燃机机组深度调峰影响因素分析及可行性研究-北极星火力发电网

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1.当前的形势

随着最近几年能源互联网的开展，特高压建设的加快，建成投产的特高压工程越来越多。同时随着最近几年国家的政策支持和节能减排的要求，光伏和风电等新能源的建设和发展很快，为受端电网的火力发电机组带来了很大的压力。一是调峰的压力，二是调频压力。

特高压受端电网的发电机组和运行方式发生了根本性的改变，具有如下特点：1）调停机组数多，很多机组处于调停或检修状态；2）机组的负荷率低，机组处于低负荷运行时间大大加长。特高压的接入，虽然特高压有各种优点和优势，但是一旦发生闭锁时对本省的电网存在一定的安全风险性，如2015年9月19日21:58，锦苏直流双极闭锁，系统频率从49.97Hz最低下跌至49.563Hz，低于0.0333Hz的总时间约6分钟。

2.燃机调峰方式

燃气轮机的优点之一就是调峰性能良好，调峰速度快，随着最近几年燃机机组大量建设和投产，燃机机组的比重越来越大，投产类型主要以GE、西门子、三菱的燃机机组为主，但是受天然气价格影响，发电成本较高，年发电小时数较少，机组运行时一般均处于额定负荷运行，向上调峰和调频能力较弱。针对当前电网的形势和要求，燃机机组的深度调峰主要包括燃机机组的快速启动和燃机机组的低负荷运行深度调峰运行两个方面。

3.燃机快速启动调峰

燃机机组快速启动是指利用燃机启动速度快的特点来快速启动调峰，影响燃机快速启动的因素有很多。

1）机组当前的状态：是指机组处于冷态、温态还是热态。

2）机组的运行方式：单循环还是联合循环。

3）机组类型：是指机组是单轴布置的机组还是多轴布置的机组。

4）汽轮机旁路大小。

5）燃机类型：燃机类型的不同，燃机启动的时间也各不相同，以主流的GE、西门子、三菱燃机为例，各自启动转速从0r/min到额定转速并网的时间如下表所示：

因此如果机组是热态的西门子联合循环配100%汽机旁路的分轴机组，在快速启动调峰过程中有一定的优势。

4.燃机深度调峰

燃机机组的低负荷运行深度调峰是指燃机机组能长时间在低负荷运行，当特高压发生闭锁或电网出现异常等情况，电网需要迅速调频和调峰时，利用燃机机组的调峰特性，可以迅速响应一次调频和AGC负荷，从而保证电网的安全稳定运行，深度调峰是指燃机机组低于50%额定负荷长时间稳定运行。

影响燃机机组低负荷运行因素比较多，主要包括以下几个方面：

（1）燃机机组类型，机组安全稳定性，燃机低负荷稳定燃烧点。

（2）燃机的模式切换点。燃机机组的类型不同，燃烧模式及切换工况点也不同。

（3）低负荷时机组的环保排放情况。

（4）机组的经济性，旁路全关时的负荷工况点。根据燃机机组的燃烧特性，负荷越低，燃烧效率越低，经济性越差。尽管机组容量越大，机组效率越高，但当燃气机组进行深度调峰时，其效率将明显降低，成本也将大幅提高，下图1为9F（S109FA）机组气耗特性曲线。

图1 9F机组气耗特性曲线

基本目的是根据机组的实际情况寻找机组在低负荷稳定燃烧且旁路全关经济性相对较高的负荷工况点。

5.试验研究

5.1 燃机机组快速启动试验：

为了更好的了解燃机机组快速启动情况，选取了某电厂GE的9F机组进行了快速启动试验，以了解燃机机组的快速启动情况。某电厂配置有GE公司生产的两套S109FA型联合循环机组，单轴布置，机组额定负荷394MW。

1）4月18日18：00时#11机按省调命令解列停运。19日早上，切换至#12机启动顶峰运行，#11机组余热锅炉处于热炉保压状态。4月19日早上8点50分，单元长接到值长的电话，“需要启动#11机组”。接令后，单元长立即布置机组人员进入启动准备状态，安排#11机紧急启动。

2）启动准备阶段：首先安排操作员进行辅助蒸汽的疏水暖管，同时巡检员下现场进行辅助设备的启动：闭式冷却水系统由辅助闭式泵切至闭式冷却水泵B，凝结水系统由辅助凝泵切至凝泵A，启动#11炉高压给水泵B、中压给水泵A。同时启动9F循泵#4冷却水泵及#1循泵。9:10辅助蒸汽温度满足要求后开始投轴封。9:26轴封蒸汽温度、压力满足要求后开始抽真空。在机组热态情况下，此阶段历时大约50分钟，主要为辅汽暖管约需20分钟，轴封蒸汽温度满足约需15分钟，抽真空约需15分钟。运行人员需要在此时间节点内完成辅机的启动及其他准备工作。

3）启动至全速、并网阶段：9:41启动条件满足，#11机开始启动，9:56#11机点火，10:04机组全速，10：08#11机并网。启动至全速阶段历时大约25分钟，运行主要进行机组热通道的清吹、点火、升速至全速，此阶段为程序控制，运行亦无干预手段。

4）并网至汽机高压进汽阶段：此阶段负荷约为 35MW-50MW，主要任务是进行并网后必要检查，投运温度匹配，等待高压蒸汽满足进汽参数。此时，巡检员需进行并网后全面就地检查。操作员要及时提高天然气温度，确保机组能带上负荷，控制好锅炉水位，保证正常升温、升压，以使高压蒸汽参数尽快满足条件。10:32#11机汽机进汽，大约用时24分钟。

5）汽机进汽至带满负荷：汽机开始进汽，高压调门缓慢开足，至IPC投运约需10-15分钟。10:50#11机带至满负荷。

本次紧急启动准备工作耗时约50分钟，启动至带满负荷用时约69分钟。热态启动对轴封汽要求较高，在启动准备阶段，辅汽暖管和轴封蒸汽温度、抽真空等满足耗时较多，对运行人员数量、素质水平都有较高的要求。除去启动准备阶段时间，机组热态启动到额定负荷需要约60分钟左右的时间，此燃机机组快速启动调峰方式适合当特高压提前告知需要临时停运时来快速启动调峰使用，需具备30分钟以上的时间欲量。

5.2 燃机低负荷深度调峰试验

某燃机机组和煤机一样是调峰机组而非日开夜停机组，利用燃机机组进行深度调峰，调度要求每天高峰时负荷为额定负荷，但过夜负荷为140MW。燃机机组为400MW F级联合循环多轴发电机组，机组采用分轴布置，燃气轮机采用德国Siemens公司生产的燃气轮机，型号为SGT5-4000F，ISO工况出力为285.87MW，汽轮机为上汽集团股份生产的N141-563/551型超高压、双缸、再热、凝汽式汽轮机，余热锅炉采用中国杭州锅炉集团股份有限公司生产的NG-54000F-R型三压有再热无补燃卧式余热锅炉。

考虑到机组低负荷运行时的特性，电厂要求对机组的控制和运行方式进行优化，机组在140MW时，机组原主要的运行方式和特点如下：1）机组协调撤出，燃机负荷和汽机负荷单独设定，燃机负荷在TCS画面操作，汽机负荷在DEH画面操作设定；2）此负荷时运行人员一般设定燃机负荷为100MW；3）汽机负荷为40MW，汽机三个调门开度较小；4）由于燃机负荷较高，汽机负荷低，汽机调门开度较小，因此汽机旁路系统投入，且开度较大；5）运行操作和监盘工作量大；此负荷机组过夜时，高压旁路和中压旁路开度较大，从以往机组运行情况看，此过夜负荷平均时间为6-8个小时，大量的蒸汽通过旁路排入凝汽器，经济性有待进一步提高。

通过对机组协调和负荷分配优化后，140MW时机组协调控制不用撤出，同时保证了总负荷不变的情况下，汽机旁路全关，机组的经济性显著提高。

140MW时旁路全关机组曲线

6.燃机深度调峰存在的问题

同时燃机机组的低负荷运行进行深度调峰存在一些问题，问题如下：1）机组允许的最低稳定运行负荷点需要进行试验来确定；2）低负荷时机组的环保排放指标是否达标，可能需要低负荷燃烧调整；3）燃机低负荷运行的经济性如何，需要经过性能试验来确定；4）调度的补贴电价及机组的运行小时数，补贴的电价和运行小时数关系到机组的调峰能力和运行小时数，但是反之机组的调峰能力关系到机组的补贴电价和运行小时数，两者相辅相成。

7.总结

总之，只要天然气价格合适或政策允许，燃机完全可以深度调峰运行，调峰深度和速度比煤机更有优势，就看政策补贴情况。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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