一种燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂基准热耗计算方法

陈志超，卞韶帅，田志亮，章正俊，陈 鑫

(1.马耳他D3发电有限责任公司，马萨 1571；2.上海明华电力科技有限公司,上海 200082;3.马耳他能源公司，马萨 1000)

近年来，在“一带一路”合作共赢倡议的推动下，越来越多的国内企业开始走出国门，投资海外电源项目建设。电厂与电网的购售电协议(PPA)明确了上网电价机制、机组性能要求等内容，是项目中的核心。在PPA中，国际电力市场上广泛采用的是两部制上网电价[1-2](即基于可用率的容量电费和基于热耗考核的电量电费),而基准热耗的计算方法是两部制上网电价的关键部分，直接影响投资收益。所谓基准热耗即根据电厂实际运行状态实时计算的热耗达标水平，电厂实际考核热耗不得超过此基准热耗。

燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂具有占地面积小、清洁、热效率高、能够快速并网和升降负荷以及操作灵活等优点，非常适合由于负荷波动需要灵活性调峰的电网系统，在国际上具有广泛的市场[3-5]。然而由于其内燃机数量多、内燃机和汽轮机的组合运行方式多，如何对其进行合理的基准热耗计算及性能评估是一个难题。

目前在燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂基准热耗计算方面的研究与应用较少。文献[6-7]提到了一种常规的有补燃和无补燃的燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热效率的计算关系式，但其即没有考虑燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环系统中实际存在的与内燃机冷却水换热、辅助系统用汽等相关的能量损耗；也没有考虑内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂灵活多变的运行方式。如用于PPA协议，对电厂不利，可能造成投资收益的损失。

本文从燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂的能量平衡出发给出了一种燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂全厂基准热耗的计算方法，该方法即考虑了系统中实际存在的与内燃机冷却水换热、辅助系统用汽等相关的能量损耗，真实的反映了燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂的基准热耗水平，又针对燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂内燃机数量多、内燃机和汽轮机的组合运行方式多的特点给出了解决方案，保证了购售电协议的有效执行和电费的准确结算。

1 燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环供电效率的计算模型

1.1 燃气内燃机的能量平衡

根据燃气内燃机的能量平衡关系，同时忽略燃气物理显热的微量影响，可得

(1)

(2)

式中Q1——进入燃机循环的空气所含能量；

Qar——燃料的低位发热量总量；

ηr——内燃机燃烧效率,按制造厂提供的数据；

Pengine——内燃机发电机端的做功功率；

ηmgt——内燃机的机械传动效率,按制造厂提供的数据；

ηG——燃气发电机的效率；按制造厂提供的数据或性能试验；

Qc1——内燃机进入余热锅炉的烟气所携带的能量；

Qc2——内燃机冷却水携带能量、各种散热损失等。

1.2 余热锅炉的能量平衡

根据余热锅炉的能量平衡关系，可得

Qc1+Qhfw+Qlfw=Qst1+Qst2+Qpy

(3)

式中Qhfw——高压给水所携带能量；

Qlfw——低压给水所携带能量；

Qst1——余热锅炉产生高压主蒸汽所携带的能量；

Qst2——余热锅炉产生低压辅助蒸汽所携带的能量；

Qpy——余热锅炉排烟所携带的能量。

1.3 蒸汽循环的能量平衡

根据蒸汽轮机及其循环的能量平衡关系，可得

(4)

式中Pstg——汽轮发电机做功功率；

Qnq——汽轮机凝气器排向外界的能量；

Qaux——低压蒸汽排向外界的能量；

ηsmgt——汽轮机的机械传动效率,按制造厂提供的数据；

ηsG——汽轮发电机的效率,按制造厂提供的数据或性能试验。

1.4 内燃机的循环效率

(5)

1.5 汽轮机的循环效率

(6)

1.6 余热锅炉的当量效率

(7)

1.7 燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环供电效率

联立(1)～(7)式，可得联合循环机组的发电效率

(8)

定义：

式(8)可变换为

ηstgηegbηc2-ηstgηaux

(9)

定义能量损耗系数

ηloss=ηstgηegbηc2+ηstgηaux

可见能量损耗系数是理论推导结果的一部分，表征系统中实际存在的与内燃机冷却水、辅助系统用汽等相关的能量损耗。

式(8)可进一步变换为

(10)

2 燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环全厂基准热耗的计算

2.1 全厂联合循环机组和非联合循环机组的基准发电效率

对于按联合循环方式运行的机组,由式(10)可得其发电效率

(11)

对于任何一台内燃机，考虑为联合循环模式的条件是：余热锅炉产生的主蒸汽进汽轮机的蒸汽阀门状态为开或余热锅炉产生的主蒸汽进汽轮机的蒸汽阀门开度大于50%。

而对于非联合循环方式运行的机组,这些单循环方式运行的内燃机发电效率可计算为

(12)

则全厂的基准发电效率

(13)

式中MWhCC——联合循环机组的总出力；

MWhEN——非联合循环机组的总出力;

全厂的基准供电效率

(14)

2.2 全厂基准供电热耗

(15)

2.3 内燃机基准热耗及基准效率

内燃机基准热耗=制造厂保定热耗值×K1×K2

(16)

内燃机基准效率=3 600/内燃机基准热耗

(17)

式中 负荷率修正系数K1——依据制造商提供或性能试验获得的热耗随负荷变化的修正;

老化修正系数K2——依据制造商提供的内燃机热耗随运行小时数而变化的老化修正。

2.4 全厂余热锅炉的平均基准效率

(18)

式中Tin——余热锅炉的进口烟温；

Tout——余热锅炉的出口烟温；

Ta——环境温度。

按上式[8]计算各性能试验工况的各台余热锅炉的效率，采用内燃机功率加权得出全厂余热锅炉的平均效率。

2.5 基准能量损耗系数的确定

能量损耗系数代表系统中真实存在的各种能量损失，一般不能直接测量。可通过性能试验数据来量化

(19)

其中

汽轮机热耗的计算方法[9]

(20)

式中Dmain——主蒸汽流量；

Hmain——主蒸汽焓值；

Dhfw——高压给水流量；

Hhfw——高压给水焓值；

STGMWh——汽轮机毛出力。

汽轮机的负荷率对其热耗影响较大，负荷率降低，汽轮机热耗增加。因此，需要对汽轮机基准热耗进行负荷率修正。可根据最近的性能试验工况得出汽轮机热耗的负荷率修正系数。

3 应用实例

某燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂有8台燃气内燃机及发电机，配8台余热锅炉和1台蒸汽轮机及发电机。如图1所示。其日常运行方式可分为：

图1 某内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂系统示意图

(1)全厂按内燃机-蒸汽轮机联合循环方式运行;

(2)部分内燃机按旁路模式运行，其对应的余热锅炉停运；其余内燃机按联合循环方式运行;

(3)所有内燃机按旁路模式运行，其对应的余热锅炉停运,汽轮机停运;

(4)部分内燃机带余热锅炉运行，但余热锅炉出口主蒸汽旁路模式运行。其余内燃机按旁路模式或联合循环方式运行。

可见每套内燃机组或联合循环可以各自单独开关。电厂具有采用多台机组实现快速同步和升降负荷以及操作灵活等特点[10]，使得电厂非常适合由于日负荷波动需要灵活性的电网系统，内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂的运行方式十分灵活多变，但其复杂性也为全厂基准热耗的计算带来困难。

某电厂与电网公司的购售电协议明确了基于可用率的容量电费和基于热耗考核的电量电费，可见基准热耗的计算方法是两部制上网电价中关键部分，直接影响电厂收益，然而PPA中基准热耗的计算方法的技术细节空白，仅规定全厂实际热耗不能超过基准热耗的1.25%。

通过上文方法可得到基准能量损耗系数ηloss值随全厂出力的曲线，如图2所示。

图2 能量损耗系数

可见，能量损耗系数ηloss在1.5%～2.5%左右，其约占联合循环全厂发电效率的3%～5%，如不考虑该能量损耗系数，基准热耗将减少3%～5%。

本文开发了一套基于该方法的软件系统用于基准热耗的在线监测。某电厂最近一年的月度全厂实际热耗和基准热耗计算结果如图3所示。

图3 全厂实际热耗和基准热耗

从实际运行结果来看，全厂的实际热耗和基准热耗的偏差率在-1.1%～+0.3%，可见本文提出的方法确保了基准热耗的准确计算，保证了电厂与电网购售电协议的有效执行和电费的准确结算。

同时通过在线实时计算内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂的实际和基准性能，有利于电厂运行和维护人员及时掌握电厂的热耗水平和变化趋势，一方面，运行人员可及时调控电厂机组的优化运行方式、节约燃料成本；另外，维护人员也可及时调整设备的维护计划并消除设备缺陷、确保设备运行在高效率。因此，该方法可有效提高电厂的经济性和安全性。

4 结论

(1)针对燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂内燃机数量多、内燃机和汽轮机的组合运行方式多,全厂基准热耗计算及性能评估难题，给出了一种能正确合理的计算燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环电厂基准热耗的方法。

(2)通过电厂的实际应用表明本文计算方法真实的反映了电厂的基准热耗水平，具有一定工程应用价值。