国内9F 400MW级重型燃机装机方案及机组选型专题报告

13-F08281K-J01 河北华电石家庄鹿华二期河北华电石家庄鹿华二期 天然气热电联产项目天然气热电联产项目 装机方案及机组选型专题报告装机方案及机组选型专题报告 2017 年年 09 月月 石家庄石家庄 批批 准：准： 闫占良闫占良 审审 核：核： 吕少胜吕少胜 校校 核：核： 米永昌米永昌 编编 写：写： 安延杰安延杰 目目 录录 1 工程概况工程概况.1 2 机组选型概述机组选型概述.1 2.1 机组选型原则及国内 F 级联合循环机组发展现状 .1 2.1.1 机组选型原则.1 2.1.2 国内 F 级联合循环机组现状 .1 2.2 联合循环热力系统分类.2 3 主机配置型式比选主机配置型式比选.3 3.1 2 套“一拖一”及 1 套“二拖一”技术对比.3 3.2 2 套“一拖一”及“二拖一”热经济指标对比.7 3.3 2 套“一拖一”及“二拖一”主厂房指标对比.7 3.4 1 套“二拖一”及 2 套“一拖一”综合造价对比.8 3.5 “一拖一”与“二拖一”机组变负荷特性对比.9 3.6 本工程推荐的主机配置型式.9 4 三种机型的主要技术经济指标对比三种机型的主要技术经济指标对比.9 5 结论结论.10 【内容提要内容提要】： 本专题针对 2 套“一拖一”与一套“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组进行了对比，尽 管“二拖一”机组在热经济指标、主厂房指标以及综合造价上略占优化，但 2 套“一拖一” 多轴机组运行更加灵活，调峰性能更好，因此现阶段暂推荐 2 套“一拖一”多轴的机组 配置型式。 1 工程概况工程概况 本期工程拟建设 2 套 9F 级燃气-蒸汽联合循环发电机组。主机拟采用两台 F 级燃 气轮机，三压再热自然循环余热锅炉和抽凝式汽轮机。 本工程的建设，不仅有利于促进区域节能减排，还可以增强电网的稳定性和可靠 性，提高电网的的应急和调峰能力。厂内设换热首站对外供民用采暖热水。 本专题针对联合循环电站的装机方案、主机选型进行专题论述，包括联合循环热 力性能特性、 “二拖一”及“一拖一”主机配置型式的技术、热经济指标、主厂房指标、综 合造价比选、变负荷性能。 2 机组选型概述机组选型概述 2.1 机组选型原则机组选型原则及国内及国内 F 级联合循环机组发展现状级联合循环机组发展现状 2.1.1 机组选型原则机组选型原则 1) 应综合考虑供热安全可靠，机组调节灵活，技术上经济上先进合理。 2) 应考虑天然气价格较贵的特点。应尽可能选用高效率的机组，以充分利用能源， 降低供热供电价格。 3) 本工程热负荷随季节变化较大，具有多样性，机组选型应能适应一定热负荷变 化的能力。 4) 选择先进、成熟的标准系列产品，努力提高设备的国产化率。 5) 具有较佳的技术优势和价格优势。 6) 满足国家政策对热电联供电厂热电比和热效率的要求。 2.1.2 国内国内 F 级联合循环机组现状级联合循环机组现状 F 级燃气蒸汽联合循环机组中的燃气轮机属于国际公认的成熟机型，其稳定性 已经得到实际运行的认可。我国 F 级燃气轮机的应用情况如下表所示： 表 2-1 国内联合循环机组供货情况 电站集团燃气轮机汽轮机发电机国内投运项目 东方电气集团MHI国产国产13 哈尔滨电气集团GE国产国产27 上海电气集团 (2014 年 5 月前) Siemens国产国产16 2.2 联合循环热力系统分类联合循环热力系统分类 实用的燃气轮机汽轮机联合循环发电装置(简称联合循环)从热力循环系统的角度 来分主要有以下五类： 1) 无补燃的余热锅炉型联合循环：所有的热量都从燃气轮机部分加入循环的联合 热力循环。这是一种以燃气轮机为主的联合循环，其燃气轮机与汽轮机功率比 RpPgt/ Pst 约为 21 (1.32.2)，联合循环效率比简单循环燃气轮机效率有很大的提 高：Rcc/gt1.461.77，燃气侧参数对系统性能影响较大。 2) 补燃的余热锅炉型联合循环：一部分热量是在工质已经通过燃气轮机后加入循 环的联合热力循环。随着补燃比的提高，RpPgt/ Pst 值下降，R 下降。补燃作用是 提高蒸汽参数与蒸汽产量，增加汽轮机的功率或对外部工艺流程提供额外的供热蒸汽。 3) 排气全燃型联合循环：利用燃气轮机排气作为热风助燃的联合循环，工质中剩 余的氧几乎全部与燃料发生化学反应。这是一种以汽轮机为主的联合循环，系统性能 在很大程度上取决于蒸汽侧循环参数，功率比 Rp= 0.150.3 ，效率增值cc st2%5%。 4) 增压锅炉型联合循环：蒸汽发生器放在循环的燃气侧燃烧室之后和燃气透平之 前的联合循环。也是一种以汽轮机为主的联合循环，系统性能主要取决于蒸汽侧循环 参数，功率比 Rp0.20.7。其蒸汽由蒸汽锅炉产生，不受燃气透平排温限制，便于 采用高参数蒸汽循环。 5) 给水加热型联合循环：燃气轮机的排气主要用于加热蒸汽循环系统给水的联合 循环，更是以汽轮机为主的联合循环，系统性能主要取决于蒸汽循环，适用于燃气轮 机排烟温度较低的情况。 上述五类联合循环不仅都能用于发电，而且还都可以做成热电联产的联合循环， 即可从系统某处引出蒸汽供工艺流程使用。 通常，无补燃的余热锅炉型联合循环是各种联合循环中效率最高的，因为输入的 热量全部在燃气侧的较高温度下加入循环体系，因而得到最多的应用，最适合于带基 本负荷和中间负荷的机组。带补燃的余热锅炉型联合循环，由于在余热锅炉前的燃气 轮机排气中加入额外燃料进行补燃，联合循环的出力得到显著提高，而在多数情况下 循环效率有所下降，多用于热电联产，以扩大热电负荷比例调节范围，或用以提高热 负荷输出来满足用户需要。排气全燃型联合循环常用于现有汽轮机电站的更新改造， 因为它能最大程度地利用现有设备，降低电站改造的投资。增压锅炉型联合循环只在 增压流化床燃煤联合循环(PFBCC) 中得到实际应用。给水加热型联合循环系统虽然简 单，但效率提高较少，仅用于低参数的燃气轮机组成的联合循环。 从本工程的实际应用情况来看，采用无补燃的余热锅炉型联合循环是较为合适的。 3 主机配置型式比选主机配置型式比选 3.1 2 套套“一拖一一拖一”及及 1 套套“二拖一二拖一”技术对比技术对比 联合循环机组的轴系配置有两种形式：一种是单轴配置，即燃气轮机和汽轮机共 同拖动一台发电机运行。另一种是多轴配置，即燃气轮机和汽轮机分别拖动发电机运 行。 3.1.1 “一拖一”单轴配置 单轴机型又可分为发电机中置型和发电机尾置型。 以 SIENENS 公司 GUD1S.94.3A 和 ALSTOM 公司 KA26-1 为代表的燃气轮机+发 电机+3S 离合器+轴向排汽汽轮机的连接方式，简称发电机中置方式，如图 2 所示。 图图 3.1.1-1 发电机中置式的单轴配置发电机中置式的单轴配置 发电机中置的单轴机型指燃气轮机、发电机和蒸汽轮机串轴安装，燃气轮机和发 电机由刚性联轴节串联，发电机另一侧安装蒸汽轮机，并通过一台离合器实现同步转 速自动联轴。这种连接方式的优点是：汽轮机位于端部，便于采用轴向排汽，整套联 合循环机组可安装在位置较低且造价较低的板式基础上,厂房的高度也随之降低；由于 在发电机和汽轮机间增加了离合器，可在汽轮机安装完成前燃气轮机提前投产发电， 在汽轮机故障停下来检修时不影响燃气轮机简单循环发电；由于加装了离合器, 优化了 联合循环机组的启动工况。机组启动时，燃气轮机先按简单循环单独运行，同时排气 进入余热锅炉，使余热锅炉的受热面管道逐渐预热升温，产生的低参数蒸汽用来对通 往汽轮机的管道进行暖管。蒸汽参数达到冲转参数时，开始冲转汽轮机并进行暖机。 汽轮机的转速升高到与发电机的转速相同时，离合器自动啮合，汽轮机就开始滑参数 带负荷。这种连接方式的缺点是：发电机置于燃气轮机与汽轮机间，当发电机检修需 要抽转子时必须横向平移发电机。 以 GE 公司 M9001FA 和三菱公司 M701F4 为代表的燃气轮机+向下排汽的汽轮机+ 发电机的连接方式，简称发电机尾置方式，如图 1 所示。 图图 3.1.1-2 发电机尾置式的单轴配发电机尾置式的单轴配 置置 发电机尾置机型则是燃机、汽机和发电机顺序刚性联接。这种布置对于发电机出 线和检修时抽转子比较方便。但同时也存在部分缺点：由于汽轮机在中间, 汽轮机向下 排汽使整套联合循环机组必须布置在较高的运转层上；发电机只有当燃气轮机和汽轮 机都安装完毕后才能投运, 不利于安装周期较短的燃气轮机及早投产发电；运行中蒸汽 系统出现故障时, 燃气轮机仍拖着汽轮机空转, 一方面汽轮机不能停机检修另一方面汽 轮机叶片鼓风发热, 还必须设置小的辅助锅炉, 产生辅助蒸汽通入汽缸进行冷却；汽轮 机正常启动时，也需辅助蒸汽汽源提供轴封汽和汽轮机一开始空转时汽缸所需的冷却 蒸汽。 综上所述，单轴机型在单元制配置、发电机出线、设备和蒸汽管道布置以及施工 和运行管理等方面有许多特点： 1) 单轴配置时只需一台较大容量的发电机，与对应的多轴配置相比，相应的电气 设备少、系统简单，设备初投资较少。 2) 启动方式灵活多样：通过变频提供变频交流电给发电机，以变频电动机方式启 动燃气轮机，就可取消专门设置的启动电动机；若有现成的蒸汽源（如联合循环机组 安装在现有的汽轮机电厂或对其进行联合循环技术更新改造时） 也可直接利用汽轮机 来启动燃气轮机。 3) 燃气轮机和汽轮机可共用一套滑油系统，机组运行与控制系统等将得以简化。 4) 布置更紧凑，汽水管道较短，占地面积小、厂房较小。 单轴布置的缺点在于： 1) 动力岛纵向部分占地较大，主厂房跨度大； 2) 轴系长，检修场地大； 3) 汽轮机和燃机不带离合器的机组,当汽轮机故障时，燃机和余热锅炉不能独立运 行，无法通过减温减压来保证供热； 4) 由于受燃机控制系统的限制,余热锅炉与机组的控制不易实现一体化,除非采用 与燃机相同的控制系统(西门子除外)；控制系统相对复杂； 这里需要指出的是，同样是单轴“一拖一”布置，发电机尾置相对于发电机中置方 案来讲，由于燃气轮机无法越过蒸汽轮机直接驱动发电机工作，只能在安装周期比较 长的蒸汽轮机安装完毕后才能投产，同多轴布置方案相比，资金周转率下降，投资的 收效期延迟。而且，当蒸汽轮机出现故障时燃气轮机无法单独运行，整台机组无法快 速启动从而使联合循环机组适应调峰运行的性能大幅度降低。因此，本专题“一拖一” 方案不推荐 “一拖一”单轴配置方案。 3.1.2 “一拖一”多轴配置 多轴机型由一台蒸汽轮机发电机组，配一台或多台燃气轮机的发电机组，可用 “x+y+1”表示， “x”表示燃气轮机的台数， “y”表示余热锅炉的台数，一般地，x=y。多轴 方案中的 1+1+1 型也称分轴方案，是单轴的改变型，燃气轮机和汽轮机分别驱动各自 的发电机。分轴配置降低了主机生产的技术难度，但增加了厂用损耗。多轴的主要特 点是燃气轮机发电机组和汽轮机发电机组相对独立、分开布置，但也有设备与系统都 较复杂，占地面积也较大等缺点。具体到 2 套“一拖一”分轴布置与 1 套“二拖一”多轴布 置，其各自的技术优劣如下： “一拖一”多轴方案的优点在于： 1) 单元机组，系统相对独立，运行控制方便； 2) 每台汽轮机分别供热，抽汽供热可靠性较高； 3) 燃机、余热锅炉可以独立运行通过减温减压来保证供热； 4) 汽轮机及其发电机可国产化； 5) 燃气机组和蒸汽机组可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。 “一拖一”多轴方案的缺点在于： 1) 需要配置 2 台发电机及其配电系统，电气和控制系统复杂； 2) 占地面积较大； 3.1.3 “二拖一”多轴配置 “二拖一”方案的主要优点在于： 1) 供热出力与“一拖一”方案相当； 2) 燃气机组和蒸汽机组可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。 “二拖一”方案的缺点在于： 1) 由于共用汽轮机，非采暖期机组运行时，当一台燃机停运或者燃机低负荷运行， 汽轮机组运行经济性略差； 2) 余热锅炉需并汽运行；带负荷时燃机之间需协调运行；运行操作相对复杂。 3.1.4 供热可靠性 机组的供热可靠性论述如下： 机组采暖季运行时，同时承担大约 390t/h 采暖热负荷（具体视机型而定） ，无论是 “一拖一”多轴还是“二拖一”机组，若汽轮机被迫停机，该套机组仍然可采取“燃机+余热 锅炉”运行方式，燃气轮机排烟进入余热锅炉，余热锅炉产生蒸汽减温减压后直接对外 供热，多余工质可通过旁路回收至凝汽器，因而能够保证采暖用热 100%的需求。若一 台燃机或余热锅炉停运时，为了保证供热可靠性，另一台燃气轮机及余热锅炉将采取 “燃机+余热锅炉”运行方式，剩余高压蒸汽经过减温减压器与减温减压后的中压蒸汽一 起参与供热，尚可满足平均采暖热负荷的 60以上，满足规程规定的最低要求。而对 于“一拖一”单轴机组，当一套机组的燃机或余热锅炉停运时，另一套机组无法采取“燃 机+余热锅炉”的运行方式，只能满足 245280t/h 的采暖热负荷，约占额定热负荷的 50，因此不能满足供热可靠性的要求。 综上所述， “一拖一”多轴和“二拖一”机组的供热可靠性可以得到保证，而“一拖一” 单轴机组在采暖季时若一台机组故障则无法保证供热可靠性。 表 3-1 供热可靠性对比表 2 套一拖一多轴机2 套一拖一单轴机1 套二拖一机组 组组 采暖采暖采暖 停 1 台燃机可满足 60%以上不满足 可满足 60%以 上 停 1 台余热锅 炉 可满足 60%以上不满足 可满足 60%以 上 采暖季: 390t/h 采暖热负 荷 停 1 台汽轮机可满足 60%以上不满足 可满足 60%以 上 注：1. 当一台机组故障时，若另一台机组能满足 60以上采暖热负荷即认为能满足采暖供热可靠 性的要求。 3.1.5 小结 综上所述，对于 2 套“一拖一”多轴和 1 套“二拖一”的主机配置型式，均能满足供热 可靠性的要求；对于 2 套单轴“一拖一”发电机尾置方案，当汽轮机故障时，不能采取 “燃机+余热锅炉”运行方式，不能满足供热可靠性要求；对于 2 套单轴“一拖一”发电机 中置方案，控制系统相对复杂，且必须配备离合器才能保证汽轮机出现故障时燃气轮 机和余热锅炉继续运行，因而增加了技术难度。因此，从供热可靠性的角度，本专题 推荐的主机配置型式为 2 套“一拖一”多轴或 1 套“二拖一”多轴。 3.2 2 套套“一拖一一拖一”及及“二拖一二拖一”热经济指标对比热经济指标对比 1套“二拖一”机组相比2套“一拖一”机组在年发电量、机组热效率、平均发电气耗率 等指标上基本上无差别。 3.3 2 套套“一拖一一拖一”及及“二拖一二拖一”主厂房指标对比主厂房指标对比 本节对两套“一拖一”多轴主厂房布置方案和1套“二拖一”多轴布置方案进行对比。 图 3.3-1 “二拖一”主厂房布置 图 3.3-2 2 套“一拖一”多轴配置主厂房布置 表 3-3 1 套“二拖一”及 2 套“一拖一”多轴主厂房对比 方案方案 项目项目 单位单位1 套套“二拖一二拖一”2 套套“一拖一一拖一”多轴多轴 燃机房长度m42.542.5 燃机房宽度m70242 燃机房面积（两台）m229753570 燃机检修场地两燃机设一个两机组各设一个 汽机房跨度m3338.5 汽机房长度m5857 汽机房面积（全厂）m219142194.5 汽机房零米检修场-设一个两机组各设一个 燃机房+汽机房面积48895764.5 燃机房下弦m24.91524.915 汽机房下弦m27.624.1 燃机房+汽机房体积m3126949141834 烟囱中心至 A 排柱距离m90.7390.73 主厂房区域长度129.5143.4 主厂房区域占地面积（主厂 房区域长度乘以 A 列至烟囱 中心线距离） m21175013011 从上表中可以看出，1 套“二拖一”和 2 套“一拖一”多轴的方案相比， “二拖一”的方 案主厂房建筑面积比 2 套“一拖一”多轴小将近 15，主厂房总体积小 14885 立方米， 主厂房区域占地面积也比“一拖一”的方案小 1261m2。 3.4 1 套套“二拖一二拖一”及及 2 套套“一拖一一拖一”综合造价对比综合造价对比 下表对一套“二拖一”与两套“一拖一”多轴进行了设备投资及主厂房造价详细对比。 表 3-4 一套“二拖一”与两套“一拖一”多轴综合对比表 项目设备明细两套“一拖一”多轴一套“二拖一” 汽轮机+6300 万基准 汽轮发电机-860 万基准汽机岛设备投资对比 汽轮机辅机+200 万基准 燃气轮机本体0基准 燃机岛设备投资对比 燃气轮机发电机0基准 余热锅炉岛设备投资 对比 余热锅炉0基准 土建费用对比主厂房+400基准 合计+6040 万基准 由上表可以看出，1 套“二拖一”相比 2 套“一拖一”多轴机组在综合造价上大约可以 节省 6040 万初投资。 3.5 “一拖一一拖一”与与“二拖一二拖一”机组变负荷特性对比机组变负荷特性对比 “二拖一”多轴与“一拖一”多轴机组的变负荷特性对比如下： (1)在承担 100%总负荷时， “二拖一”机组比“一拖一”机组总效率高 0.50.6%。 (2)在承受 50100%总负荷时， “一拖一”机组可保持其中 1 套机组满负荷运行而降 低另 1 套机组的负荷直至该机组停机；而“二拖一”多轴机组会同时降低 2 台燃气轮机 的负荷。 (3)在承受 50%总负荷时， “一拖一”机组可保持其中 1 套机组满负荷运行，而停另 1 套机组，其热效率与承受 100%总负荷时的热效率相同；对“二拖一”多轴机组，可停运 1 台燃气轮机，使另一台燃气轮机能在较高的燃气初温下运行，而蒸汽轮机仅处于 50%总 负荷下，此时“二拖一”机组的总效率比承受 100%总负荷时的总效率略低，也比“一拖 一”机组效率略低 0.30.5%。 (4)在承受低于 50%总负荷时， “一拖一”机组可选择其中 1 台单轴机组部分负荷运行， 而停另一台机组， “二拖一”机组可停运 1 台燃气轮机，使另一台燃气轮机处于部分负荷 下运行，整套“二拖一”机组的运行效率较低。 3.6 本工程推荐的主机配置型式本工程推荐的主机配置型式 通过上述技术经济比较，一套“二拖一”相比两套“一拖一”多轴机组，在设备投资、 机组热效率、主厂房占地及造价等方面均略占优势，但两套“一拖一”多轴机组在变负 荷特性上较有优势，因此运行更加灵活，调峰性能更好，故本阶段暂按两套“一拖一” 多轴 9F 级燃气-蒸汽联合循环供热机组设计，即每套联合循环机组包括 1 台 F 级燃气 轮机、1 台燃气轮发电机、1 台余热锅炉、1 台蒸汽轮机和 1 台蒸汽轮发电机，共两 套。 4 三种机型的主要技术经济指标三种机型的主要技术经济指标对比对比 通过前述章节的分析，主机配置型式确定为两套“一拖一”多轴的燃气蒸汽联合 循环机组，本节对三菱 M701F4、GE9351FA 以及西门子 SGT5-4000F 三家机型进行热 经济性计算。 三种机型的联合循环机组热经济指标对比见下表。 表 4-1 三种机型的联合循环机组热经济指标对比表（两套机组） 项 目单 位M701F4GE 9351FASGT5-4000F 全年发电量MW.h/a367200031520003336000 年总供热量GJ/a5120901.104670359.94 4656960.07 年总天然气耗量 （20） 亿 m3/a8.037.237.38 平均发电天然气 耗率 m3/kW.h0.1690.1770.172 联合循环热效率%69.4767.4668.75