联合循环解决方案：模块化电厂设计

I. 引言

出于对电厂运营成本及盈利需求的考虑，如今的设备供应商更专注于生产高热能效、减排和操作灵活的设备。已安装投入运行的联合循环电厂同样经受着部分负荷需求、快速调节及循环力等考验。拥有航改式燃气轮机的联合循环电厂便可以完全满足这些弹性需求。此外，燃机和发电机设备的安装采用模块化应用，这一趋势也将应用于联合循环电厂。模块化航改型燃机动力岛结构设计也纳入到一些示范联合循环电厂的升级改造中。模块化系统的显著优势包括：汽轮机可以整体打包出厂，拥有用于干锅炉设计的快速启动功能，以及使现场安装速度更快的预组装设备。基于模块化动力岛设计的示范电厂，能够发挥电厂最大灵活性，其中包括最快启动时间、最高部分载荷效率和可循环能力。

二合一LM6000®联合循环电厂中心动力岛模块包括两套LM6000燃机发电机组、两套直流式蒸汽发生器和一套整体快捷安装的汽轮机发电机组。航改型联合循环电厂的成熟优势还包括：不增加任何维护费用，便能够提高部分电能效率和循环能力。已安装的设备同样证实，LM6000联合循环示范电厂包括工程设计和产品交货到安装和调试，全部周期只有24个月。模块化结构的设计最终减少了开发时间、降低安装费用并降低整体风险。

II. 充满活力的市场

如今的联合循环电厂正经历着部分载荷运行、耐电压波动、快速调节等需求的持续增长。多元的市场条件驱动了GE航改燃气轮机的使用，解决了系统负荷及更高能效的需求。在过去的15年，GE LM6000二合一及三合一设备不断推出新品，满足了市场对200兆瓦以下可变负荷的需求。

政府规定:

可再生能源、新煤炭计划禁令、二氧化碳排放价格提高及核能计划指引了电力发展的方向。清洁高效能源转换的成熟技术已经经过验证，政府政策导向也进一步推进这一进程1。这也正是联合循环燃气涡轮机采用的技术。

国家及地区政府监管部门正推动电力前景的转变。整体来说转变主要体现在新设计电厂项目时使用最高效率技术的趋势。LM6000是200兆瓦以下联合循环电厂能效最高的机组之一，能够提供达55%的联合循环效率2 。多国政府还提出了“绿色”电力生产设备的要求，LM6000升速率可以达到50兆瓦/分钟的负载能力，可以保证整个电网的稳定性。通常情况下，单循环电厂的峰值设计对负载需求进行了考虑，但联合循环电厂可以利用航改型燃机的固有能力实现同样负荷。

分布式能源

另一种用于发电和配电的替代电网结构是分布式发电（DG）。分布式发电的优势包括改善电压等级、降低配电损耗、对当地电力需求快速反应等。在，分布式发电厂通常应用于人口密度较高区域等有限环境中。分布式发电技术在大城市变得越来越流行，纽约、墨西哥城等大都市早已应用LM6000单循环分布式发电技术。较轻的重量、较少的占地面积及标准化箱装体的运输设计等优势，使LM6000动力岛成为高密度人口区域内最适合的分布式发电应用。

LM6000既有前文所提到的高能效，也易于在人口密集地区发展。一个很好的例证就是安装在硅谷（圣克拉拉，加利福尼亚州）的二合一LM6000分布式发电设备。该设备占地约0.7公顷，功率超过150兆瓦，既满足人口稠密地区不断增长的电力需求，同时满足加利福尼亚州严格的政府规定。

操作灵活性:

随着全球电力市场的波动，自初始发展阶段至今，很多电厂的运行方式已发生变化。在一些地区，单循环调峰电厂已满足基本负荷运行的需求；与此同时在另外一些地区，联合循环电厂却可能由于需求减少而降低负载。联合循环设计拥有单循环的优势，并具有比单循环更灵活的操作性。联合循环电厂设计采用直流废热回收系统，为操作者提供便捷的单循环操作模式，使蒸汽循环在10分钟内便可达到相应的压力和温度。此外，其直流锅炉的设计应用使循环能力与燃机几乎一致。在联合循环中的LM6000实现了单循环运能且在联合循环下具有可变负载的能力，保证了频繁的启动和停止、以及减少负载和瞬态负载条件等扩展操作。

III.动力岛模块

示范电厂的整体配置可参考图1。由于电厂独特的位置，动力岛示范电厂采用成套工程设备(EEP)模式，确保工厂发电量和热效率。

模块方案包括前期工程和工厂模块化生产，利用现有设备，及可应用的设计，打造预设动力岛（PDPI）。预设动力岛的设计包括组成联合循环电厂发电机部分的基本要素。示范电厂材料还包括一个参考的安装时间表，帮助压缩项目时间、减少费用。其他参考材料还包括总体安排和单线图。这使得项目设计能够在大部分110到130兆瓦电厂中重复使用。此外，该设计还能够升级为三合一电厂配置配置，满足从150到180兆瓦的大部分电厂需求。

燃气轮机:

LM6000燃气轮机产品线的优越性包括排气能量提高了18%，功率提高了25%2。最新型号的LM6000 PG和PH由于在材料技术上的进步和燃机热通道冷却方法的改善，拥有更高的点火温度。这意味着现蒸汽压力和温度和整体蒸汽循环效率都得到提升。这些改进都有助于联合循环电厂能效的提高。例如，GE应用于二合一联合循环的最新干式低排放技术(DLE)，能够使净功率达到125兆瓦电力，效能达到55%。

二合一联合循环电厂模块设计以LM6000 GTG 燃机为原型。已实现超过700套的电厂应用。LM6000 GTG在原有设计基础上应用了更多的模块化设计。新LM6000模块化设备与前代相比，互连布线和管道减少了70％。设计改进也使占地面积更小，实际应用中，设备占用空间减少了25%。LM6000的总体安装和调试（I＆C）时间最终减少40％。

余热锅炉:

示范电厂将使用直流蒸汽发生器和二次干燥冷却，使水资源利用最小化而灵活性最大化。直流蒸汽发生器的设计同样最大限度地利用了模块化设计，共分6个模块制造。和采用汽包式余热锅炉设计相比，直流蒸汽发生器从劳动力、材料、设备方面节省了75%的花费。单压、双压锅炉均可运用于LM6000。此外，SCR和COR型号也能够应用相同的模块化形式。

汽轮机:

GE石油和天然气集团生产从3兆瓦到100兆瓦的全系列汽轮机。为满足二合一LM6000联合循环电厂的输出能力要求，优化了汽轮机大小。这使得一些LM600的设计趋于标准化，降低了整体成本，并为模块化动力岛提供了最佳支持。这在降低成本和保证交货周期的前提下，实现了最高可靠性和最佳性能。

此外，全新的低压设计已应用于汽轮机中，其转速及大小可变范围更大，更好地适应各种冷凝阶段。蒸汽轮机的叶片也进行了改造，提高了速率、流速能力、可靠性及效率3。

GE公司采纳了应用于50兆瓦汽轮机系列的模块化组件结构，在不影响涡轮机机性能的前提下，通过标准化降低了成本、提高了可靠性。包括轴承标准（轴承座）、进气系统部分、进气口抽汽阀齿轮、排气系统的组件模块构成了基本的产品线。这就使工厂打包的概念类似于燃机发电机组，从而规范了动力岛的互联。这其中还包括围绕最大限度减少仪器电气连接和在接线箱处利用弹性线管的设计。管道设计了高压油储藏、润滑油和控制油管道、仪表管和蒸汽密封管等多种管道。这些仪器和管道的预设计及橇装设计保证了更快的安装时间和与动力岛更方便的连接。

控制系统：

分布式控制系统(DCS)的目的是监控GE整体多轴联合循环电厂的控制架构。其主要控制地位于中央控制室。该控制室内有操作台、打印机、汽轮机控制系统操作界面、工程工作站和其他辅助设备。分布式控制系统具有远程控制功能，电厂操作人员可以对硬线连接及场地设备（如控制电磁阀和电机启动器）进行直接控制；也可以对数据连接及远程控制设备（如燃机、汽轮机、软化水系统等）进行间接控制。分布式控制系统和设备控制系统均具有可容错这一特点。分布式控制系统由冗余的CPU和电源提供电能。控制系统和监管性的分布式控制系统之间通过冗余的以太网数据通道进行通信。

可选项：

上文中提到的所有主要工程设备都是为了将联合循环电厂中的模块化设计最大化。虽然这种二合一模块设计满足了大多数功率在120-135MW之间的联合循环应用，但还需根据现场条件和运行状况提供不同的可选项。LM6000示范电厂具有模块化的可选项，其中包括可使用不同配置的LM6燃机，BOP 如冷却系统，或干燥冷却电站周围主要部件的能力。可选项将会根据二合一LM6示范电站来进行先期设计。

示范电站：

示范电站的设计为模块化LM6000 联合循环电站提供了设计样本。其总体设计如图1所示。有了指定的工程设备和布局，规划者可以据此建造一个可复制的技术成熟的联合循环电站。复制设计的方式可以确保在电站的安装过程中，做到高质量、低风险，这是因为通过标准化的设计，下列项目在整个建设过程的早期就已经提出了：
工程设备包之间的互联已确定
控制系统整合
主要蒸汽管道和二次加热蒸汽管道温降计算

图1-配备有空气冷凝器的GE二合一参考电厂

工程周期：

根据现有经验，LM6000 联合循环示范电厂显示其整个安装调试周期仅为24个月，其中包括工程设计时间和产品交付时间。这一时间长度已在多伦多机场二合一电站的安装过程中得以证实。另外，多伦多项目还证实了单循环运行可在九个月内完成这一事实。

示范电厂性能：

示范电站设计可使用行业标准化建模方法方便地进行建模。图2展示了典型的LM6000 PH二合一配置。

图2-LM6000 PH 二合一性能

模块设计的优势就在于它可将一些标准配置进行“预建模”，以迅速地根据现场状况进行调整，达到电厂内的热平衡、水平衡并充分发挥整厂性能。

IV. 技术概述

当安装联合循环航改型平台时，电厂模块化和系统整合还可以为客户带来更多好处。根据实际运行经验来看，这些好处包括提高部分功率的效率，在不增加维修成本的情况下进行联合循环、改变负荷并降低规划和安装的风险。

负荷变化：

一旦上线，航改型技术可利用航空发动机的优点，通过控制节流阀的大小来满足负荷变动的要求。LM6000可在一分钟内从同步闲置调整至全负荷，也可在短时间内根据负荷变动要求进行相应调整。燃机发电机生命管理的关键在于精准的周期计数，而LM6000在软件包内置有循环计数跟踪功能。

多机组LM6000可统一调整负荷变化。图3是一个拥有四台LM6000的独立厂区，分别显示了每个机组和联合机组的输出功率。这四套燃机的升速率超过34兆瓦/分钟。动力岛设计可以使二合一联合循环电厂拥有类似的负荷变化能力。

4xLM6000的升速率每分钟超过30兆瓦

图3-负荷变化模式下的LM6000

负荷变化得益于燃机可以迅速加速或减速，这也是LM6000的标准特性。因此不需改变已规划好的维护时间表（基于点火时间），也不增加维护成本。如果一个单独机组将升速率最大化到每分钟50兆瓦，那就要在燃机上附加一个周期计数装置。现有LM6000产品的循环标准是超过6400转。此外，PG/PH在设计上的改变使燃机的寿命延长了40%，这在同等大小的燃机中是最长的，而且也为负荷变化提供了良好的长期支持。

快速启动：

示范电厂里的直流蒸汽发生器具有快速启动的能力，在许多情况下，它可以在45分钟内为全负荷提供蒸汽。直流蒸汽发生器可在无水环境下启动，无需像标准余热锅炉一样加热锅炉包中的水。此外，通过更新控制系统，一些联合循环电厂可以在30分钟内达到满负荷。

另外，直流蒸汽发生器可在无水情况下运行，因此不需要设置旁通。这就意味着燃机发电机在为单循环电力供电时，可在10分钟内达到满负荷。这种情况可在维修前运行16000小时。

维修：

制订维修计划时，主要根据燃机发电机的状况制订整个联合循环电厂的维修计划。航改型燃机发电机已发布维护指南，大致如下：

运营时间计划维修
4,000 孔探仪检查
25,000热区域更换
50,000 燃气轮机大修

需要说明的是，燃机的维修视情况而定，LM6000亦如此。这意味着热区域更换和大修时间都无需严格遵循上表。实际时间取决于孔探仪检查结果和控制系统的运行数据。

动力岛工程设备包中其他部件的维护时间可遵循燃机维修时间，利用电厂停机时间进行维修。其他主要部件的维护可在燃机维护时进行，以最小化计划停机时间。正如前面提到的，一个需要持续监控的条件便是直流蒸汽发生器必须干燥运行。在这种情况下，其无需维修的上限是16000小时。

另外，电厂的循环和负载变化不会影响工程设备包的部件。燃机发电机的循环周期上限超过10000小时，直流蒸汽发生器可以与LM6000的循环运行相匹配。汽轮机发电机的主要部件都根据电厂的循环运行进行设计和测试，包括外壳（casing）截止阀，转子和高压、低压叶片在内的主要部件都进行重新设计和测试。这些应用都经过现场测试（现场位于意大利的LM6000联合循环电厂，配有油气汽轮机发电机）。所有结果表明，所有被测试部件的寿命都超过了预期寿命。

降低风险：

工厂工作做得越多，现场任务就会越少。动力岛的模块化设计与工程设备的预先设计密切相关。这将有助于减少工程总体设计时间和安装调试过程中所需人力，从而降低整个项目的工时。而现场工作需求的减少，也降低了工程的财务风险。最后，模块化设计是一个可复制的过程，而且将帮助安装者减少学习时间。

V. 总结

GE将多年来在航空领域的技术运用到工业应用，为客户提供了强劲、高效及可信赖的GE航改型燃机产品。随着进一步研发工作的不断开展，创新技术不仅会应用于燃机，还将应用于电厂从成套设备设计到产品应用的各个方面。发电设备市场正经历着持续性地变革，运行的灵活性是发电机最大化盈利的关键，也是确保客户满意度的关键。通过对航改型燃机的优化，许多电力供应商正在寻找新的途径，从成熟的技术中获利。

LM6000最近的改进，为电力生产行业中许多新市场的开发提供了支持。作为“50兆瓦单循环的顶峰”，LM6000已经扩展到50兆瓦以上的应用，并且依靠其一流的效率被应用于多个联合循环电厂中。此外，该燃机已经有超过700次的电厂应用，丰富的安装经验为设计模块化联合循环电厂提供了支持。LM6000将继续利用其航改型燃机的优点，提高电力生产者的经济效益，以响应不断变化的市场需要。

参考资料：
1. 数字产生效率，机械工程学——美国机械工程师协会杂志，Lee S. Langston
2. GE LM6000 PG/PH 在欧洲电力展上发布
网址：www.gepower.com/about/press/en/2 008_press/060408b.htm
3. 不断变化，分布式能源，2010年一二月期刊，Don Talend
4. 今日多伦多皮尔逊，2006年一二月期刊，第三页，Jason Ritchie