大型天然气发电工程主机选用及配置

1　简　介　　浙江半山天然气发电工程是浙江省配合西气东输工程建设的唯一一个大型发电项目。由于我国西部的天然气资源宝贵，生产成本较高，且输送路途遥远，管输成本较高，到达浙江杭州地区的门站气价预计将达1．37元／m3，新疆塔里木盆地西气东输的天然气的低位热值为36345 kJ／m3，折合单位低位热值气价0．0377元／MJ。标准煤价按350元／t计，则单位热值价格为0．012元／MJ，仅为天然气的1／3弱，因此天然气价格对电价十分敏感。浙江半山天然气发电工程选用当前技术成熟的350 MW级燃气－蒸汽联合循环发电机组共三套。由于气价高，半山工程对提高联合循环效率十分关注，以降低电价成本。　　燃气－蒸汽联合循环发电机组有四大主机，分别是燃气轮机、余热锅炉、汽轮机和发电机，其配置为一台或多台燃气轮机以及相应数量的余热锅炉与一台汽轮机组成单轴和多轴两大类。燃气轮机是燃气－蒸汽联合循环发电机组关键设备，其选型对机组性能和电厂经济性的影响最大。本工程应选择典型的发电用大容量重型燃气轮机。当前技术成熟运行业绩较好的燃机，代表型号分别是E级（包括E级改进型）及F级。同时，配置相应的余热锅炉及汽轮机。[b]2　主机选用[/b]　　2．1　燃　机　　2．1．1　“E”级燃机　　“E”级燃机是100 MW级燃气轮机的通称，单机容量为114．7～157MW。如9E（GE）公司、GT11N2（ALSTOM公司）及V94．2（SIEMENS公司）等。E级燃机其透平入口燃气温度为1060～1204℃，单循环效率以GE公司9E燃机为例，仅为33．8％，组成联合循环的效率约为52．4％。此类燃机在十多年前就已大规模投入商业运行，主要以石油产品为燃料。浙江省镇海及温州龙湾燃机电厂应用的已运行的功率为300 MW的E级燃机均为GE公司的9E燃机。　　2．1．2　“F”级燃机　　“F”级燃机是250 MW级燃气轮机的通称，在国外已广泛应用，单机容量为255．6～270 MW，透平入口燃气温度为1235～1400℃，单循环效率为36．9％～38．5％，联合循环的效率为56．7％～58％。如PG9351FA（GE公司）、V94．3A（SIEMENS公司）、GT26（ALST0M公司）及M701F（三菱公司）等。　　2．1．3　对　比　　E级效率小，组成300～350 MW级联合循环需要应用两台100 MW级燃机的排气产生的蒸汽拖动一台100 MW级汽轮机（二拖一）方案，由于燃机数量多，工程单位千瓦造价高；由于透平入口燃气温度较低，单循环及联合循环效率较低，运行维护成本也较低。F级功率大，组成350 MW级联合循环可应用一台250 MW级燃气轮机拖动一台100 MW级汽轮机（一拖一）方案；由于透平入口的燃气温度升高，单循环及联合循环效率较高，运行维护成本也较高。E级改进型性能介于E级及F级之间，功率为150 MW级，联合循环效率比E级有所提高，但组成350 MW级联合循环仍需应用二拖一方案，经过制造商努力价格有所下降，工程单位千瓦造价比E级有所降低；如9EC、GT13E2、V94．2A均属E级改进型燃机。　　2．1．4　装机方案　　针对半山工程建设三套联合循环机组（每套功率为350 MW级），为了对E级和F级燃机进行比较，对具有代表性的3种机型进行发电成本（COE）分析：　　①机型1：以E级燃机中典型的GE公司9E燃机构成“二拖一”多轴（三轴）E级联合循环机组，联合循环效率52．4％。　　②机型2：以F级燃机中SIEMENS公司V94．3A型燃机构成“一拖一”单轴F级联合循环机组，联合循环效率57．4％。　　③机型3：以E级改进型中有代表性的ALSTOM公司GT13E2型燃机构成的“二拖一”多轴（三轴）E级改进联合循环机组，联合循环效率52．9％。　　机型比选详见文献［1］，结果如下：　　①当E级机组单位千瓦造价为3600元时，E级无法与F级相竞争。即使气价较低（0．4元／m3），E级电价成本为316．9元／MWh，F级电价成本为308元／MWh，当气价升高时，二者差距更大。　　②如E级机组单位千瓦造价降为3400元，当气价为0．562元／m3时，E级与F级电价成本相同，为340元／MWh，当气价小于0．562元／m3时，E级电价成本低于F级电价成本。　　③如应用E级改进型机组，单位千瓦造价为3400元，当气价为0．705元／m3时，E级改进型与F级电价成本相同，为368元／MWh，气价小于0．705元／m3时，E级改进型电价成本低于F级电价成本。　　由此可见：本工程应用F级机组方案。E级（包括E级改进型）适合于气价相对较低的地区。　　2．2　余热锅炉　　余热锅炉联系着燃气和蒸汽循环。本工程与镇海、温州龙湾燃机电厂一样，选用无补燃型余热锅炉。　　国内外的燃气－蒸汽联合循环电厂均采用一台燃机配一台余热锅炉方案，所以本工程配F级燃机的余热锅炉，其容量将比镇海、温州龙湾两厂配E级燃机的余热锅炉容量大。目前，大多数余热锅炉蒸汽侧为单压无再热系统（如镇海、温州龙湾厂等）［2］，应用F级燃机后，其排烟温度（即余热锅炉入口烟温）在540℃以上，同时由于燃用天然气，其余热锅炉出口烟气温度可降至80～90℃，因此余热锅炉蒸汽侧确定选用三压与有再热系统，从而提高联合循环效率。　　2．3　汽轮机　　在燃机电厂中，多台或一台燃机带动一台汽轮机，形成一组，即n＋1模式。n为燃机台数，1为汽轮机台数，也即为了提高汽轮机效率，尽可能选用一台大功率汽轮机。在镇海及温州龙湾厂中，n＝2；在本工程中，n＝1；汽轮机功率均为100 MW级。为便于操作及调峰，燃机电厂中的汽轮机无回热抽气。　　2．4　发电机　　注意发电机容量匹配，为了使联合循环机组得到最大的经济效益，应使发电机容量留有裕量，本工程选用的发电机容量为400 MW。[b]3　联合循环机组中主机的配置方案[/b]　　由F级燃机和其它主机组成的联合循环机组有3种不同的配置方案：　　方案一：1台F级GT＋1台HRSG＋1台ST组成单轴（GT及ST同轴）机组，GT及ST拖动同1台G（简称F级单轴）。　　方案二：1台F级GT＋1台HRSG＋1台ST组成双轴（GT及ST分轴）机组，GT及ST拖动各自的G，共3台G（简称F级双轴）。　　方案三：2台F级GT＋2台HRSG＋1台ST组成三轴（各GT及ST分轴）机组，2台GT及1台ST拖动各自的G，共3台G（简称F级三轴）。　　3．1　电厂建设容量的适应性　　根据电厂建设容量，F级燃机台数为奇数台时，宜采用单轴或双轴联合循环机组；而当F级燃机台数为偶数台时，可根据台数数量和负荷情况考虑采用多轴联合循环机组；浙江半山天然气发电工程建设的F级燃机为3台，因此不宜采用方案三，即2＋2＋1多轴联合循环机组。　　3．2　主厂房布置比较和总平面布置的可行性　　由于根据本工程建设容量不宜采用方案三，因此对方案一和方案二作总平面布置的比较。方案一的主厂房布置为3套单轴燃气－蒸汽联合循环发电机组采用平行并列式布置方式。该方案机组余热锅炉、燃机、汽轮机及发电机布置在同一轴线上，燃机、汽轮机及发电机同轴。方案二由于采用了双轴布置，厂房内增加了一台发电机。　　比较上述二个方案，从主厂房布置来看，方案一布置紧凑，汽水管道短捷，电气出线方便，生产管理便利，整个建筑设计与工艺和控制设计协调较优；方案二总体格局基本同方案一，但由于双轴布置后主厂房长度增加，汽水管道工程量将有一定增加，而且使整个动力岛区从余热锅炉烟囱外端至主变外端的长度与方案一相比增加了约17 m。　　从总平面布置来看，这两个方案在总平面布置上均是可行的。　　3．3　启动和控制性能　　方案一F级单轴机组可分发电机中置和尾置两种，其启动方式是不同的。将发电机布置在汽轮机尾端，即发电机尾置方案，采用发电机变频启动，由于主机共一根轴，从启动冲转到并网前不能发电，且在任何时刻三大主机都需以同速运转。将发电机布置在燃机和汽轮机之间，即发电机中置方案，汽轮机与发电机之间装有离合器。燃机和发电机可以脱开汽轮机运转，具有很大的灵活性，在启动过程中优势明显，燃机既可快速启动和升负荷，又可先行发电，每次启动燃机可多发电30～40 min时间，提高了经济性。但在布置上发电机抽转子困难较大，需要设置大吨位行车或专用装置。　　方案二F级双轴机组启动性能同F级单轴发电机中置机组。　　方案二F级三轴机组启动同样灵活，但两台余热锅炉并汽需要多花费一定时间，且增加了汽水损失。　　方案一或二、F级单轴或双轴机组均可以实现较为灵活的调峰，且联合循环效率较高；在全厂负荷率为70％～100％时，三套机组以同样负荷率同时运行，70％负荷率时相对100％负荷率时的效率为95％；负荷率为60％时，一套机组停运，其余两套各带90％负荷，相对效率为96．3％；负荷率为40％，一套机组停运，其余两套各带60％负荷，相对效率为91．3％；负荷率为30％时，两套机组停运，一套带90％负荷，相对效率为98．7％。　　3．4　装机方案和电厂功能的协调　　方案一采用F级单轴机组，能较好的适应调峰、带腰荷和带部分基本负荷的电厂的功能，也是与浙江半山天然发电工程未来在电力系统中的所应起的作用相协调的，方案二采用F级双轴机组，也具备较好的适应调峰、带腰荷和带部分基本负荷的能力，但相对方案一来说，其特点是更适应需要承担供热任务的天然气联合循环发电工程，因为分轴布置后，整个系统可以更好地适应供热负荷工况的变化。　　3．5　投资成本比较　　从电厂投资成本来比较，方案一由于采用F级单轴布置，燃机、汽轮机、发电机串联在一起，单套机组只须一套容量较大的发电机、升压变压器和高电压馈电设备，燃机和汽轮机可以共用一套润滑油系统、控制油系统，而方案二由于采用F级双轴布置使热力系统管道工程量有一定增加，相应的一些工艺辅助系统和电气系统的费用也将增高，优点是将来国产化实施起来较为方便，除燃机外如汽轮机和发电机均可考虑由国内配套供货。如果主设备全进口（燃机、汽轮机、发电机、余热锅炉），方案二造价比方案一略高，经计算方案一单位千瓦造价为3434元，方案二单位千瓦造价为　　3460元。　　3．6　联合循环整体性能此较　　方案一F级单轴和方案二F级双轴在整体联合循环效率上基本相同，而方案三F级三轴联合循环机组由于采用了更大容量200 MW级的汽轮机，因此整体联合循环效率有所提高，如GE公司的F级单轴联合循环效率为56．7％，F级三轴联合循环效率则为57．1％。　　3．7　国产化实施潜力及维修费用　　对于F级单轴方案，因将燃机、汽轮机和发电机联在一根轴上，使其轴系的技术要求高，燃机、汽轮机和发电机的设计协调复杂，需有外方承担协调责任。除燃机进口外还必须引进国内外联合循环的生产技术在国内生产配套余热锅炉、汽轮机和发电机。　　对于F级双轴方案，汽轮机和燃机各带一台发电机。热力系统与单轴方案相同。由于汽轮机和燃机分开布置，避开了单轴F级机组需整体保证性能的责任风险，国内具备生产配套除燃机以外主辅设备的能力，有利于将来国产化。　　而从维修费用来看，F级燃机联合循环的维修费用是比较高的，而且应该说主要集中在燃机上，因此如果在大容量F级燃机的关键部件的国产化工作上和主要备品备件的国内配套工作上没有很大的进展，各方案在主设备的维修费用上不会有很大的差距。　　3．8　建设施工的便利性　　对于F级单轴方案来说，四大主机排列在一条线上，常采用独立的岛式结构主厂房，占地小，厂房内设备布置紧凑。电厂建设时可单套运行，互不干扰。而且如果将来有扩建，实施起来也甚为方便。　　对于F级双轴方案，该布置形式在发电机出线、设备和蒸汽管道布置上与F级单独方案相比不占优势。因此，从建设施工便利性来说，F级单轴方案是优先的。　　3．9　比选结果　　从8个方面对F级单轴联合循环机组和F级双轴联合循环机组作了分析，综合所有分析，尤其是从主厂房布置和运行管理的便利上以及目前阶段投资成本的比较上可得出如下结论，浙江半山天然气发电工程适宜选择F级单轴联合循环机组方案。[b]4　结　论[/b]　　浙江半山天然气发电工程采用三套350 MW级燃气－蒸汽联合循环发电机组，比选结论：　　①采用：250 MW级F级燃机；蒸汽侧为三压及有再热系统的余热锅炉。　　②采用：1台250 MW级F级燃机；1台相应容量余热锅炉及1台100 MW级汽轮机的配置，应用单轴系统（燃机、汽轮机及发电机同轴）。　　[b]参考文献[/b]　　［1］　屠进，钱海平．半山天然气发电工程燃气轮机组的选型［J］．浙江电力，2002，（5）：19－20，40．　　［2］　屠进，钱海平．温州300 MW燃气－蒸汽联合循环发电机组参数讨论［J］．浙江电力，1999，（6）：20－23．