PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件改造可行性分析

李云峰，姜紅衛(wèi)，魯曉宇，夏 林，胡孟起

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PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件改造可行性分析

李云峰1，姜紅衛(wèi)1，魯曉宇2，夏 林2，胡孟起2

（1.中電投珠海橫琴熱電有限公司，廣東 珠海 519000； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

介紹了PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件改造技術(shù)，結(jié)合某廠PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)際情況，分析并提出改造原則及改造方案，對改造方案下的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能變化及投資收益進(jìn)行了預(yù)估分析。結(jié)果表明：針對PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施熱通道部件改造，能夠提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力和熱效率，改造經(jīng)濟(jì)性較好；建議在實(shí)施改造前，對全廠關(guān)鍵配套設(shè)備進(jìn)行必要的核算、檢查和試驗(yàn)，以有針對性的制定改造方案。

燃?xì)廨啓C(jī)；PG9351FA型；聯(lián)合循環(huán)；熱通道部件；改造；可行性；經(jīng)濟(jì)性

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（聯(lián)合循環(huán)）具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)[1-2]，與燃煤機(jī)組相比，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。此外，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組還具有運(yùn)行靈活、調(diào)峰能力強(qiáng)、噪聲低頻分量低、污染物排放極低的特點(diǎn)和優(yōu) 勢[3-8]。目前，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，在全球電力供應(yīng)中，天然氣發(fā)電占比已達(dá)20%以上，并且發(fā)電用氣占天然氣總消費(fèi)比例也超過30%[9-10]。

自20世紀(jì)90年代起，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的核心裝備之一，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，以F級(jí)為代表的大容量、高參數(shù)、高效重型燃?xì)廨啓C(jī)逐步成為市場應(yīng)用的主力機(jī)型[11]。GE公司于1999年推出的F級(jí)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)，透平初溫達(dá)到1 327 ℃，單循環(huán)功率為255.6 MW，熱效率為36.9%[12]。自2003年起，我國通過打捆招標(biāo)方式逐步引入PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)及與之配套的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，目前國內(nèi)投運(yùn)的PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)已超過30臺(tái)。

近年來，隨著燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造、高溫?zé)嵬ǖ啦考牧霞爸圃旃に嘯13-15]、涂層保護(hù)及其先進(jìn)冷卻[13]、高效低污染燃燒[16-17]等核心技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，各燃?xì)廨啓C(jī)制造商不斷推出改進(jìn)型F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)以及針對現(xiàn)役燃?xì)廨啓C(jī)的增容提效改造技術(shù)，如GE公司針對PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)推出了先進(jìn)熱通道（advanced hot gas path components）升級(jí)改造技術(shù)（AGP改造技術(shù)）。

本文介紹了AGP改造技術(shù)的主要內(nèi)容，分析了某廠AGP改造原則及改造方案，并對AGP改造后聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力性能收益和改造投資收益進(jìn)行了計(jì)算和分析，為同類機(jī)組實(shí)施改造提供借鑒。

1 GE公司AGP改造技術(shù)簡介

GE公司推出的PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造技術(shù)，其核心是采用更先進(jìn)的9F.04型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件及相關(guān)技術(shù)對PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)部件和系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)：

1）一、二、三級(jí)動(dòng)葉，靜葉和護(hù)環(huán)等9大熱通道部件均采用了耐用性更強(qiáng)、抗蠕變和抗疲勞性能更好的高溫合金材料和高溫涂層材料，以延長部件壽命。

2）應(yīng)用先進(jìn)動(dòng)葉葉型與噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，降低葉型損失，提高通流效率。

3）應(yīng)用葉根及葉尖平臺(tái)、葉冠、輪盤的優(yōu)化冷卻技術(shù)。

4）動(dòng)葉采用榫頭與榫槽密封、帶雙切齒的葉頂密封技術(shù)，護(hù)環(huán)采用雙切齒蜂窩密封技術(shù)，以降低級(jí)間泄漏損失，提高通流效率。

5）優(yōu)化控制參數(shù)，將透平初溫提高約10℃，提高熱力循環(huán)初溫，提高循環(huán)效率及機(jī)組出力。

6）應(yīng)用DLN2.6+全預(yù)混燃燒技術(shù)。相比DLN2.0+燃燒技術(shù)，DLN2.6+全預(yù)混燃燒技術(shù)可提高機(jī)組對燃料的適應(yīng)性（華白數(shù)適用范圍擴(kuò)大），將燃?xì)廨啓C(jī)NO排放質(zhì)量濃度由50 mg/m3（負(fù)荷率75%~100%）降低至30 mg/m3（負(fù)荷率40%~100%）。

7）應(yīng)用先進(jìn)透平間隙控制技術(shù)。一級(jí)護(hù)環(huán)表面覆蓋可磨涂層，并通過透平缸體溫度管理系統(tǒng)控制透平缸溫，減小透平一級(jí)動(dòng)葉與一級(jí)護(hù)環(huán)間隙，以降低級(jí)間泄漏損失，提高通流效率。

8）進(jìn)行透平冷卻空氣量優(yōu)化。因透平第2、3級(jí)靜葉采用了更加耐高溫的合金材料，可適當(dāng)減小從壓氣機(jī)第9級(jí)和第13級(jí)抽出的透平冷卻空氣量，以增加一級(jí)動(dòng)葉入口工質(zhì)流量，提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率。

通過上述改造，PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)能在更高的透平初溫下運(yùn)行，可獲得更高的出力、熱效率以及更好的污染物排放指標(biāo)。

2 某廠PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造方案

2.1 主機(jī)概況

某廠配備2套一拖一分軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，于2014年投入商業(yè)運(yùn)行。每套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主機(jī)配置為：1臺(tái)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)和1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)汽輪機(jī)和1臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)。該廠PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某電廠PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1 Main technical parameters of PG9351FA gas turbine in a power plant

根據(jù)2015年該廠機(jī)組檢修后的熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，2臺(tái)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)測發(fā)電熱耗率均比設(shè)計(jì)值高約300 kJ/(kW·h)，燃?xì)廨啓C(jī)性能不佳，已對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性造成顯著的不利影響。因此，擬對該廠2臺(tái)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施AGP改造，本文就AGP改造進(jìn)行可行性分析。

2.2 改造原則

實(shí)施燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造，需同時(shí)兼顧聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備系統(tǒng)的限制。實(shí)施AGP改造，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電出力和排氣能量增加，將導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃料流量增加、余熱鍋爐產(chǎn)汽參數(shù)和汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)提高，故應(yīng)結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況，著重對改造后余熱鍋爐各級(jí)汽水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及安全性、汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)及預(yù)估的發(fā)電出力和運(yùn)行安全性、發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)和主變壓器的容量、燃?xì)廨啓C(jī)上下游相關(guān)輔機(jī)系統(tǒng)容量等進(jìn)行仔細(xì)核算和評(píng)估。改造應(yīng)選擇科學(xué)合理且經(jīng)濟(jì)的方案，并遵循如下原則：

1）燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)不變；

2）燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)本體不變；

3）燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子不變；

4）燃?xì)廨啓C(jī)與發(fā)電機(jī)的連接方式和位置不變；

5）燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐的連接方式和位 置不變；

6）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變；

7）盡可能利用原有設(shè)備，減少改造工作量。

2.3 改造方案

2.3.1 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

1）將原有DLN 2.6+燃燒器返廠改造；

2）對透平一、二、三級(jí)噴嘴，動(dòng)葉，護(hù)環(huán)等九大部件進(jìn)行升級(jí)更換；

3）配置及安裝燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)軟件，其中Mark VIe控制系統(tǒng)本體部分無需改造，僅需增加一定數(shù)量的溫度、壓力、流量測量元件；

4）進(jìn)行壓氣機(jī)第9、第13級(jí)抽氣流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)升級(jí)；

5）進(jìn)行透平缸體溫度管理系統(tǒng)升級(jí)；

6）更換燃?xì)廨啓C(jī)透平輪間測溫?zé)犭娕迹?/p>

7）進(jìn)行OpFlex運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)升級(jí)。

2.3.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組其他系統(tǒng)

廠內(nèi)所配天然氣調(diào)壓系統(tǒng)、余熱鍋爐及輔機(jī)、汽輪機(jī)及輔機(jī)、主要電氣設(shè)備、主要汽水管道等均能夠滿足AGP改造后的運(yùn)行要求，從盡量利用舊件以節(jié)約投資角度，無需對上述設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行配套增容。但仍有必要在實(shí)施改造前，對上述設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行必要的檢查或試驗(yàn)，分析設(shè)備的健康狀況，并制定相應(yīng)的適用性方案，對影響改造方案的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)性維護(hù)。

3 AGP改造經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性

以該廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組設(shè)備的設(shè)計(jì)資料及最近一次的機(jī)組熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Thermoflow27效能仿真平臺(tái)上建立聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體性能仿真計(jì)算模型。

基于改造商提供的各氣象工況下燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)估性能變化量（表2），對改造方案下聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能變化進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果見表3。

由表3可以看出：若實(shí)施燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造，在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組100%負(fù)荷及典型氣象條件下，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電出力預(yù)計(jì)可提高18.15~30.6 MW，發(fā)電熱耗率預(yù)計(jì)可降低93~131 kJ/(kW·h)；在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組75%負(fù)荷及典型氣象條件下，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電出力預(yù)計(jì)可提高13.4~17.9 MW，發(fā)電熱耗率預(yù)計(jì)可降低103~116 kJ/(kW·h)，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性提高顯著。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)預(yù)估變化量

Tab.2 The estimated variations of the gas turbine performance parameters

表3 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能參數(shù)預(yù)估變化量

Tab.3 The estimated variations of the combined cycle unit’s performance parameters

3.2 投資收益

3.2.1 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的原始數(shù)據(jù)

1）僅考慮由于改造后熱耗率降低以及燃?xì)廨啓C(jī)長期維護(hù)協(xié)議（CSA）費(fèi)用變化而節(jié)約的運(yùn)維費(fèi)用，不計(jì)及增容部分的發(fā)電效益所帶來的收益。其中，全年節(jié)約的長期維護(hù)協(xié)議（CSA）費(fèi)用預(yù)計(jì)為580 117美元。

2）根據(jù)初步詢價(jià)結(jié)果，該廠2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造的投資總費(fèi)用約為1 860萬美元。

3）經(jīng)濟(jì)性計(jì)算采用的機(jī)組全年發(fā)電量情況按2017年該機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況取值，其中，第1套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組2017年全年發(fā)電量為145 211.36萬kW·h，第2套為193 198.90萬kW·h。

4）該廠燃?xì)廨啓C(jī)目前運(yùn)行負(fù)荷率大部分時(shí)間維持在70%~80%，故按照75%電負(fù)荷率工況預(yù)估改造后的熱耗率降低收益：AGP改造后，每套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電熱耗率收益取為103 kJ/(kW·h)，暫取年均氣象條件純凝工況下燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率為75%時(shí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電熱耗率收益值。

全廠2套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組全年節(jié)約燃料消耗的熱量為103×(145 211.36+193 198.90)×10=348 562 567.8 MJ，按照目前該廠天然氣低位熱值33.7 MJ/m3計(jì)算，全廠全年節(jié)約天然氣消耗10 343 102.9 m3。

5）天然氣價(jià)取2.37元/m3（不含稅），天然氣增值稅稅率10%，電力增值稅稅率16%，不計(jì)城鄉(xiāng)建設(shè)稅及教育附加費(fèi)，所得稅按企業(yè)25%計(jì)算，融資前稅前行業(yè)基準(zhǔn)收益率取8%。

6）按改造資金為100%自有資金計(jì)算，機(jī)組改造總計(jì)的靜態(tài)資金按一年100%投入，改造當(dāng)年即投產(chǎn)發(fā)電。

7）匯率取1美元=6.9元人民幣。

3.2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

基于上述經(jīng)濟(jì)性計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對改造方案下該廠實(shí)施2臺(tái)PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果見表4。

表4 AGP改造的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)預(yù)估值

Tab.4 The estimated values of the main technical and economical indexes of the AGP modification

由表4可知：AGP改造后，全廠全年節(jié)約燃料費(fèi)2 451.3萬元，節(jié)約CSA運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用400.3萬元，靜態(tài)投資回收期為4.63年，稅前內(nèi)部收益率達(dá)到27.28%，高于8%的行業(yè)基準(zhǔn)收益率，因此改造方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性敏感性

對AGP改造方案的投資、氣價(jià)、全年發(fā)電量 3個(gè)不確定因素進(jìn)行敏感性分析，分別按增減10%單因素變化，靜態(tài)投資回收期、投資回收年限的變化見表5。

表5 AGP改造方案不確定因素敏感性分析結(jié)果

Tab.5 The sensitivity analysis results for uncertainty factors of the AGP modification scheme

由表5可知，燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造項(xiàng)目中投資、氣價(jià)、全年發(fā)電量3個(gè)因素的敏感性相當(dāng)：

1）當(dāng)氣價(jià)或全年發(fā)電量增加10%時(shí)，全部投資內(nèi)部收益率將提高到30.45%，靜態(tài)投資回收期為4.26年；當(dāng)投資減少10%時(shí)，全部投資內(nèi)部收益率將提高到31.42%，靜態(tài)投資回收期為4.17年。

2）當(dāng)氣價(jià)或全年發(fā)電量下降10%時(shí)，將產(chǎn)生24.23%的全部投資內(nèi)部收益率，靜態(tài)投資回收期為5.06年；當(dāng)投資增加10%時(shí)，將產(chǎn)生24.04%的全部投資內(nèi)部收益率，靜態(tài)投資回收期為5.09年。

此外，根據(jù)GE公司提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)施燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造后：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)及透平部件的檢修間隔均由24 000 h延長到32 000 h，燃?xì)廨啓C(jī)大修檢修間隔由48 000 h延長到64 000 h，1個(gè)大修周期內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)可運(yùn)行時(shí)間增加16 000 h，可用率提高30%；燃燒室及透平一、二、三級(jí)噴嘴，動(dòng)葉，護(hù)環(huán)等熱通道部件壽命也將由72 000 h延長到96 000 h，設(shè)備折舊成本也將有所降低。

4 結(jié) 語

對PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)施AGP改造，能夠提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，有利于爭取更有利的節(jié)能發(fā)電調(diào)度排序，提高機(jī)組競價(jià)上網(wǎng)議價(jià)能力，延長燃?xì)廨啓C(jī)檢修周期，降低維護(hù)成本，提高企業(yè)市場綜合競爭力。技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析表明，某廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)施PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)AGP改造后經(jīng)濟(jì)性較好，投資回報(bào)期短。

值得關(guān)注的是，實(shí)施AGP改造后，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組部分配套設(shè)備，特別是余熱鍋爐、汽輪機(jī)、燃機(jī)發(fā)電機(jī)、主變壓器等設(shè)備，可能將接近自身容量極限或運(yùn)行參數(shù)極限，建議配備PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)的其他電廠在實(shí)施AGP改造前對全廠關(guān)鍵配套設(shè)備進(jìn)行必要的核算、檢查和試驗(yàn)，分析設(shè)備的健康狀況，并對影響改造方案的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)性維護(hù)，以有針對性的制定AGP改造方案。

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Feasibility of hot gas path components upgrading for a PG9351FA gas turbine

LI Yunfeng1, JIANG Hongwei1, LU Xiaoyu2, XIA Lin2, HU Mengqi2

(1. SPIC Zhuhai Hengqin Cogeneration Co., Ltd., National Power Investment Group, Zhuhai 519000, China; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The upgrading technology for hot gas path (AGP) components of GE's PG9351FA gas turbine is introduced. On the basis of the actual situation of a combined cycle power plant (CCPP), the retrofitting principle and scheme for the AGP upgrading are analyzed and proposed, and the corresponding change of the CCPP’s thermal performance, investments and earnings are also evaluated. The results show that, the AGP upgrading for the PG9351FA gas turbine can improve the CCPP’s power output and thermal efficiency. The AGP upgrading has good economic benefits and a short payback period. Moreover, it suggests that necessary check computations, inspections and tests should be carried out on the key accessorial equipments before the retrofitting is carried out, so as to make the most suitable transformation scheme.

gas turbine, PG9351FA, combined cycle, hot gas path components, retrofitting, feasibility, economy

TK472

B

10.19666/j.rlfd.201901006

李云峰, 姜紅衛(wèi), 魯曉宇, 等. PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件改造可行性分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 138-142. LI Yunfeng, JIANG Hongwei, LU Xiaoyu, et al. Feasibility of hot gas path components upgrading for a PG9351FA gas turbine[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 138-142.

2019-01-08

李云峰(1971—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電廠建設(shè)及設(shè)備運(yùn)行檢修，hljlyf@163.com。

（責(zé)任編輯 李園）