基于补燃的供热调峰机组设计方案优化.pdf

第 卷 第 期 年 月燃 气 轮 机 技 术 .收稿日期:改稿日期:作者简介:林张新()男浙江海宁人硕士主要研究燃气轮机分布式能源机组选型及规划:.基于补燃的供热调峰机组设计方案优化林张新 沈明杰 汤 洋(杭州汽轮新能源有限公司 杭州)摘 要:随着新能源装机容量的增长由于海南电网的特殊性对于分布式能源供热机组还需承担调峰任务 为了掌握调峰模式下供热机组运行特点及其协同关系实现热电解耦对补燃余热锅炉联合循环方案进行了研究 根据机组特性给出无补燃方案的热电耦合关系以及机组负荷调节范围 通过分析余热锅炉补燃的基本原理及特点给出补燃量与机组负荷率及供热负荷之间的关系和基于补燃的机组负荷调节范围对比补燃对机组效率及排放的影响分析余热锅炉补燃在调峰模式下的供热协同和运行控制策略优化机组设计方案 最后通过对两种方案经济性对比和敏感性分析确定基于补燃的机组设计方案的合理性提升项目经济效益和抵御风险的能力关 键 词:补燃余热锅炉调峰机组供热联合循环分布式能源中图分类号:文献标志码:文章编号:()海南电网电源分布具有“大机小网”的特点近年来随着国民经济的发展负荷峰谷差不断扩大 与此同时随着新能源装机规模的迅猛增长电源调峰能力不足的问题尤为突出 因此在海南电网增配适当比例具有调峰功能的电源对保障电网安全稳定运行至关重要由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机以及发电机构成的分布式能源机组具有整体联合循环效率高、调峰性能好、清洁低碳等优点 机组启停速度快、运行灵活性高是调峰机组的最佳选择目前国内外关于供热机组调峰的研究如下:姜慧等提出了针对调峰机组余热锅炉补燃改造方案从能效的角度分析了补燃对调峰机组运行状况的改善但是没有定量分析补燃对机组调峰能力的影响张龙英等在建立某热电联产机组热力性能模型的基础上分析影响机组调峰能力的主要因素给出了机组调峰运行负荷范围王宏伟等通过实验定量分析不同供热工况调峰机组的运行范围张利等应用软件建立某联合循环热电联产机组仿真模型通过变工况计算分析得到机组调峰运行范围与供热量的关系刘慧珍等通过实验数据得到联合循环热电联产机组的数学模型分析了在不同机组配置模式下抽凝、背压工况的调峰能力朱誉等采用等效焓降法定量分析某热电联产机组的调峰能力和经济性 但是相关研究没有考虑补燃对供热机组调峰性能的影响缺少对补燃与供热调峰协同的研究没有分析补燃对供热调峰机组经济性的影响本文以海南某分布式能源项目为研究对象结合海南电网实际需求从方案规划及优化、补燃与调峰供热协同、补燃对系统效率及经济性的影响等多个方面深入分析为海南分布式能源规划建设提供参考 工程概况海南某分布式能源站拟建设 套“一拖一”多轴布置燃气蒸汽联合循环机组 其中燃气轮机暂定为 等级工业重型燃气轮机余热锅炉为双压余热锅炉汽轮机为抽汽凝汽式汽轮机通过汽轮机抽汽及余热锅炉低压蒸汽来满足供热需求 机组采用“一拖一”分轴布置燃气轮机、汽轮机分别驱动发电机运行余热锅炉高压、低压蒸汽进入汽轮机或对外供热 汽轮机采用高、低压合缸中压抽汽进入热网供热 本文以单套机组为研究对象联合循第 期林张新等:基于补燃的供热调峰机组设计方案优化环流程如图 所示图 联合循环(常规余热锅炉)系统流程图由于海南电网的特殊性峰谷差较大如图 为海南电网历年 小时电网峰谷曲线电网调峰频繁机组需承担一定的调峰任务图 海南电网历年 小时电网峰谷曲线当电网调峰时燃气轮机负荷下降余热锅炉蒸发量下降抽汽量同步减少 当机组参与深度调峰时热负荷存在缺口可通过备用燃气锅炉补充 当机组负荷率进一步降低备用燃气锅炉也无法弥补热负荷的缺口只能通过其他热源进行供热 在此常规余热锅炉方案中机组对外供热的可靠性无法得到保证 机组设计优化本项目的热负荷属于非季节性生产工艺热负荷要求连续稳定 针对热负荷特性及海南电网的情况机组的热、电负荷应相对独立能够进行单独调节 但是联合循环机组存在热电耦合因此应优化设计来有效削弱机组的热电耦合特性.联合循环机组热电耦合特性目前常用的热电解耦技术有旁路供热、低压零出力、补燃余热锅炉、燃气炉、电储能等 考虑到海南油气增储上产的政策背景本文主要论述补燃余热锅炉方案对于联合循环机组热电解耦的可行性及经济性联合循环调峰机组运用时根据电网调度要求燃气轮机常以低于额定设计功率的负荷率运行 此时燃气轮机排烟流量下降排烟温度略有上升如图 所示 由于燃气轮机排烟带给余热锅炉的热量减少余热锅炉蒸发量减少蒸汽参数发生变化 对于抽汽凝汽式联合循环机组一部分做过功的蒸汽从中间抽出供给热用户其余蒸汽继续膨胀做功机组在运行时含有两个变量即燃气轮机负荷率及机组供热量 燃气轮机负荷率与机组供电功率、机组供热功率存在如下热电耦合关系:()()式中:为燃气轮机负荷率 为联合循环机组供电功率 为联合循环机组供热功率()燃气轮机排烟流量与负荷率关系()燃气轮机排烟温度与负荷率关系图 燃气轮机排烟流量、排烟温度与负荷率关系对于采用抽汽凝汽式汽轮机的联合循环机组联合循环效率与燃气轮机负荷率密切相关 当燃气轮机负荷率下降时燃气轮机效率下降同时燃气轮机排烟焓下降余热锅炉产生的蒸汽参数下降汽轮机效率也随之下降 综合燃气轮机、汽轮机功率变化联合循环效率变化如图 所示 综上所述当燃气轮机参与调峰在低负荷率运行时联合循环余热利用率低机组运行经济性差当供热量确定时机组电功率调节范围也随之确定如图 所示为不同供热量下机组电功率调节范围 在供热量超过 /时机组电功率调节范围低于 热电耦合限制了机组参与电网深度调峰.基于补燃的机组设计方案优化基于以上分析对机组设计方案进行优化为了燃气轮机技术第 卷图 联合循环效率及燃气轮机效率与燃气轮机负荷率关系图 机组负荷调节范围与供热量关系实现热电解耦余热锅炉采用补燃型.补燃余热锅炉特点余热锅炉的补燃方式有内补燃和外补燃两种 外补燃方式是在锅炉前部设有专门的外部燃烧室燃烧室中设有水冷壁补燃用空气由外部风机提供 该方式的优点是当燃气轮机停运时仍维持余热锅炉运行缺点是系统复杂、运行维护不方便、投资成本高 内补燃方式是将补燃装置安装在锅炉入口烟道中利用内部空间作为燃烧室如图 所示 补燃所需的氧气量由燃气轮机排气中的过量空气提供一般燃气轮机的排气含氧量在 因燃气轮机燃烧的过量空气系数较大燃气轮机排气中的含氧量足够补燃燃烧一般不需要另外补充空气 此外燃气轮机的排气温度较高有利于补充燃料的燃烧 内补燃方式系统简单、投资少适用于所需补燃量不大的余热锅炉 结合本项目需求宜采用内补燃方式补燃余热锅炉设计时需要同时评估在补燃燃料量最大工况时所有材料、结构及设备的选型均须保证锅炉的安全、可靠运行 长周期投入补燃系统不会给锅炉带来任何安全方面的影响 若补燃后的最高温度控制在 以内锅炉的受压件及非受压件的选材可靠也不需要大幅度地提高材料等级当采用带 容量的补燃余热锅炉可保证在燃气轮机负荷降至 时余热锅炉的蒸发量能够图 余热锅炉内补燃示意图基本保持额定设计值从而能够满足热负荷需求基于补燃型余热锅炉的联合循环系统流程图如图 所示图 基于补燃余热锅炉联合循环系统流程图.补燃对汽轮机影响当燃气轮机参与深度调峰、负荷率降至 时锅炉蒸发量降低汽轮机偏离额定设计工况运行汽轮机效率下降明显 补燃能够增加锅炉蒸发量弥补因燃气轮机降负荷减少的热量输入减少调峰对汽轮机运行效率的影响两种方案热耗率()及汽耗率()对比如表 所示表 补燃前后汽轮机能耗对比方案/()/()常规余热锅炉.补燃余热锅炉.以供热量 /为例不同的燃气轮机负荷率对应的补燃燃料耗量如图 所示燃气轮机负荷率越低补燃所消耗的燃料量越多.补燃方式实现热电解耦通过补燃还改变了联合循环机组热电耦合的关系 当机组参与调峰时机组负荷率降低余热锅炉蒸发量降低供热量受到限制 此时通过补燃提高余热锅炉的蒸发量弥补燃气轮机负荷率降低对余热锅炉的影响保证余热锅炉蒸发量维持在额定设计值从而确保机组供热稳定在燃气轮机 负荷率工况机组对外供热约/以上时需要补燃补燃燃料耗量随机组供热量增大而增大如图 所示第 期林张新等:基于补燃的供热调峰机组设计方案优化图 补燃燃料耗量与燃气轮机负荷率关系图 补燃燃料耗量与机组供热量关系通过补燃在保障机组供热的前提下实现较大范围的电功率调节兼顾调峰与供热 基于补燃的机组电功率与机组供热量关系如图 所示即使在最大供热量工况机组仍然可以在较大负荷范围内调节具有很好的调峰适应性适合于海南电网频繁的调峰要求图 基于补燃的机组电功率与机组供热量关系.补燃对燃气轮机效率及排放的影响对于补燃型余热锅炉由于补燃装置增加了余热锅炉烟道的阻力燃气轮机排气阻力(绝对压力)增大约.补燃装置对燃气轮机功率()及燃气轮机效率()影响如表 所示 在、负荷率工况燃气轮机效率下降不超过.燃气轮机功率下降不超过 采用补燃型余热锅炉增大排烟阻力对燃气轮机效率的影响程度有限表 补燃前后燃气轮机功率及效率的对比方案燃气轮机负荷率/.常规余热锅炉方案.补燃余热锅炉方案.采用补燃燃烧器会在一定程度上提高烟气中的含量 一般情况下补燃后 增加值一般不超过非补燃工况的(约 /).补燃对联合循环效率及燃料耗量的影响以燃气轮机 负荷率、供热量 /工况对比联合循环机组综合性能 常规余热锅炉方案的供热缺口通过燃气锅炉补充补燃余热锅炉方案的供热缺口通过补燃补充补充燃料量为 对两种方案联合循环机组效率()及燃料消耗总量()对比如表 所示采用补燃余热锅炉对机组效率有较大的提升能够降低燃料消耗总量约 表 补燃对机组效率及燃料消耗的影响方案/()/()常规余热锅炉.补燃余热锅炉.补燃在调峰模式下的供热协同与运行控制策略 燃料自喷头高速喷出后与烟道内的含氧烟气混合燃烧 烟道补燃装置的点火是利用点火烧嘴喷出的火焰点燃点火成功后可将点火烧嘴熄灭 补燃量通过置于烟道补燃装置燃料管路上的调节阀开度大小来调节烟道补燃装置的调节通过 配合自动实现补燃燃烧器设有独立的燃烧控制系统包含相关检测及控制设备一般/点输入到 进行集中控制 系统采集控制信号(蒸汽压力或烟气温度)与设定值相比较 若与设定值不一致系统自动将相应的燃料调节阀开大或关小以调节燃烧工况使控制点(蒸汽压力或烟气温度)与设定值趋于一致以供热 /工况为例机组参与调峰 燃气轮机在 负荷率以上运行时能满足供热需求无需投入补燃此时机组调峰深度约 燃气轮机技术第 卷当电网要求燃气轮机进一步调峰补燃装置投入 以燃气轮机负荷率降低至 负荷率为例说明系统协同调节过程 当收到电网调度指令后 系统根据调度指令向补燃系统发出指令补燃燃烧器启动经过 的自检测后进入备用状态此时 系统根据补燃装置的监测反馈信号向补燃系统发出燃料阀开启指令补燃装置燃料阀可在 内开启至最大 此时燃气轮机再执行降负荷燃气轮机降负荷过程大约 完成 补燃与燃气轮机调峰通过 实现协同控制整个过程在 内完成 如有调峰计划可预投补燃燃烧器使补燃燃烧器处于热备用状态能在 内完成补燃进一步提高了补燃响应速度满足电网快速响应、深度调峰的要求此外还可以根据电网调度的历史数据通过数据挖掘技术结合机组负荷特性曲线及补燃燃烧器的特性优化补燃燃烧器启动点 例如在燃气轮机降负荷至 时使补燃燃烧器启动进入热备用状态如燃气轮机进一步降低负荷时能快速响应负荷变化要求而当燃气轮机负荷上升至 以上时关闭补燃系统 通过以上优化措施实现调峰的快速响应减少能源消耗提高综合能源效率如采用常规余热锅炉方案为了满足调峰以及供热要求需要启动备用燃气炉补充供热 燃气炉即使从热态启动仍需要约 才能达到满负荷响应速度低且燃气炉长期处于热备用状态增加了系统能耗经济性较差 而采用补燃余热锅炉方案能快速弥补燃气轮机降负荷的影响对锅炉蒸发量几乎没有影响提高了系统的供热稳定性及灵活性补燃型余热锅炉更适合于供热机组与调峰的协同 优化方案经济性分析余热锅炉通过补燃增加了燃气轮机在低负荷率运行时的蒸发量使汽轮机效率接近设计值 但是补燃需要额外消耗燃料还增加了初始设备投资对常规余热锅炉方案(方案一)与补燃余热锅炉方案(方案二)经济性进行对比分析机组成本主要由生产成本和经营费用组成 生产成本包括可变成本和固定成本 可变成本指燃料成本以及设备损耗运维成本、水费等随年发电量的增加而增加 固定成本通常不随年发电量的变化而变化包括人员工资福利、折旧成本、常规运维成本等 经营费用包括还贷期内的本金和利息以及应纳税额 基于以下边界条件对两种方案的机组经济性进行对比:项目资金(自筹 贷款)贷款利率贷款年限 年还款方式为等额本息项目建设周期.年设备折旧年限 年净残率 厂用电率.上网电价.元/供热蒸汽 元/天然气.元/(低位发热量 /)工业用水 元/工资成本 万元/年(人计)燃气轮机运行维护费用.元/汽轮机、锅炉运行维护费用 万元/套企业所得税率 补燃余热锅炉单台初投资成本增加 万元左右考虑到其他附属设备、管道、土建等投资成本增加约 万元/套根据历年年度调度统计机组每年 负荷运行 负荷运行 负荷运行 基于 /供热量联合循环机组供电功率()、燃料消耗总量()以及联合循环机组效率()如表 所示表 补燃前后机组参数对比方案燃气轮机负荷率/年运行时间/()/.常规余热锅炉.补燃余热锅炉.基于以上数据对两种方案经济性进行对比年发电量()、投运后动态回收期()、税后财务净现值以及税后内部收益率对比如表 所示表 补燃前后机组经济性对比方案/()/财务净现值/万元内部收益率/常规余热锅炉.补燃余热锅炉.结合表、表 可以得到以下几点结论:()采用补燃余热锅炉方案比常规余热锅炉方案年均燃料耗量减少.()采用补燃余热锅炉方案比常规余热锅炉方案投资回收期缩短.年内部收益率提高.经济效益显著为测算分析项目抗风险的能力将设备投资、燃料价格、供热价格、上网电价作为敏感性因素 当敏感因第 期林张新等:基于补燃的供热调峰机组设计方案优化素变化 时对内部收益率进行单因素敏感性分析分析结果如图、图、图、图 所示图 设备投资敏感性分析图 燃料价格敏感性分析图 供热价格敏感性分析图 上网电价敏感性分析可见项目对上网电价和燃料价格较为敏感 采用带补燃余热锅炉的方案项目内部收益率较高各因素敏感性系数正向偏移抵御各项风险的能力得到提升 结论针对电网调峰及机组供热的要求对机组设计方案进行优化通过余热锅炉补燃方式实现热电解耦 对补燃余热锅炉方案进一步分析得到以下结论:()当燃气轮机参与深度调峰时通过补燃增加了机组负荷调节范围机组仍然具备额定供热能力()补燃余热锅炉方案相对常规方案仅增加补燃系统初始投资增加较少系统简单便于日常运行维护()虽然补燃余热锅炉增加了燃气轮机排气阻力降低了额定工况燃气轮机的功率和效率但是在部分负荷特别是深度调峰工况充分利用了高品位能源减少能源消耗提高了系统的能源利用效率()通过补燃增加了机组运行灵活度能实现调峰与供热协同()补燃余热锅炉方案经济性好同时能提高项目抵御各项风险的能力综合效益显著参考文献:杨顺虎.燃气蒸汽联合循环发电设备及运行.北京:中国电力出版社:.姜慧 崔国民 倪锦 等.调峰电厂联合循环余热锅炉改造案例及分析.上海理工大学学报 ():.张龙英 张学镭 原树峰 等.供热机组调峰性能及其影响因素研究.汽轮机技术 ():.王宏伟 冯垚飞 冯林魁 等.供热机组调峰性能试验.热力发电 ():.张利 张子玉 孔祥灿 等.级联合循环供热机组调峰能力分析.中国电力 ():.刘慧珍 李明忆 周作春 等.级燃气蒸汽联合循环机组供热性能分析.汽轮机技术 ():.朱誉 李千军 冯永新 等.热电联产机组调峰能力及经济性分析.热力发电 ():.段云丰.文昌燃气电厂建设方案及其对电网频率稳定性影响分析.昆明:昆明理工大学:.曾勇 曾颖.热电联产机组的电力调峰运行模式研究.南方能源建设 ():.崔敏.燃气蒸汽联合循环机组深度调峰供热研究.电力勘测设计():.于朝阳 王建志 贺年.余热锅炉补燃装置的研究.热能动力工程():.燃气轮机技术第 卷 宋玉柱 董自春 王军.余热锅炉蒸汽压力参数的优化匹配及补燃对热效率的影响.应用能源技术():.刘俊峰.级燃气蒸汽联合循环机组供热经济性分析.汽轮机技术 ():.韩中合 祁超 向鹏 等.分布式能源系统效益分析及综合评价.热力发电 ():.何青罗宁.燃气蒸汽联合循环热电联产机组热经济性分析.热力发电 ():.雷连白殷华明.分布式燃气电站综合能源项目经济性分析.燃气轮机技术():.(.):.: