9E級燃氣電廠進氣加熱提效技術(shù)應(yīng)用項目經(jīng)濟可行性研究

王文飛，朱鴻飛，嚴志遠

(國電環(huán)境保護研究院有限公司，南京 210031)

目前，我國燃氣輪機電廠主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰功能，電廠需根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求調(diào)整燃氣輪機功率，故很難保證燃氣輪機的滿負荷運行[1-2]。常見的重型燃氣輪機均設(shè)有進氣導(dǎo)葉(IGV)，通過調(diào)節(jié)IGV以降低燃氣輪機機組出力[3-4]。但當(dāng)燃氣輪機負荷低于額定負荷的85%時，IGV調(diào)節(jié)已不能滿足燃氣輪機負荷的調(diào)整，此時燃氣輪機將通過降低透平前溫來減小燃氣輪機負荷[5]。而燃氣輪機長期在部分負荷區(qū)間工作，將大大降低運行效率，熱耗率上升，如圖1所示。

圖1 燃氣輪機負荷率與熱耗率關(guān)系曲線

此外，我國北部地區(qū)冬季寒冷，沙塵和霧霾等極端天氣常有發(fā)生，造成燃氣輪機進氣系統(tǒng)袋式粗濾和除濕板表面結(jié)冰、結(jié)霜、堵塞，從而引起燃氣輪機進氣系統(tǒng)差壓迅速上升，危及機組正常運行[6]。

2017年3月，天津華電福源熱電廠為了解決燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)低負荷運行時效率降低的問題，同時防止進氣系統(tǒng)在惡劣天氣條件下出現(xiàn)冰堵和濕堵[7]，委托國電環(huán)境保護研究院開展燃氣輪機進氣溫度控制技術(shù)研究工作。

1 進氣加熱提效技術(shù)國內(nèi)外研究概況

國內(nèi)外關(guān)于燃氣輪機進氣加熱技術(shù)的研究均集中在滿負荷工況，并且技術(shù)的應(yīng)用主要為防止進氣系統(tǒng)冰堵和濕堵[8-9]，而對于部分負荷條件下通過進氣加熱提高機組效率的研究除國電環(huán)境保護研究院和三大主機廠商外，目前國內(nèi)其他科研機構(gòu)和高校還未開展。本研究的開展和技術(shù)應(yīng)用將極大地提高國內(nèi)外燃氣輪機領(lǐng)域技術(shù)人員對于燃氣輪機進氣加熱技術(shù)的認識和理解，推動燃氣輪機廠家針對中國燃氣輪機的應(yīng)用現(xiàn)狀優(yōu)化機組設(shè)計。

燃氣輪機進氣加熱技術(shù)根據(jù)熱源的不同可以分為壓氣機抽氣式加熱、翅片管換熱式加熱、電加熱等。目前，針對我國燃氣輪機機組部分負荷運行的特點，國電環(huán)境保護研究院、西門子、GE等研究機構(gòu)開展了翅片管換熱式加熱研究，利用燃氣輪機電廠的余熱對燃氣輪機入口空氣進行加熱，降低燃氣輪機機組發(fā)電熱耗，提高聯(lián)合循環(huán)機組的整體運行經(jīng)濟性[7]。

本技術(shù)路線的技術(shù)可行性在相關(guān)文獻已有充分論述[1，7-9]，而經(jīng)濟性論證還未有開展。本文主要從經(jīng)濟性角度研究燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效技術(shù)的可行性，為燃氣輪機發(fā)電行業(yè)部分負荷運行優(yōu)化提供決策參考。

2 進氣加熱提效技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 燃氣電廠概況

天津華電福源熱電廠位于武清開發(fā)區(qū)，是天津重點惠民工程，也是國內(nèi)首座“五聯(lián)供”能源站。電廠概況見表1。

表1 華電福源熱電廠情況表

2.2 進氣加熱方案選擇

通過對壓氣機抽氣式加熱、翅片管換熱式加熱和電加熱三種常見進氣加熱技術(shù)的對比研究發(fā)現(xiàn)：電加熱技術(shù)存在運行費用高、改造收益差的問題；壓氣機抽氣加熱技術(shù)會導(dǎo)致機組效率下降[10-12]，不適合長期運行。故從長期運行、提升燃氣輪機部分負荷運行的經(jīng)濟性方面考慮，采用翅片管換熱式加熱技術(shù)。在現(xiàn)有燃氣輪機進氣系統(tǒng)條件下布置翅片管換熱器[7]，用余熱鍋爐熱水加熱方式對燃氣輪機進氣進行加熱。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 燃氣輪機部分負荷進氣加熱提效系統(tǒng)流程圖

2.3 進氣加熱系統(tǒng)組成

燃氣輪機進氣加熱系統(tǒng)由換熱器組(1組換熱器)、循環(huán)水泵(2臺，1用1備)、管道和控制系統(tǒng)等部分組成。換熱器組由多個換熱器模塊、支架及旁通擋板組成，并預(yù)留凝結(jié)水收集盤、擋水板等裝置安裝位置。換熱器安裝在燃氣輪機進氣室外、進口防雨罩前，最大設(shè)計運行負荷為將12.5 ℃進氣溫度加熱到33 ℃。循環(huán)水泵的作用是向換熱器組提供和輸送足夠揚程和流量用于加熱進氣的余熱鍋爐熱水。進氣加熱系統(tǒng)設(shè)置一組共2臺(100%總流量)循環(huán)水泵，按運行時1用1備考慮。

進氣加熱系統(tǒng)設(shè)置獨立的控制系統(tǒng)，初期為了試驗調(diào)試方便采用PLC(programmable logic controller,可編程邏輯控制器)控制方式，項目通過驗證后將改造成DCS(distributed control system,分散控制系統(tǒng))控制[7]。

3 項目經(jīng)濟可行性研究

3.1 項目投資

通過對主設(shè)備的采購和安裝進行詢價，并依據(jù)國家能源局發(fā)布的《火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定》、《電力建設(shè)工程概算定額》(2013年版)和《火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定》對投資進行估算[13-16]，改造總投資為653萬元，費用估算見表2。

3.2 項目收益

本項目通過利用尾部煙氣余熱對部分負荷燃氣輪機進氣進行加熱，提高機組部分負荷效率，獲得經(jīng)濟和社會效益。

(1) 部分負荷機組效率提升收益

燃氣輪機進氣加熱技術(shù)能夠在機組部分負荷工況下提高燃氣輪機機組的發(fā)電效率，從而降低機組熱耗，節(jié)省燃料[17]。通過對進氣加熱前后相同工況條件下燃氣輪機機組發(fā)電效率的比較，分析計算其發(fā)電熱耗的降低值，再通過機組功率和運行時長計算得到其節(jié)省的天然氣價格，最終獲得進氣加熱技術(shù)節(jié)省燃料收益[18]，其中電價0.598元/(kW·h)(不含稅)、天然氣價格1.900元/m3(不含稅)，計算結(jié)果如表3所示，共節(jié)約支出收入305.90萬元。

從表3可知，福源熱電廠單臺機組采用進氣加熱技術(shù)年收益為305.90萬元。

(2) 進氣過濾器國產(chǎn)化替代收益

本項目采用燃氣輪機進氣加熱技術(shù)后，提高了機組燃氣輪機進氣系統(tǒng)抵抗高濕、低溫等復(fù)雜氣候的能力，提升了燃氣輪機進氣系統(tǒng)的安全裕度[19-20]，可用價格更低的國產(chǎn)進氣過濾器替代價格昂貴的進口過濾器，由此年節(jié)省過濾器采購費用80萬元。

(3) 社會效益

通過本項目技術(shù)應(yīng)用大大提升了燃氣輪機機組部分負荷工況的發(fā)電效率，大大減少了溫室氣體排放量。根據(jù)測算，年減少CO2排放量約3 000 t[21-22]，取得了顯著社會綜合效益，為該廠建立環(huán)境友好型企業(yè)做出了突出貢獻。同時，本項目技術(shù)應(yīng)用大大增強了機組在冬季供熱季節(jié)運行的安全性和穩(wěn)定性，為電廠圓滿完成保民生供熱任務(wù)創(chuàng)造良好的條件[23]。

3.3 項目經(jīng)濟可行性分析

項目經(jīng)濟效益分析依據(jù)國家計委《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》(第三版)、國家能源局發(fā)布的《火力發(fā)電工程經(jīng)濟評價導(dǎo)則》及現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定和財稅制度，財務(wù)評價及經(jīng)濟效益分析原始數(shù)據(jù)見表4[24]。

項目主要經(jīng)濟可行性分析指標見表5。

經(jīng)濟性分析可見：本項目投資內(nèi)部收益率為44.3%，大于電力行業(yè)一般規(guī)定的8%，也高于銀行長期貸款利率；靜態(tài)投資回收期為3.26 a。通過對項目投資內(nèi)部收益率、投資回收期、財務(wù)凈現(xiàn)值等財務(wù)數(shù)據(jù)分析，說明本項目具有較好的經(jīng)濟效益[25]。

3.4 經(jīng)濟敏感性分析

為了考察投資額、氣價對項目經(jīng)濟效益的影響，在其他邊界條件相同的情況下，作單因素敏感性分析[26]。

財務(wù)指標對投資的敏感性分析見表6。

表6 敏感性分析成果表

財務(wù)指標對氣價的敏感性分析見表7。

表7 敏感性分析成果表

同時，由敏感性分析可見：當(dāng)投資、氣價在一定范圍內(nèi)波動時，財務(wù)內(nèi)部收益率、投資回收期仍然能滿足評價要求?？梢姡椖烤哂休^強的抗風(fēng)險能力，財務(wù)評價可行[27]。

3.5 項目經(jīng)濟性驗證

2018年10月，業(yè)主委托第三方(華北電力科學(xué)研究院)開展性能考核試驗，結(jié)果表明：本技術(shù)在燃氣輪機部分負荷下能夠提升該機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率0.89個百分點以上，年節(jié)能經(jīng)濟收益大于400萬元，項目投資回報期小于3 a。

可見，本技術(shù)的應(yīng)用能明顯提高燃氣輪機機組部分負荷下的效率，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟收益，同時，還有效解決了北方地區(qū)進氣系統(tǒng)冰堵和濕堵問題，顯著增強了燃氣輪機機組復(fù)雜氣候條件下的運行安全性。

4 結(jié)論

本文從經(jīng)濟性角度分析得出，進氣加熱技術(shù)在天津華電福源熱電廠的應(yīng)用中，項目改造投資總額約653萬元，投資內(nèi)部收益率達到44.30%，投資回收期為3.26 a，具有很好的投資回報。投運后經(jīng)第三方單位性能考核試驗結(jié)果表明，實際運行經(jīng)濟性超過項目設(shè)計情況，經(jīng)濟社會效益顯著，獲得了極大的同行關(guān)注度，有較強的行業(yè)示范效應(yīng)。