2曲线,取图中f1,f2,f33点数值设立一组三元二次方程组,即:

图2　2拖1方式下的功率、煤耗和效率曲线

用消元法解方程组,得:A=0.33,B=264.87,C=29.731.

可得标煤耗函数式为:

(1)

式中:f——发电煤耗,g/kWh;

P——机组有功功率，104kW.

近似简化为

(2)

其计算误差小于0.7%,便于计算和记忆.

取表2中发电功率与净效率相对应的3组数据:E1(30.4,46.4),E2(18.7,40.3),E3(12.4,33.8),以二次函数表示,则可设立一组三元二次方程式,即

用消元法解出方程组,得:A=-0.028 4,B=33.71,C=46.7.

即热效率函数式为:

(3)

近似化简为:

(4)

其计算误差小于0.6%.

根据式(2)和式(4),可编制S209E燃机-联合循环机组(2拖1方式)功率、标准煤耗和净效率的对应表,如表3所示.表中,f1和F1分别表示标准煤耗和热效率的变化量,Δf1和ΔF1分别表示标准煤耗和热效率的变化值.

表3　2拖1方式下的功率、标准煤耗和效率对照

表3以联合循环机组总出力300 MW工况的煤耗及效率值为基准值.由表3可以看出,机组以满负荷304 MW运行时,标准煤耗为264.8 g/kWh,效率达到46.4%;以最低负荷150 MW运行时,标准煤耗为337 g/kWh,大幅增加72.2 g/kWh,增幅为27.3%,效率则下降为36.5%,幅度为-9.8%.由此可见机组的标准煤耗与效率受到负荷水平的影响很大.

此外,当机组总出力从满负荷(300 MW)下降到80%负荷(240 MW)时,标准煤耗增加到276 g/kWh,增加了10.8 g/kWh,增幅为4%.而当负荷从80%下降到60%(180 MW)时,煤耗大幅增加到310 g/kWh,比80%负荷时增加了36.4 g/kWh,增幅为13%.若从80%负荷下降到50%(150 MW)负荷时,则煤耗增加到337 g/kWh,比80%负荷时增加了63.4 g/kWh,增幅为23%,而热效率大幅下降到36.8%.因此,在电网负荷允许的情况下,应尽量减少机组在80%出力以下的运行时间,尤其应尽量减少60%出力及以下负荷的运行.

2.2　1拖1方式的试验数据

在燃机水洗后,不注水工况下,燃用重油时,测算的有关试验数据如表4所示.

表4　1拖1方式时的有关试验数据

由表4可绘制出功率P,煤耗f和效率F的曲线如图3所示.

图3　1拖1方式下功率、煤耗和效率曲线

从图3可以看出,该曲线近似于二次函数曲线.取图1中f1,f2,f33点的数值,设立一组三元二次方程组,即：

解得:A=0.375,B=265.5,C=17.58.

故发电煤耗计算公式为:

(5)

近似简化为:

(6)

式(12)的计算误差小于0.3%.

取表2中发电功率与净效率对应的3组数据:E1(14.8,45.3),E2(11.9,42.6),E3(6.72,35.0),也以二次函数表示,则可设立一组三元二次方程组,即：

解得:A=-0.066 4,B=20.36,C=47.35.

1拖1运行方式下机组效率计算公式为:

(7)

近似简化为:

(8)

式(8)的计算误差小于0.6%.

根据式(6)和式(8),可编制联合循环1拖1方式下的功率、煤耗和效率的对照表如表5所示.

表5　 1拖1运行方式下的功率、标准煤耗和

表5以1拖1方式时满负荷150MW工况的标准煤耗值为基准值.由表5可以看出,机组以最高负荷150MW运行时,标准煤耗为270g/kWh,效率达到45.4%;以最低负荷75MW运行时,标准煤耗为340g/kWh,增加了70g/kWh,增幅为25.9%,而效率下降至36.3%,下降幅度为-20.0%,即机组的煤耗与效率受到负荷变化的影响较大.此外,当机组总出力从满负荷(150MW)下降到80%负荷(120MW)时,标准煤耗增加到288g/kWh,增加了18g/kWh,增幅为6.7%.而当负荷从80%下降到60%(90MW)时,标准煤耗大幅增加到320g/kWh,比80%负荷时增加了32g/kWh,增幅为11%.若从80%负荷下降到50%(75MW)负荷时,则标准煤耗增加至340g/kWh,比80%负荷时增加了52g/kWh,增幅为18%,而热效率大幅下降到36.3%.因此,在电网负荷允许的情况下,应尽量减少机组在80%出力以下的运行时间,尤其应尽量减少60%出力及以下负荷的运行.

3两套2拖1方式的有功功率出力

优化分配

3.1　运行优化算法

2拖1方式的煤耗计算公式可用式(4)的二次函数关系来近似地表示.因此,当有热力性能相近的另一套(或多套)2拖1机组运行时,应使各套机组的有功优化分配,[3-4]从而使全厂总的发电煤耗为最小值.

为了便于公式推导,将f=0.33×(29.73-P)2+265表达为函数式:

(9)

式中:a=0.33;b=29.73;c=265;

p——有功出力,104kW.

设全厂总出力为p,一套机组出力为q,则另一套机组出力为p-q,全厂两套机组总发电油耗为:

[a(b-p+q)2+d](p-q)

(10)

将式(10)整理后求一阶导数得:

(11)

令f′(q)=0,则解方程得:

即当q=p/2时,全厂总煤耗f存在极值.

对式(11)求二阶导数,可得:

(12)

令f″=0 ,可求得总煤耗函数f (q)图像拐点为:

(13)

将b=29.73代入式(13),得拐点:

3.2　运行优化策略的建议

(1) 当全厂总出力p>4b/3,即p>400MW时,f″>0,此时两套2拖1机组有功功率取p1=p2=p/2,总标准煤耗为最小值.

(2) 当全厂总出力p<4b/3,即p<400MW时,f″<0,此时两套2拖1机组有功功率取p1=p2=p/2,总标准煤耗为最大值.

(3) 当p=4b/3=400MW,两套机组在函数曲线范围内(150~300MW)变化时,全厂总标准煤耗不变化.

(4) 由此得出两套与上述性能试验曲线相同(或相近)的2拖1方式运行机组的有功功率优化组合原则为:当总出力≥400MW时,采取2拖1机组出力平均分配;当总出力<400MW时,采取一套机组为150MW运行、另一套2拖1机组出力则按电网调峰要求加减出力.

4两套1拖1方式运行时的有功功

率优化分配

4.1　运行优化算法

当热力性能曲线相同或相近的两套1拖1机组运行时,应使各套机组的有功功率优化分配,从而使全厂总的发电煤耗为最小值.

将1拖1时的标准煤耗计算公式f=0.74×(17.6-P)2+266表达为函数式:

(14)

式中:b=0.74,c=17.6,d=266.

其与两套2拖1机组有功功率优化分配的数学推导相似，最终得：p=23. 47≈23.5MW.

4.2　运行优化策略的建议

(1) 当总出力≥235MW时,采取每组出力平均分配方式;

(2) 当总出力<235MW时,采取一套机组为75MW运行、另一套1拖1机组出力则按电网调峰要求加减出力的方式.

5燃机单循环方式时的有功功率和

标准煤耗曲线分析

试验中,在机组水洗后,不注水工况下燃用重油时测算的有关数据如表6所示.

表6　3 #燃机单循环运行方式下的试验数据

注:以上试验值均已换算到ISO条件下.

由表6可绘制出单循环方式下的功率、标准煤耗和效率的曲线如图4所示.从图4可以看出,该曲线近似于二次函数曲线.

图4　单循环方式下的功率、标准煤耗和热效率曲线

取图4中f1,f2,f33点的数值,设立一组三元二次方成组,即:

用消元法解得:A=3.69,B=392,C=10.34.

故得标准煤耗计算公式为:

(15)

近似简化为:

(16)

其计算误差小于0.7%.

然后取图4中E1,E2,E33点的数值,设立一组三元二次方程组

用消元法和代入法可解得:A=-0.186 8≈-0.187,B=10.84,C=31.37.

故得效率计算公式为:

(17)

近似简化为:

(18)

其计算误差小于0.9%,便于计算与记忆.

按照上述标准煤耗及效率计算公式,可编制单循环方式下功率、标准煤耗和效率的对照表,如表7所示.

表7以单循环机组出力100MW工况时的标准煤耗及效率值为基准值.从表7可以看出，当机组从满负荷100MW下降到最低负荷40MW运行时,标准煤耗达到539g/kWh,增加了138g/kWh,增幅为38%.由此可见单循环方式下标准煤耗和效率受负荷水平的影响最大.此外,由于单循环方式时燃机高温排气经旁路烟囱排放,未经利用,故此方式下的最高效率仅为31.27%，此时煤耗为392g/kWh,均比联合循环2拖1或1拖1运行方式的最低运行负荷时的经济性差.因此,除特殊情况时(例如电网失电时,燃机黑启动),电厂一般不采用燃机单循环方式运行.

表7　燃机单循环方式下功率、标准煤耗和效率对照

6结论

(1) 燃机单循环运行方式下标准煤耗最高,热效率最低,经济性差.原因是燃气轮机高温排汽余热未被利用.从表1可知,单循环方式满负荷运行时煤耗为392g/kWh,比联合循环两种方式的最高煤耗分别高出52g/kWh和55g/kWh,仅当电网失电需要燃机黑启动供电网事故处理,或当用电高峰电网无备用容量而本厂锅炉或汽机强迫停用等事故条件下才投入运行.

(2) 2拖1方式是S209E联合循环机组的常规运行方式,满负荷运行(出力为304MW)时,最低煤耗为265g/kWh,净油耗为184g/kWh,效率达46.4%.2拖1方式下汽机负荷最高,联合循环发电经济性也处于最高水平.由于循泵、凝泵等辅机利用率较高,厂用电率也处于较低水平,因此 2拖1方式的高负荷运行是电厂最经济的运行方式.

(3) 1拖1方式在最高负荷(148MW)运行时,联合循环标准煤耗为275g/kWh,效率为44.7%,虽然发电经济性与2拖1的最高负荷工况相比稍有逊色,但比2拖1方式下低负荷(187MW)时要经济.

(4) 通过比较可知,2拖1方式在负荷小于250MW时,标准煤耗高于1拖1的最低煤耗.鉴于燃气轮机发电机组在低于80%额定负荷时排气温度下降幅度较高,故联合循环机组在80%负荷率以下标准煤耗增加幅度较大,发电经济性降低较为明显.因此,2拖1方式下应减少在250MW以下的运行时间, 1拖1方式下应减少在120MW以下的运行时间,采取此种机组调度策略,可提高联合循环发电机组的发电经济性.

参考文献：

[1]阎保康,宋志刚.大型燃气-蒸汽联合循环机组热力性能试验研究[J].华东电力,2003(9):76-78.

[2]任其智.燃气-蒸汽联合循环电站热力性能试验方法探讨[J].热力发电,2001(3):5-8.

[3]黄宗汉.燃气蒸汽联合循环的热平衡热效率计算及评价[J].电力勘测设计,2005(1):49-53.

[4]周素荃,张新叶.燃气轮机基本热力计算方法分析[J].中国新技术新产品,2012(9):7-8.宋志刚.大型燃气-蒸汽联合循环机组热力性能试验研究[J].华东电力,2003(9):76-78.

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(编辑胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.004