二拖一燃气—蒸汽联合循环发电供热机组设计特点

徐 清

（广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

二拖一燃气—蒸汽联合循环发电供热机组设计特点

徐 清

（广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

本文依托大量二拖一燃气—蒸汽联合循环发电供热机组的工程设计实例，对二拖一燃气机组的系统配置和特点进行分析和总结。

二拖一；联合循环发电供热机组；系统配置；系统特点；供热能力。

随着国家对环境保护和节能减排的重视，燃气—蒸汽联合循环发电供机组热因其热效率高、污染低、工程总投资低、建设周期短、占地和用水量少、自动化程度高等一系列优点，已成为国内一线城市区域供热的必然趋势。目前，国内采用二拖一燃气—蒸汽联合循环机组配置的有北京太阳宫燃气热电冷联供工程、华能北京热电厂燃气工程、北京草桥燃气电厂工程以及天津华电南疆热电项目二期工程等，通过对多个燃气—蒸汽联合循环发电供热机组设计特点的分析，提炼总结了其系统配置和动力岛布置方案。本文着重介绍北京周边地区二拖一多轴燃气—蒸汽联合循环发电供热机组的系统配置和特点以及该类型机组动力岛典型布置方案。

1　二拖一燃气机组的系统配置

二拖一多轴燃气—蒸汽联合循环发电供热机组由2台燃气轮发电机组、2台余热锅炉、1台蒸汽轮发电供热机组组成。燃气轮发电机组与余热锅炉在同一中心线上，但与蒸汽轮发电供热机组不同轴。

二拖一机组燃烧系统与常规一拖一机组相同，均由燃气轮机和余热锅炉的烟气系统构成。空气由燃气轮机进气装置引入压气机压缩后，进入环绕在燃机主轴上的燃烧室（器）。天然气与进入燃烧室的压缩空气进行混合燃烧，燃烧后的高温烟气进入燃气轮机膨胀做功，带动燃气轮机转子转动，拖动发电机发电。对大型F级燃机，做功后的烟气温度依然很高，一般在550～640℃。高温烟气通过烟道进入余热锅炉，加热锅炉给水，产出不同品质的过热蒸汽去汽机做功，烟气中的热量在余热锅炉中被充分吸收和利用，最后经余热锅炉的主烟囱排入大气。

二拖一机组热力系统与常规一拖一机组差别较大。每台余热锅炉的给水被燃机排气加热后产生的高压过热蒸汽由高压过热器联箱出口引出，与另一台余热锅炉的高压过热蒸汽汇合后，经母管接至蒸汽轮机高压缸的主汽门和调节汽门，进入汽轮机高压缸做功。做功后的蒸汽从高压缸末级排出经冷再热蒸汽母管道重新分配后，分别回到两台余热锅炉，在进入再热器之前与余热锅炉中压过热器出来的蒸汽混合，经余热锅炉再热后，一台余热锅炉的再热蒸汽与另一台余热锅炉的再热蒸汽再次汇合，通过再热蒸汽热段接至蒸汽轮机中压缸的中压汽门和中压调节汽门，进入汽轮机中压部分做功。余热锅炉低压蒸汽系统流程与高压主蒸汽流程基本相同，接至汽机低压缸主汽门和调节汽门。高、中、低压蒸汽在汽机内做功后，乏汽在凝汽器中被冷却，凝结水经凝结水泵升压后重新分配，分别进入两台余热锅炉的低压省煤器，至此完成一个完整的汽水循环。

对二拖一燃气发电供热机组，汽机中压缸末级抽汽送至热网加热器去加热热网循环水，随后热网疏水回到凝结水母管，与凝结水一起经过重新分配分别进入两台余热锅炉尾部低压省煤器。

2　二拖一燃气机组系统设计特点

2.1热力系统特点

对二拖一燃气—蒸汽联合循环机组，由于两台燃气轮机对应两台余热锅炉，而两台余热锅炉对应同一台蒸汽轮机，因此整套二拖一联合循环机组的运行是相互影响、相互制约的。

机组正常运行时，来自两台余热锅炉的高、中、低压蒸汽参数（包括压力、温度和流量）应相互匹配，压差一般不超过0.05～0.3 MPa，温差不超过15℃（以低于5℃为宜），流量相当，才能保证并汽过程安全稳定，管道无振动，机组运行安全。同时，汽机高压缸排汽（再热蒸汽冷段）和凝结水在回到余热锅炉之前需重新分配，以大致相当的蒸汽量分别回到两台余热锅炉再热器和低压省煤器入口。

由于二拖一机组热力系统的上述特点，在高中低压蒸汽系统设计中应有特殊考虑。

图1中，A、B、C点分别为高压、再热热段和低压蒸汽的并汽点，D为再热冷段蒸汽分汽点，E为凝结水分流点。

图1　二拖一燃气—蒸汽联合机组原则性热力系统图

由于高压、再热热段和低压蒸汽来自两台余热锅炉，当一台余热锅炉运行而另一台余热锅炉停运时，为避免两台余热锅炉之间相互串汽，在并汽点之前需设置电动关断阀和止回阀；同理，再热冷段蒸汽和凝结水在分汽点和分水点之前也应设置电动关断阀和止回阀。

由于布置的原因，回到两台余热锅炉的再热冷段蒸汽管道长度是不同的，因此压损也不同，为使回流至两台余热锅炉的蒸汽均匀，在分汽点D后的支管道上还设置了用于粗调流量的电动蝶阀，以保证整个热力系统的汽量平衡。

2.2蒸汽系统的并汽与退汽

二拖一机组的启动方式为：一台燃气轮机、一台余热锅炉及汽机先期启动并带至一定负荷，再启动另一台燃气轮机和余热锅炉，后启动的余热锅炉蒸汽参数应与先期启动的余热锅炉蒸汽参数相匹配再并入其中，这是并汽过程。若机组停机或停运一台燃气轮机和余热锅炉，则先将负荷降至一定值，然后其中一台余热锅炉的高中低压主蒸汽和再热蒸汽从热力系统中退出，这是退汽过程。

机组启动时，先由一台燃气轮机启动并网，带动相对应的余热锅炉产生蒸汽驱动蒸汽轮机启动。蒸汽轮机升速过程中，高压蒸汽进入高压缸，经高压排气通风阀排入凝汽器，同时通过高压旁路经冷再热蒸汽管道、余热锅炉再热器、热再热蒸汽管道回到蒸汽轮机中压缸。蒸汽轮机并网后，高压排气通风阀关闭，高压缸内蒸汽做功后从高压缸末级经冷再热蒸汽管道回到余热锅炉再热器再热，然后由热再热蒸汽管道进入中压缸。

并汽过程包括两台余热锅炉的高压、再热热段、低压蒸汽并汽进入同一台汽机和从汽机高压缸末级排出经再热冷段蒸汽管道分配重新回到两台余热锅炉这两个部分。

并汽的重点在于并汽过程中来自两台余热锅炉的各级蒸汽压力和温度是否匹配，后启动的余热锅炉蒸汽是否能稳定、顺畅并入在运行余热锅炉蒸汽中。目前对二拖一燃气联合循环机组并汽的方案主要有如下两种：

一是先高压主蒸汽并汽、后再热蒸汽并汽的方案（表1）。该方案在高压主蒸汽具备并汽条件后，用高压旁路阀控制待并余热锅炉的蒸汽压力略高于在运行余热锅炉的主蒸汽压力，然后逐渐开启待并余热锅炉关断阀，高压主蒸汽逐渐并入，同时逐渐开启待并余热锅炉的再热器入口调节阀，控制返回待并余热锅炉的冷再热蒸汽流量，维持待并余热锅炉的蒸汽平衡。高压主蒸汽并汽完成后，由中压旁路阀将待并余热锅炉的再热蒸汽压力控制在略高于运行余热锅炉的蒸汽压力，逐渐开启待并余热锅炉再热蒸汽关断阀，同时逐渐关闭待并余热锅炉中压旁路阀，直到并汽完成。

表1　先高压主汽、后再热蒸汽并汽方案

二是高压主蒸汽、再热蒸汽同时并汽的方案（表2）。高压主蒸汽、再热蒸汽同时进行并汽，是通过高压旁路阀和中压旁路阀控制两台余热锅炉的高压主蒸汽和再热蒸汽参数符合并汽条件后同时开启高压主蒸汽关断阀和再热蒸汽关断阀来实现的。

退汽过程是并汽过程的逆向操作，因没有蒸汽参数匹配的问题，过程相对简单，这里不再详述。

表2　高压主汽、再热蒸汽同时并汽方案

2.3三种运行工况

为满足供热负荷需求，在装机容量不变的前提下尽最大可能提高供热负荷，在汽机高中压缸和低压缸之间设置SSS离合器，机组可按纯凝、抽凝和背压三种方式运行，见图2。

图2　机组全年运行工况

在非采暖季，外网无热负荷需求，汽机按纯凝方式运行，此时全部蒸汽去往低压缸继续做功。

在采暖季初和季末，外网热负荷需求量少，汽轮机最大抽汽量满足供热负荷需要，汽轮机采用抽凝方式运行。

以上两种运行方式汽机高中压缸、低压缸之间的SSS离合器不解列，做功后的乏汽经凝汽器冷却后进入凝结水系统进入下一次汽水循环。

在采暖季供热高峰期，外网热负荷需求量最大，汽轮机最大抽汽量已不能满足供热负荷需要，此时需将SSS离合器脱开，低压缸解列，高中压缸背压运行，其排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器。低压转子随转，凝汽器保持真空备用状态。凝汽器和凝结水前置泵停运。

在汽机高中压缸和低压缸之间利用SSS离合器提高机组冬季供热能力的设计技术，在国内尚属首次。该技术的应用，开辟了燃气—蒸汽联合循环发电机组提高供热能力的新途径。

2.4负荷同升同降

如前所述，二拖一燃气—蒸汽联合循环机组两台燃气轮机对应两台余热锅炉，而两台余热锅炉对应同一台蒸汽轮机，因此整套二拖一联合循环机组的运行是相互影响、相互制约的，这就要求与余热锅炉相对应的燃气轮机的负荷调节保持同升同降，两台燃气轮机的出力应保持基本一致。若电网或热网对电厂进行电负荷或热负荷调度，则应对两台燃气轮发电机组同时进行调节，保持负荷同升同降，以确保两台余热锅炉汽水系统并汽和分流过程平稳安全，而不宜单独调节其中一台燃机和余热锅炉的负荷。

原则上，当电网或热网调度的负荷降至50%及以下时，应停运一台燃机和一台余热锅炉，保持另一台燃机和另一台余热锅炉满负荷运行，而汽机则在50%左右负荷下运行，此时若投入整套二拖一联合循环运行是不经济的。

2.5汽机事故工况热力系统设置

当汽机事故时或极端天气条件下，为保证外网热负荷供应，来自两台余热锅炉的主蒸汽经汽机高压旁路减温减压阀后，进入余热锅炉再热器，再热后经再热热段蒸汽管道及中压旁路减温减压阀，送至为汽机事故工况而增设的减温减压器，经该事故减温减压器减温减压后，满足要求的加热蒸汽引至热网加热器系统对热网循环水进行加热。

事故减温减压器设置两台，分别从两台余热锅炉再热管道上引接，见图3。

图3　汽机事故工况热力系统图

2.6提高蒸汽轮发电机组供热能力措施

2.6.1选择F级二拖一联合循环机组

在投资和占地许可的前提下，选择热效率高的F级燃气—蒸汽联合循环机组，该等级燃气联合循环机组的最大供热能力可达约650MW。

对比两套一拖一联合循环机组和一套二拖一联合循环机组方案，由于两套一拖一联合循环机组配置两台汽机，两台汽机低压缸末级叶片冷却蒸汽量之和大于二拖一联合循环机组一台汽机低压缸的冷却蒸汽量，因此，两套一拖一机组汽机中压缸抽汽量之和小于二拖一机组。所以选择二拖一联合循环机组对外供热能力大。

2.6.2汽机采用SSS离合器

汽机选择与大型F级燃机相匹配的改型三压、再热、双缸、可背压运行可纯凝运行的蒸汽轮机，汽机高中压缸与低压缸之间设置SSS离合器，采暖季外网热负荷需求量大时，汽机以背压方式运行，低压缸和凝汽器解列，从汽机中压缸末级排出的蒸汽与余热锅炉低压主蒸汽一起供至热网加热器去加热热网循环水对外供热。

2.6.3余热锅炉尾部设置扩大省煤器

供热工况时，从余热锅炉低压省煤器出口抽取部分给水至外部热网水加热器，加热热网循环水后由再循环泵送回余热锅炉低压省煤器入口，以提高余热锅炉的供热能力。

由于该热网加热器设置在余热锅炉外部，也被称作扩大省煤器。

2.6.4热泵技术的应用

循环冷却水在凝汽器中冷却汽机排汽后，一般温度可达25℃，利用电厂余热回收专用热泵可从循环冷却水中提取5℃左右温差的热量，将此热量送至电厂周边居民区热力站，可实现能源的综合利用和回收。

热泵技术在燃煤电厂设计中已有应用，在二拖一燃气机组中，目前已有部分电厂正在进行可行性研究，以期提高全厂综合热效率。

2.6.5凝结水系统与热网疏水系统的匹配

二拖一燃气—蒸汽联合循环发电供热机组按纯凝、抽凝和背压三种方式运行，凝结水系统和热网疏水系统需要综合考虑以上三种工况，设置合理安全的凝结水系统。基于此，在凝结水系统中设置了凝结水前置泵和凝结水主泵，其中凝结水前置泵又分为小流量前置泵和大流量前置泵。

非采暖季，汽机按纯凝工况运行，凝汽器为全流量运行，此时开启大流量凝结水前置泵及主凝结水泵。

采暖季供热高峰时，汽机按背压方式运行，此时低压缸和凝汽器解列，大、小流量凝结水前置泵均停运。热网疏水接至凝结水前置泵出口，经凝结水主泵升压送至余热锅炉低压省煤器。

采暖季初及季末，外网供热需求量较小、汽机抽汽能够满足热负荷需求时，汽机按抽凝方式运行。此时部分蒸汽由中压缸末级抽出，部分蒸汽去低压缸继续做功，该工况下经流凝汽器的凝结水流量小，关闭大流量凝结水前置泵，开启小流量凝结水前置泵。

以上三种工况经流凝结水主泵的容量均相同。

该系统综合考虑了机组对外热负荷需求变化的特点，凝结水系统和热网疏水系统即相互独立，又相互依存。凝结水前置泵和凝结水主泵各司其职，泵的容量和扬程均可在合理的范围内选择，以保证泵在高效稳定的负荷范围内运行。

3　结语

综上所述，二拖一燃气—蒸汽联合循环发电供热机组系统有如下特点：热力系统的设置应防止两台余热锅炉高、中、低压蒸汽串汽的可能；启动和停机时，两台余热锅炉的高、中、低压蒸汽参数需满足并汽和退汽的条件；两台燃机和两台余热锅炉的负荷调节需同升同降；由于对外供热，机组全年运行工况复杂，需采取多种措施提高机组供热能力。

［1］ 虞强，段丽平，张建军.2011年中国电机工程学会年会论文集［C］.北京：中国电工技术学会，2011.

［2］ 司派友，左川.“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组的并汽与退汽［J］.热力发电，2010，（12）.

［3］ 陈玉.燃气-蒸汽联合循环机组在电厂中的选型比较［J］.燃气轮机技术，2005，（10）.

［4］ 徐进峰，M701F4燃气轮机二拖一联合循环热电联供系统的热电特性［J］.燃气轮机技术，2013，（9）.

［5］ 赵连生.循环水余热供热项目热泵的选型分析［J］.电力工程技术，2013，（9）.

Discussion on Design Features for Gas Turbine 2 on 1 Combined Cycle System of Combined Generation of District Heat and Power Supply

XYU Qing
（Guangdong Eleatric Power Design Institute Co.， Ltd.， Guangzhou5102663， China）

Base on large number of projects of gas turbine 2 on 1 combined cycle system for combined generation of district heat and power supply， this paper analyze and summarize the system configuration and characteristic of gas turbine 2 on 1 combined cycle system， and recommend typical general arrangement of the Island power plant.

gas turbine 2 on 1； combined cycle system for combined generation of district heat and power supply；configuration of system； characteristic of system； heat capacity； layout features.

TM621

B

1671-9913（2016）03-0056-06

2014-05-08

徐清（1966- ），女，江西上饶人，硕士研究生，教授级高级工程师，从事燃气—蒸汽联合循环机组的设计咨询。