摘要：燃气-蒸汽联合循环生产单元是以天然气为燃料的循环热电联产项目，其能源利用率很高，同时污染物的排放量也很小，是节能减排的重要项目。但是我们国家的燃气-蒸汽联合循环热电联产机组起步较晚，在一些算法和技术方面还有一些不完善的方面，有待专业人士研究。
关键词：燃气蒸汽联合循环机组；热电联产；应用
前言
燃气蒸汽联合循环技术从20世纪开始就已进入发电领域，但是局限于当时的燃气轮机单机容量小、效率低，且只能燃用气体或液体燃料，由燃气轮机和蒸汽轮机组成的联合循环容量相对较小，所以一直无法与传统燃煤发电技术相匹敌。燃气蒸汽联合循环发电机组具有高效率、低污染、低水耗等特点，在发达国家承担各种负荷的主力发电机组。
1燃气-蒸汽联合循环机组配置方案的分析
1.1单轴布置方案
燃气—蒸汽联合循环机组的单轴布置方案通常将蒸汽轮机安装在燃气轮机与发电机之间，发电机布置在蒸汽轮机的排汽端，这样便于将发电机转子轴向抽出检修。但这种方案只适用于单台燃气轮机与单台蒸汽轮机匹配的情况。
1.1.1单轴布置方案的优点：①联合循环单轴布置机组无论是在工艺系统还是厂房布置中都非常紧凑，真正的实现了独立自成系统，操控和运行简单。②机组取消了多轴配置的启动电动机，简化了电气系统和设备。燃气轮机与蒸汽轮机可共用一套润滑油系统，简化了运行和控制系统。③当蒸汽源现成时,可以利用蒸汽轮机来启动燃气轮机。
1.1.2单轴布置方案的缺点：①在安装过程中,燃气轮机的安装周期比较短，而蒸汽轮机的安装周期比较长，但燃气轮机只能在蒸汽轮机安装完毕后才能投产运行。②当蒸汽轮机有故障检修时，燃气轮机无法单独运行。导致整台机组无法快速启动，机组对调峰运行的适应性能大大降低。
1.1.3单轴布置方案的改进单轴布置的主要问题是启动时间过长、无法适应调峰运行。为解决该问题，西门子公司改动了一下单轴布置方案：把发电机改装在燃气轮机的高压蒸汽透平与压气机之间，而在高压蒸汽透平与发电机之间安装一个3S离合器。此布置方式可使燃气轮机与蒸汽轮机的主轴脱开，使燃气轮机可以按照简单的循环方式启动，在20～25min之内就可以启动并带动65%联合循环机组的全负荷，完成适应调峰运行的要求。
1.2多轴布置方案
多轴布置方案可以用多台燃气轮机与一台蒸汽轮机相匹配，即“X＋1”方案。
1.2.1多轴布置方案的优点：①在整个建设周期内,安装周期较短的燃气轮机及其所驱动的发电机组完成安装后就能投产运行,这样可以尽早回收资金，提高电站建设资金的周转率和效益。②当蒸汽轮机出现故障时，燃气轮机仍可以独立运行，提高整个电站的收益和可用率。③多轴布置的联合循环电站，燃气轮机调峰能力强，可实现启动快速。
1.2.2多轴布置方案的缺点：多轴布置的联合循环机组的设备和系统比较复杂，电厂内操控比较复杂，建厂投资高，并且占地面积也比较大。
2燃气-蒸汽联合循环机组供热系统模式
联合循环机组通常包括2台燃气轮机和1台蒸汽轮机。通过控制燃气轮机的启停，机组可以分别运行在1台燃气轮机带动1台蒸汽轮机的“一拖一”模式下或2台燃气轮机带动1台蒸汽轮机的“二拖一”模式下，其原理如图1所示。图中，B为燃烧室，C为压气机，GT为燃气轮机，HRSG为余热锅炉，ST为蒸汽轮机。
联合循环机组的运行特性如图2所示，其中，点abcd所围成的区域为“二拖一”模式下联合循环机组的运行区间；点a′b′c′d′所围成的区域为“一拖一”模式下联合循环机组的运行区间。ab和a′b′段表示燃气轮机燃气量最大时的运行状态，bc和b′c′段表示蒸汽轮机低压缸进汽量最小时的运行状态，cd和c′d′段表示燃气轮机燃气量最小时的运行状态。当系统因消纳风电需要降低联合循环机组出力时，通过“二拖一”模式转换为“一拖一”模式，联合循环机组的发电功率下限可由2台燃机的最小稳定出力（图中cd段）降至一台燃机的最小稳定出力（图中c′d′段），进而帮助系统消纳更多的风电功率；同样地，当系统需要增加发电功率来供给负荷需求时，可将“一拖一”模式运行的联合循环机组切换为“二拖一”模式，机组的功率上限将由原来的a′b′段增至ab段。因此，通过联合机组的模式转换，可以大大增加其发电功率的调节范围，增强系统的风电消纳能力。
图2联合循环机组运行特性
3“一拖一"运行方式下的供热分析
3.1比例法
根据联合循环“一拖一”运行方式下所采集的机组实际运行数据，可以得到，冷再热蒸汽流量为312t／h，中压蒸汽流量为67t／h，低压蒸汽流量为38t／h，那么可以得到排进中压缸的蒸汽流量约为380t／h，进入低压缸的蒸汽流量约为420t／h。那么满负荷运行下的联合循环机组背压供热运行时，最多抽取的流量应当为420t／h。神华国华(北京)燃气热电有限公司燃气一蒸汽联合循环机组冬季“一拖一”运行方式下供热参数，热网回水温度50度，供水温度103度，供热量为839.25GJ／h。由最大供热量=最大蒸汽轮机机抽汽量X典型供热量／典型蒸汽轮机抽汽量可以得到其最大供热量。
3.2焓值法
按照联合循环机组和热网实际运行数据来看：冬季供热期抽汽参数为0.212MPa，温度为286.8℃，通过焓熵图可以查得焓值为3043.6kJ／kg；热网供水压力为0.8MPa，温度为103℃，查得焓432.27kJ／kg；回水压力为0.2MPa，温度为50℃，查得焓209.76kJ／kg；热网疏水参数按照压力0.1MPa，温度77.9℃
4 “二拖一"运行方式下的供热分析
4..1比例法
根据联合循环“二拖一”运行方式下所采集的机组实际运行数据，可以得到，冷再热蒸汽流量为636t／h，中压蒸汽流量为96t／11，低压蒸汽流量为79.8t／h，那么可以得到排进中压缸的蒸汽流量约为732t／h，进入低压缸的蒸汽流量约为811.8.t／h。那么满负荷运行下的联合循环机组背压供热运行模式下最多抽取的流量应当为81.lt／h。神华国华(北京)燃气热电有限公司燃气一蒸汽联合循环机组冬季“二拖一”运行方式下供热参数，热网回水温度50度，供水温度109度，供热量为767GJ／h。由最大供热量=最大蒸汽轮机机抽汽量×典型供热量／典型蒸汽轮机抽汽量可以得到其最大供热量。由此得出，通过比例法计算出联合循环机组“二拖一”背压供热下的最大抽汽量为811.8t／h，最大供热量为2102GJ。这些计算数据对于实际运行仍然较为粗糙，下一小节，将通过焓值法来计算验证本节计算结果。
4.2焓值法
按照联合循环机组和热网实际运行数据来看：冬季供热期抽汽参数为0.25MPa，温度为300℃，通过焓熵图可以查得焓值为3071.3kJ／kg；热网供水压力为0.8MPa，温度为109℃，查得焓457.61kJ／kg；回水压力为0.5MPa，温度为50℃，查得焓209.76kJ／kg；热网疏水参数按照压力0.1MPa，温度77.9℃
5结论
(1)随着热网供热量需求的上升，燃气-蒸汽联合循环机组的最大负荷随之上升，机组的最小负荷随之下降，因此机组会具备更大的调峰能力；
(2)燃气-蒸汽联合循环机组在“一拖一”背压供热时，供热量为786GJ／h时，机组的最小负荷为243MW，最大负荷为419.3MW，调峰能力为176.3MW；
(3)燃气一蒸汽联合循环机组在“二拖一”背压供热时，供热量为786GJ／h时，机组的最小负荷为148.2MW，最大负荷为944.3MW，调峰能力为796.1MW。
在本文试验研究的基础上，建议在下阶段工作中，继续开展深入系统的理论分析和试验研究：
(1)机组最大最小负荷的计算依靠经验公式的估值，没有考虑联合循环在
总负荷偏低时，会造成气耗较高容易熄火等特殊性，应在进一步生产实践工作中加以修正；
(2)机组在性能试验时没有加入再热蒸汽减温水的修正。
结束语
燃气蒸汽联合循环热电联产机组近年来在我国的应用越来越广泛，但是由于天然气的价格非常昂贵，因此燃气蒸汽联合循环热电联产机组在实际推广中受到一定的阻碍。为了促进燃气蒸汽联合循环热电联产机组的进一步发展，一定要加强对机组供热系统的优化改造，充分利用节能技术来提升燃气蒸汽联合循环热电联产机组供热系统的运行效率，降低运行过程中消耗的能源。在实际改造过程中，要进行多目标优化和热电负荷优化分配。
参考文献：
[1]张少华.燃气蒸汽联合循环热电联产机组供热系统优化与节能技术分析[D].华北电力大学（北京），2016.
[2]杨占岗，段建勋，卜丽军，等.M701F4型燃气-蒸汽联合循环机组采暖运行热力分析及可行性研究[J].科学与财富，2014，21（5）：95~96.
论文作者:陈彬彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/25
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