浏览次数：233一、立项背景
近年，随着首都北京的城市规模不断发展，冬季热负荷需求不断攀升。北京作为政治、文化、国际交往中心，对绿水蓝天的要求也更加严格。当前北京已基本完成供热的煤改气目标，而大型燃气—蒸汽联合循环机组因有着清洁高效、供热负荷集中等特点，且处在城市核心热负荷区的独特区位优势，承担着城市供热的主要任务，供热季热负荷需求较高，也因此机组对电负荷要求也较大。但是受华北电网供热季电网运行特点所限，全网整体用电负荷不高，而且电网调峰需求明显，因此无法保证机组高负荷运行，机组供热能力无法满足供热需求。并且，随着清洁风电的消纳问题，更进一步压挤了火电机组的负荷空间，因此对供热机组热电解耦的要求，提出了更加严峻的挑战。
当前北京各燃气电厂进入冬季供热期后，为保证城市供暖，机组均切至背压方式运行，此时机组供热比已达当前技术条件下的最大值，约为0.495左右。以一套SIEMENS 9F级二拖一联合循环机组为例，冬季二拖一背压满负荷时热负荷可达2100GJ/h，基本可满足供热要求。[3]但是，当机组处于部分负荷时，仍无法满足热负荷需求，因此热力调度常需要启动效率较低、耗电率较高的尖峰燃气热水锅炉进行替代运行，并且启动时间较长，不能及时补充热量缺口，调节方式也不够灵活。
因此，针对北京目前的冬季供热形式，如何进一步提高背压工况下联合循环机组的供热比，提升热电解耦能力，便成了迫切的民生需求。并且这也是各联合循环热电机组提升自身技术能力、提质增效的关键挑战。
二、技术原理
2.1 HCO原理介绍
液压间隙优化技术（Hydranlic Clearance Optimization，缩写为HCO）是通过专门的液压油系统调整燃气轮机转子的轴向位置，降低燃气轮机因轴向间隙大造成的能量损失。 燃机HCO切换至主推力面位置时，转子向压气机进气口方向的移动，燃机透平叶顶与气缸间隙减小，透平效率的增加，压气机叶顶与气缸间隙增大，压气机效率降低。但是燃机透平增加的效率要大于压气机损失的效率，因此机组净效率升高。[4]
如下图2 HCO原理图所示，由于燃气轮机设计的特点，压气机气道的锥度α1远小于燃气透平的锥度α2，当转子沿轴向位移与气流反向移动位移△X时，燃气透平的间隙减小量dy2远大于压气机的间隙增加量dy1，使燃气透平增加的功率大于压气机损失的功率， 即：
dy2=△X·tan（α2）
dy1=△X·tan（α1）
图2---HCO系统原理图
实际运行参数显示，SIEMENS F(4)型燃机在主推力面运行时燃机功率可提升约3-5MW，效率提高0.3个百分点。[5]
2.2 提升联合循环机组热电比原理介绍
2.2.1 指标分析
（1）联合循环机组供热比计算公式如下[6]：
热电比 = Q/(Q+P*36)
Q：供热量
P：发电量
（2）供热量计算公式如下：
Q = Q ?﹢Q ?
Q ?：烟气余热回收供热量
Q ?：汽机排汽供热量
（3）机组总负荷P，计算公式如下：
P = 2*P ?+P ?
P ?：燃机负荷
P ?：汽机负荷
由公式（1）可以看出：相同电负荷前提下，供热比越高，供热量越大，供热能力越强。
由公式（2）总供热量受烟气余热回收供热量和汽机排汽供热量影响，汽机负荷占比越高，总供热量越大。
由公式（3）可看出，总负荷相同情况下，若提升联合循环机组中汽机负荷（P ?）占比，须降低燃机负荷（P ?）占比。
2.2.2 技术原理
HCO主、辅推力面切换前后T-S图，如下图3：
图3---HCO HCO主、辅推力面切换前后T-S图
机组冬季供热期处于背压工况运行时，若将燃机HCO系统切换至辅推力面运行，会导致燃机透平运行效率降低；如T-S图所示，布雷登循环4点升至4＇点，燃机出力下降。同时，由于透平侧叶片顶部和气缸之间的间隙增大漏气量增加，从而使燃机排气温度升高，使Q ?---烟气余热回收供热量增加，机组供热比增大。
机组接受电网负荷指令P相同情况下，为维持总负荷恒定，燃机需增加燃气流量弥补负荷损失，耗气量增加后进入余热锅炉的烟气量也随之增加，余热锅炉产汽量也将提升。如图3所示，朗肯循环7点升至7点＇汽机负荷P ?占比增加。由于汽机处于背压工况运行，中压缸排汽热量完全被热网回收用于供热，蒸汽量提升必然也会使Q ?---汽机排汽供热量增加，机组供热比增大。
因此SIEMENS 9F级燃气--蒸汽联合循环机组背压方式运行时，通过将燃机HCO系统切至辅推力面运行，可增加机组供热比，提升机组热电解耦能力。
三、现场试验及应用前后参数对比
2020年02月22日02：00，机组负荷450MW，二拖一背压负荷下限运行。将#1、#2燃机HCO系统切至辅推力面运行，切换前后机组运行参数如曲线图所示，详细参数见表一：
SHAPE \* MERGEFORMAT
图4---HCO主、辅推力面切换参数曲线图
表一---HCO切换前后参数对照表
HCO主推面
HCO辅推面
总负荷（MW）
450
450
燃机排气温度（℃）
562
572
锅炉排烟温度（℃）
62
62
天然气耗气增量（Nm3）
---
+350
供热量（GJ/h）
1662
1692
综合气耗（Nm3/KWh）
0.121
0.1196
供热比
0.495
0.5003
燃机负荷
172.8/174.6
171.7/172.2
汽机负荷
103
105
实验数据表明：
机组二拖一背压运行，HCO切至辅推面后燃机排气温度增加10℃，燃机、汽机负荷各增长2MW，天然气耗气量增加约350标方，供热量增加30 GJ/h与性能计算值基本接近。
经过折算，两台燃机HCO切至辅推面运行后，联合循环机组综合气耗降低0.0015 Nm3/KWh，供热比提升0.0053，热电解耦能力进一步增强。
四、取得的经济效益
机组二拖一背压运行，HCO切至辅推面后供热量增加30 GJ/h。按2019年供热季估算，机组利用小时不变，全年二拖一背压运行时间约1350小时，每GJ盈利约60元，全年增加盈利为：
盈利 = 60元*30 GJ/h*1350h =243万元
五、结论
通过现场试验验证：SIEMENS 9F级二拖一燃气--蒸汽联合循环机组背压方式运行时，通过将燃机HCO系统切至辅推力面运行，可增加机组供热比，从而提升机组热电解耦能力。
全负荷区间可增加供热能力约30 GJ/h,供热比提升0.005，综合气耗降低0.0015Nm3/KWh。全年利用小时数不变的情况下可增加供热量约4万GJ，增加盈利约240万元。
可推广应用范围：此技术方案可在所有Siemens 9F级燃气联合循环机组推广应用，安全性、经济性明显。
