燃气轮机部分负荷运行效率优化探讨

刘 荧 ， 张思愚

（1.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100073；2.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100036）

相对于常规煤电蒸汽轮机机组，燃气-蒸汽联合循环机组以其高效、快速负荷响应性、清洁燃烧、低污染物排放等优势，逐步成为新建火力发电站的主流机组。随着目前电力市场风力发电、光伏发电、分布式电源和其他新能源电厂的大力发展，新能源发电在电网发电中的占比不断提高。基于新能源发电本身“靠天吃饭”的特性，比如风的强度在不断地变化，太阳照射受到多种环境因素的影响不断变化等，其电能输出不稳定，且目前储能技术受制于电池的研发，价格相对高昂，对于电网来说增大了对调峰和调频能力的需求。而燃气轮机基于其本身的性能特性，在电网中多为调峰模式运行，即燃气轮机会长时间处于部分负荷状态运行。如果调整其运行方式，提高燃气轮机部分负荷工况下的热效率，将在燃气-蒸汽联合循环机组的节能减排和环境保护方面起到促进作用。例如，海外独立发电厂（IPP）项目的策划过程中，通过对燃气轮机热力系统进行调整优化，燃气-蒸汽联合循环部分负荷的热效率提高了0.5%～1%，并且随着负荷的降低其效率改善愈发明显。

1 燃气轮机自身特性及外部边界条件的影响

1.1 燃气轮机的工作原理

燃气轮机的工作原理主要是基于布雷顿循环（Brayton cycle）。最初的布雷顿发动机使用活塞式压缩机和活塞膨胀机，但更现代的燃气涡轮发动机和吹气式喷气发动机也遵循布雷顿循环。尽管循环通常是作为开放系统运行的（并且实际上如果使用内部燃烧必须如此运行），但为了热力学分析的目的，通常假定废气在进气中被重新使用，因此，分析成为封闭系统的布雷顿循环包括4个过程：1）压气机中等熵压缩（或绝热压缩）过程。2）燃烧室中定压加热过程。3）透平中等熵膨胀（或绝热膨胀）过程。4）大气中定压放热过程。

燃气轮机的工作过程：压气机（即压缩机）连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功[1-2]。

常规煤电蒸汽轮机的工作原理主要基于朗肯循环，是以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀以及一个等压冷凝过程，用于蒸汽装置动力循环。蒸汽轮机的工作过程是，锅炉产生的蒸汽流入蒸汽透平，在蒸汽透平中膨胀做功，推动透平旋转输出机械功[3]。

1.2 燃气轮机的出力特性

燃气轮机集燃烧和做功于一体，其最大出力取决于机组系统本身的设计（定型产品和常规配置）和运行时机组外部的边界条件（主要影响因素有环境大气压、燃气轮机进气温度、进气湿度和燃料特性）[4-6]。不同于常规煤电汽轮机组，燃气轮机出力受制于燃气轮机本身的最大出力，当机组老化后，燃气轮机的可提供电力也将逐渐下降（其供电能力随着环境温度的变化和燃料的波动也是变化的）。常规煤电机组由于电站主机选型阶段锅炉按BMCR（锅炉最大连续运行）工况选型，其对应汽轮机VWO（阀门全开）工况。汽轮机VWO工况基于汽轮机的TMCR（汽轮机最大连续运行）工况应考虑适当的余量（主要是机组的老化）。常规煤电机组在其整个设计寿命期内可以保证其最大出力及供电能力稳定（其供电能力在环境气温和燃料波动时也是有保障的）。

1.3 燃气轮机的热效率受负荷变化的影响大

燃气轮机集燃烧和做功于一体，其流体工质为烟气（由于总质量受到燃烧等边界条件限制，烟气的比容相对大），部分负荷对其效率的影响就大于流体工质为水蒸气的常规汽轮机（由于总质量不受燃烧及相关边界条件限制，水蒸气的比容相对小）[7-8]。

基于参考项目的性能数据分析，F级燃气轮机的一拖一联合循环机组，在其50%负荷状态下运行时，其机组热效率相比于其100%负荷时的热效率，下降了约17%。常规600 MW的超临界燃煤机组，在其50%负荷状态下运行时，其机组热效率相比于其100%负荷时的热效率，下降了约7.5%，说明燃气轮机的热效率受负荷变化的影响更大。

1.4 燃气轮机进气温度升高对燃气轮机出力和效率的影响

燃气轮机的工质为烟气，烟气的质量流量即烟气密度（最大体积流量受流体边界条件的限制不能随意增大）决定了其工质的总量，而工质的总量基本决定了燃气轮机的做功能力（在其他边界条件限定的情况下，工质的总量决定了工质携带能量的能力）。工质（烟气）的总量主要决定于压气机进口空气的总质量，在流体进气总容积受限和大气压稳定的情况下，进气的温度决定了进气的总质量即工质的总量，因此也决定了燃气轮机的出力。燃气轮机的出力随着进气温度的升高而降低。从燃气轮机循环的热力学原理上来讲，在其他边界条件不变的情况下，进气温度越高，燃机轮机的热效率越低。从性能计算数据上看，燃气轮机进气温度升高对燃气轮机出力的影响远大于对燃气轮机效率的影响。

温度对燃气轮机出力的影响远大于温度对燃气轮机效率的影响。当进气温度由-5 ℃变到55 ℃时，燃气轮机出力修正由1.055变为0.77，差值为0.285，而燃气轮机的效率修正从1.005变为0.93，差值为0.075。若用简单算数比值的方法比较可以看出压气机进气温度对燃气轮机出力的影响是其对效率的影响的3倍以上[9-11]。

2 工程实践中利用燃气轮机特性优化其部分负荷效率

根据当地电网预测分析，相关的负荷情况如表1所示。

表1 电站的年负荷测算

从表1可以看出，由于受到当地电网本身的系统容量和负荷需求的限制，机组在近期内（运行最初几年）都不是在满负荷的条件下运行。70%的运行时间都在300 MW～350 MW负荷之间。该机组性能保证工况满负荷运行时的出力是458.9 MW，此时的机组效率是60.49%。

部分负荷情况下，机组效率及效率下降情况如表2所示。

表2 部分负荷下机组效率及效率下降情况

为了提升项目经济性，基于燃气轮机本身负荷和效率特性及外部边界条件的影响，笔者与燃气轮机制造厂家一起研究探讨可行的燃气轮机联合循环机组部分负荷性能优化方案。因为燃气轮机进气温度对燃气轮机负荷影响远大于对燃气轮机效率的影响，所以燃气轮机制造厂家建议在压气机进气口设置一个进气预热器（一个系统配置类似燃气轮机的性能加热器），利用余热锅炉产生的热水通过预热器加热空气提升压气机进口的空气温度。

机组运行方式优化后，部分负荷情况下机组效率及效率下降情况如表3所示，部分负荷下的运行小时数发电量和效率优化情况如表4所示。

表4 部分负荷下的运行小时数发电量和效率优化情况

优化前年发电效率：(200 000*59.47%+840 000*58.37%+840 000*56.86%+520 000*51.83%)/(200 000+840 000+840 000+520 000)=56.52%

优化后年发电效率：(200 000*60.03%+840 000*59.12%+840 000*57.66%+520 000*52.86%)/(200 000+840 000+840 000+520 000)=57.33%

参考年发电量加权平均折算并采用部分负荷运行优化后，年发电效率由56.52%提高到了57.33%，提高了0.81%。而且表3也体现出，机组越是处于低负荷状态，其效率提高越明显。

表3 机组运行方式优化后部分负荷下效率及效率下降情况

依据上述数据对项目电站进行经济性分析：

1）项目预估当年天然气价格为10.62 USD/MMBtu，1 kW·h=3 412 MBtu。

2）年发电量为2 400 000 MW·h=8 188 800 MMBtu。

3）机组优化前的年燃料成本：8 1 8 8 8 0 0/56.52%*10.62 USD=153 865 987.3 USD。

4）机组优化前的年燃料成本：8 1 8 8 8 0 0/57.33%*10.62 USD=151 692 056.5 USD。

5）优化后节省的年燃料费用：153 865 987.3-151 692 056.5=2 173 930.8 USD。

按照海外项目情况预估设备添置成本为1 MUSD，设备运维成本按每年0.1 MUSD考虑。从上述数据看，系统针对部分负荷工况的优化，带来的经济效益明显。考虑到优化后还可以提高机组平均热效率，减少燃料的消耗，减少碳排放，其带来的综合收益更是巨大。

3 结论

针对海外独立发电厂（IPP）项目调峰负荷特性的需求，基于燃气轮机本身做功的特性和燃气轮机厂家的产品特点，笔者认为在燃气轮机进气系统设置空气预热器，可以有效提高燃气轮机部分负荷热效率，从而达到节能减排、保护环境和降低发电的目的。燃机部分负荷时采用加热入口空气温度运行方式时，燃气-蒸汽联合循环部分负荷的热效率提高了0.5%～1%，且随着负荷的降低其效率改善越明显。