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    联合循环电站配置研究.pdf

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    联合循环电站配置研究.pdf

    徐田胜联合循环电站配置研究 15 联合循环电站配置研究 徐田胜 中石化宁波工程有限公司 宁波315103 摘要 本文结合实际工程,对某化工装置配套联合循环电站进行主要设备选型以及配置研究,并通过技 术经济比较,描述联合循环发电模式方案配置的过程。 关键词 联合循环燃气轮机配置研究技术经济比较 某化工装置配套建设自备热电站,根据当地 环境及项目条件选择采用燃气一蒸汽联合循环发 电模式,并根据化工装置对水电汽的需求确定发 电设备的型号,通过热力模拟计算和技术经济比 较对选定的设备进行论证和优化,确定配置方案。 1项目概况及设计基础条件 某国外新建项目为500kt/a的聚丙烯及其配套 空分、水处理、热电站等装置,装置原料来自长 输管线的丙烷,燃料来自长输管线的天然气。项 目位于中亚地区,是当地政府进行工业开发计划 中的一个重要项目,由于当地工业基础设施比较 薄弱,建设单位要求装置内的新建热电站能孤网 运行。 项目要求电站设计寿命为25年,能满足装置 5年大检修期间的连续运行。同时项目要求电站能 满足整个装置各工况下的用电需求和蒸汽消耗, 达到可操作、可维护、稳定、高效、经济的目的。 当地冬季严寒,夏季炎热,水源紧张,基本 气候数参见表l。 表1项目基本气候条件 根据项目要求,电站需要外供电量①正常 工况70.485 MW;②工艺最小工况38.005 MW;③工艺停车工况9.295 MW;④最大工 况75.405 MW。 电站需要外供的蒸汽和给水等数据见表2。 表2化工装置蒸汽和给水需求表 由于界外化工装置丙烷脱氢PDH单元采 用国外专利工艺包,包内设计有高压废热锅炉, 因此在本项目中电站对外供蒸汽量很少,有别于 国内典型的热电联产装置。 2采用联合循环配置的原因 由于我国煤炭资源丰富,价格相对便宜,所 以国内常规热电站的配置通常采用燃煤蒸汽锅炉 一蒸汽轮机机组进行发电和供热。不同的煤质都 有不同的炉型相适应,燃烧效率高。但粉尘、氮 氧化物和硫化物的排放必须采取一些必要的措施 来满足环保要求。燃油和燃气蒸汽锅炉在环保方 面优于燃煤蒸汽锅炉,但受制于燃料的价格和来 源,无法在国内大范围应用。除此之外,蒸汽锅 炉受汽包温升和锅炉材料温升以及热应力的限制, 从锅炉启动到蒸汽轮机上网发电时间间隔较长, 升降负荷变化较慢,无法适应快速启停和负荷变 化较快的工况。 本项目当地天然气富足,水源紧张,公用设 施缺乏,项目工艺装置负荷变化范围比较大,操 作工况要求能适应快速变化负荷。所以项目首先 选择采用燃气一蒸汽联合循环进行发电供汽配置 模式。 徐田胜工程师。1999年毕业于江苏石油化工学院化工工艺专业。现从事化工工艺设计工作。联系电话 057487974172 Emailxutsh.snecsinopec.eom。 16 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,234 燃气一蒸汽联合循环发电机组是将燃气燃烧 驱动燃气轮机发电后产生的高温排气引入余热锅 炉,产生高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机,带动发电 机发电。因而联合循环的热能利用水平较燃气轮 机或蒸汽轮机循环有明显提高。目前,燃气轮机 效率达40%,联合循环机组的热效率接近60%。 另外,燃气一蒸汽联合循环由于其燃料特点,污 染低、施工建设周期短、占地和用水量少、启停 灵活、自动化程度高等优点,被广泛应用于汽电 联产、调峰等方面。 3主要设备型式的确定 电站的总投资费用主要包括建厂期间的设备 购置费和运行期间的燃料采购费。在市场情况不 变的情况下,这两项投资基本确定了电站的经济 效益。采用的设备越先进,设备之间的配置组合 越合理,电站运行时的效率就越高,但设备初始 投资费用就越高;如果设备选型不当,配置不合 理,电站运行效率会变低,运行费用将会变高。 联合循环电站的主要设备有燃气轮机发电机 组、余热锅炉、蒸汽轮机发电机组及相应配套的 辅助设备等。为使初始投资费用和运行费用达到 最优化,满足化工装置的可操作性和可维护性的 要求,项目选取最有代表性的工况正常运行 工况来进行配置研究,通过对此种工况下各主要 设备的不同参数组合进行对比计算,结合各设备 不同参数下的购置费用和根据设定折现率下计算 得出的不同年度燃料采购费用,得出结合初始投 资费用和运行费用的总投资费用,从而得出三大 机组最佳设备组合配置。 为了方便配置研究工作,分别对各主要设备 进行筛选和设计参数的初步确定,以便找出关键 数据,简化模拟计算,优化配置。采用美国Ther- moflow公司专门从事联合循环热平衡计算的软件 GTPRO进行热力平衡模拟计算。 3.1燃气轮机 燃气轮机是一种以气体作为工质、内燃、连 续回转的叶轮式热能动力机型。燃气轮机的热效 率及排气温度随着机组负荷下降而急剧降低,所 以应尽量在满负荷状态下运行,运行负荷在80% 以上时燃气轮机的发电效率较高。燃气轮机是整 个联合循环装置产生电力的主要来源,也是产生 蒸汽的主要热源。其使用效率体现了电站配置的 经济性,所以其发电能力的选择影响到电站的投 资费用和运行费用。考虑到本化工装置不同工况 的复杂性,把正常运行时负荷处于75%一95%作 为燃气轮机的筛选范围。 对于化工装置配套的汽电联产电站,项目只 考虑重型燃气轮机而不考虑轻型燃气轮机,理由 及主要性能对比见表3。 表3轻重型燃气轮机主要特性对比表 重型燃气轮机 轻型燃气轮机 适合长时间满负荷连续运行 性能衰减小,典型的功率衰 减在2%左右 维修成本低 单循环效率相对较低 热产出高 压气机中度清洁度要求 现场可进行动静叶、燃烧室 更换 气、液燃料排放低 更适合间歇性运行 性能衰减大,功率衰减在4% 一lO% 维修成本高 单循环效率相对较高 热产出低 压气机有较高的清洁度要求 动静叶、燃烧室更换需要到 工厂 勉强达到低于25ppmv的排 放值 在联合循环发电系统中,燃气轮机和蒸汽轮 机的容量配比一般约为21。根据化工装置正常需 求67MW的电量和相应汽水需求,对ISO工况下 2O一50MW燃气轮机发电机组进行筛选,所有此范 围内的燃气轮机数据见表4。作为对比,选取 SG,I7o0和6581B两种ISO工况下发电量不同的典 型机型进行进一步的研究。 表4 2050MW燃气轮机厂家、型号及主要参数一览表 3.2余热锅炉 余热锅炉从介质工作原理可分自然循环型和 徐田胜联合循环电站配置研究 17 强制循环型二大类,均具有负荷适应范围广,性 能稳定,适宜快速启停的特性。但与强制循环型 余热锅炉相比,自然循环型余热锅炉由于阀门等 附件可放在地坪操作及无强制循环水泵等原因, 具有操作、运行和维护方便的特点,但自然循环 型余热锅炉由于采用卧式布置形式,具有占地面 积大的缺点。 从介质工作压力系统可分为单压型和双压型 甚至三压型余热锅炉。设置多压系统其目的在 于以多个压力等级来分段分级吸收更多的热量, 达到降低排烟温度,减少汽机回热系统,提高锅 炉效率的目的。但是压力等级的选择与投资额和 投资回收期密切相关,因为压力等级越多,受热 面就越大,虽然降低了排烟温度,提高了热交换 率,但金属耗量相应增大,即造价相应上升;另 一方面,必须考虑到降低余热锅炉排烟温度而造 成烟气露点的影响,因此压力等级的选择必须从 提高供热系统效率、燃料成份、成本的回收等因 素统筹考虑。 余热锅炉排烟温度一般会比酸露点高10%以 上,由于本项目的天然气组分中仅含痕量硫分, 经计算烟气酸露点的温度只有88℃,选定100cI设 计余热锅炉的排烟温度。根据初步计算的蒸发量 和排烟温度,在此配置研究中按双压自然循环余 热锅炉设计。 多套燃气轮机组配置单台余热锅炉,虽然可 以降低电厂的单位造价,但系统运行的灵活性较 差,当该台余热锅炉故障时,会造成与之相关的 所有燃气轮机单循环运行,这不仅使热电厂发电 成本上升,而且导致供热中断。考虑到本项目对 系统的灵活性和供热供电的连续性及可靠性要求, 这里设计余热锅炉的台数与燃气轮机相同。 经与多家余热锅炉生产厂商的初步询价,在 其他设计条件相同的情况下,带补燃功能的余热 锅炉比不带补燃功能的余热锅炉价格高约20%, 余热锅炉是否配补燃功能,将根据正常工况的热 力平衡结果和其他工况下的设备适应性研究后再 进行确定。 3.3蒸汽轮机 汽轮机进汽参数的确定随余热锅炉出口蒸汽 参数而定。进汽参数的确定对于联合循环效率和 投资费用都有明显的影响。一方面要力求最充分 的利用燃气轮机的排气余热,另一方面还要考虑 蒸汽轮机排汽中的干度,也就是需要考虑蒸汽轮 机内效率的影响。经多次计算筛选后选取三组蒸 汽参数作为进汽参数做进一步的对比研究,见表 5。低压蒸汽参数按照化工装置的用汽参数确定。 表5主蒸汽参数对比表 背压式蒸汽轮机汽电联产综合效率最高,但 背压机组一般以汽定电,汽电不能单独调节,抽 汽凝汽式蒸汽轮机能根据热电负荷的变化进行单 独调节。一般来说,热负荷需求平稳时宜选用背 压式蒸汽轮机,在热负荷变化起伏较大时选用抽 凝式蒸汽轮机。若追求最大发电效率,一般采用 全凝式蒸汽轮机。 根据化工装置中蒸汽量的需求情况,分别选 择全凝和抽凝两种机组进行模拟对比计算。为统 一计算,规定蒸汽轮机的排气干度为90%,相对 内效率为85%。 3.4空冷器 由于当地水资源缺乏并且夏天高温,项目暂 定用工作压力0.02MPa的空气冷却器冷却透平凝 液。这样能降低空气冷却器换热面积,减少空冷 器投资。但这个工作压力会使蒸汽轮机的发电效 率变低,最终工作压力取值需要根据经济效益和 空冷器厂家协商,并在初步设计阶段进一步论证。 3.5除氧器 除氧方法有很多种,但热力除氧由于易调节 控制,除氧稳定可靠等特点被广泛应用于火力发 电厂,此热电站同样采用热力除氧器。由于化工 装置需要锅炉给水的含氧量不超过0.O07mg/L,并 且要求送往电站外化工装置的锅炉给水温度为 120C,根据热力除氧原理,将除氧器的工作压力 定在0.2MPa。 4配置方案的筛选及比较 根据以上初步配置,对各系列设备进行组合, 并对组合的四组方案分别按三种蒸汽参数进行模 拟计算和对比,结合厂家提供的设备报价及天然 18 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,234 气的价格按当地官方披露的数据,进行了技术 经济对比。因为冬季夏季温差大,对燃气轮机和 发电机的发电效率有很大影响,为便于对比,按 年平均气温进行计算。操作费用主要考虑天然气 的消耗。对比的数据以25年运行周期、天然气每 年的消耗费按8%折现率计算。四组配置方案主要 不同组合见表6。 表6主设备配置方案对比表 注余热锅炉由软件自动配置,节点温差和接近点温差均设为20%。 配置方案A的计算数据见表7。 表7配置方案A计算数据汇总表 注热电总效率电站外送电量对外供热量一返回凝液热量/天然气消耗总低热值。结果由软件自动生成,未考虑热损失。 徐田胜联合循环电站配置研究 l9 同样,正常工况下其他三组方案的设备及燃料投资数据见表8详细数据从略。 表8其他方案主要数据对比表 ’注 表示有补燃。 5研究结果 从四组不同配置方案的模拟计算可以总结出 ①燃气轮机发电机组投资占电站整个初始投资主 要设备投资的70%以上;②从25年运行周期看, 四组方案的燃料消耗均占总投资90%以上的比例, 若考虑到建设期的其他设备仪表费、建设安装费、 运行期的维修等费用,燃料价格约占电站总成本 的60%以上;③方案A、B的燃气轮机基本运行 在90%以上的负荷,方案C、D的燃气轮机基本运 行在60%左右的负荷。从中可以看到,正常工况 下燃气轮机是否运行在高效区对燃料消耗量影响 很大,从而直接影响到整个电站的经济性;④通 过方案A天然气在不同蒸汽参数下的运行情况可 以看出,余热锅炉利用补燃时,联合循环的效率 明显降低,经济性也随之下降其他三组方案为 同样趋势;⑤在有外供蒸汽的联合循环配置中, 抽凝蒸汽轮机机组比全凝蒸汽轮机机组有更好的 经济性。 从以上数据可知,余热锅炉补燃时电站的经 济效益变低。综合对比余热锅炉若补燃增加的热 效益、电站外化工产品增量效益和因此增加的天 然气消耗成本、相应的余热锅炉及其配套设施投 资增加费用,余热锅炉不配备补燃功能时整个装 置经济性会更好。 6结语 根据计算结果及对比分析,可以看到方案A第 一组蒸汽参数中,25年运行周期的总投资费用最 低,因此主蒸汽参数为4.9MPa、470c【下,燃气轮 机发电能力约31MW,双压无补燃自然循环余热锅 炉配25MW的抽凝蒸汽轮机,这样的配置为最优。 根据这个方案,又在不同温度环境、各种运行工 况下进行了该配置下的模拟计算和适应性分析, 经综合经济效益论证,最终采用三台燃气轮机发 电机组、配套三台余热锅炉,以及通过母管制联 接的主蒸汽参数为4.9MPa、470cE的一台抽凝蒸汽 轮机作为本电站的主要配置。 31MV左右的燃气轮机国际市场上共有四个生 产厂家,分别是GE的MS5002E、西门子的 SGT700、日立的H25和三菱的MF221B。其他各主 要设备的具体参数还需要在采购阶段和设备供应 商确认并根据具体情况对本配置进行再次的论证。 在投资报价阶段,以及在整个电站的配置研 究及设计过程中,设备的选型至关重要。既要满 足整个装置生产要求,又能高效率的运行,不仅 能降低电站的建设投资,并且还能有效的降低运 行费用,取得良好的经济效益。 参考文献 1杨旭中等.热电联产规划设计手册[M].北京中国电 力出版社,2009252. 2焦树建.燃气一蒸汽联合循环[M].北京机械工业出 版社,20003. 修改回稿20130703

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