基于天然氣聯合循環電廠的熱量—功率—燃氣容量分析

姜海燕

摘 要：以天然氣為燃料的熱電聯產電廠是連接天然氣管道、電網及區域供熱管網的中心樞紐，因此這種燃氣電廠的供熱量、供電量和燃料消耗能力是協調城市能源系統的關鍵。本文根據能量守恒定律，建立燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的過程模型，通過仿真設計，得出一組邊界數據。通過這些數據可為燃氣電廠在城市能源系統的協調上反饋一定的信息。

關鍵詞：熱電聯產 供熱量 供電量 天然氣消耗量

中圖分類號：TM611.31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0111-02

1 系統配置

（1）系統描述。

系統主要由燃氣輪機（GT）、背壓抽氣式汽輪機（ST）、余熱鍋爐（HRSG）、熱交換器（EX）組成，如圖1所示。

汽輪機（ST）中的蒸汽被分為兩部分：一部分帶動汽輪機發電，經凝汽器冷凝后，

抽回到余熱鍋爐中作為給水；從汽輪機抽取的另一部分蒸汽作為熱交換器的熱源。熱網的回水被加熱后，繼續循環到熱網系統中；熱交換器中的水凝結后被抽回到余熱鍋爐中作為給水。因此，我們可以通過調節蒸汽流量參數和恒負載情況下抽汽流量來操控機組供熱量和功率。

（2）系統分析。

為進一步分析燃氣電廠的原料供給及消耗水平，我們用GateCycle軟件模擬一個燃氣電廠（圖略），并用6條邊界曲線來分析燃氣電廠中的熱功率與燃氣的關系。

①曲線1：熱量-功率上限。

當流量保持在最大值時，燃氣輪機發電量也為最大值。隨著蒸汽量損失增加，蒸汽輪機的功率就會下降，從而降低了整個系統發電能力。

②曲線2：熱量-功率下限。

當燃氣輪機負荷保持在最低值時，損失的蒸汽量會隨著供熱量的增加而增加，從而降低了燃氣輪機發電量。當低壓蒸汽流量達到它的最低閾值時，整個系統的電量曲線會存在一個轉折點。過了該轉折點，系統的發電量隨著供熱量、進氣量以及蒸汽量的上升而上升。

③曲線3：熱量-燃氣上限。

天然氣流量的最大值對應燃氣輪機的最大負荷。

④曲線4：熱量-燃氣下限。

天然氣流量的最小值對應燃氣輪機的最小負荷。

⑤曲線5：燃氣-功率上限。

蒸汽出口流量值為0時，發電量將達到最大值。若將供熱量保持在0，那么燃氣-功率的上限值是一一對應的。

⑥曲線6：燃氣-功率下限。

當燃氣供應量由最小值變為最大值，ST蒸汽流量也保持在最小值時，就得到了功率下限值。

（3）過程模擬。

下面采取三套仿真設計來分析系統燃料的供應和消耗能力。

曲線1、曲線3：將燃氣流量保持在最大值，把熱交換器的蒸汽流量由0變為區間的最大值，通過仿真計算出系統發電量、供熱量及燃氣消耗量。

曲線2、曲線4、曲線6：將燃氣輪機負荷保持在最小值，將熱交換器蒸汽流量從區間0值逐漸增加到低壓蒸汽流量最小值；然后逐漸增加燃氣輪機負荷，同時保持低壓蒸汽最小值不變，直至熱交換器蒸汽流量達到區間最大值，然后記錄系統發電量、供熱量及燃氣消耗量。

曲線5：保持電加熱器蒸汽流量為0，將燃氣流量由0逐漸增加到最大值，然后進行仿真并記錄系統發電量。

2 系統分析

（1）組態軟件設計。

我們按照滿負荷情況下建立仿真模型。分別采用100%、75%、50%負荷進行仿真結果數據驗證。下面我們通過改變功角來改變燃氣主機負荷（負荷從30%～100%）。

（2）結論與討論。

系統仿真結果如圖2至圖4所示。曲線A表示在無供熱情況下的燃氣-功率之間的關系；曲線B和曲線C分別表示在最大和最小燃氣量情況下的熱量-功率之間的關系；曲線D表示當LP和ST在最小蒸汽流量工況下熱量-功率-燃氣之間的關系。這四條曲線總體可以用來描述熱量-功率-燃氣消耗量的邊界容量。

3 結論

根據能量守恒定律建立的天然氣熱電聯產電廠，通過三種仿真設計，得到了四條曲線，這四條曲線組成的閉合邊界范圍描述了熱量-電量-燃氣量之間的關系，因此可被作為城市能源系統調度的一種方式。endprint