燃氣-蒸汽聯合循環能流可視化研究

徐銀文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑤, 孫浩祖

(上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090)

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燃氣-蒸汽聯合循環能流可視化研究

徐銀文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑤, 孫浩祖

(上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090)

基于某電廠F級燃氣-蒸汽聯合循環機組SIS系統中獲取的實際運行數據,使用C#通過AutoCAD Active X和AutoCAD2015進行通信，自動按比例繪制符合燃氣-蒸汽聯合循環機組工藝流程的能流圖，得出各熱力過程能量的流向及其損失，為現役燃氣-蒸汽聯合循環機組能耗在線分析提供指導。

燃氣-蒸汽聯合循環； 能流圖； 能耗分析； 可視化

能流圖作為用能對象統計資料的整理和分析工具，目前已在眾多能源領域得到廣泛應用；但在燃氣-蒸汽聯合循環機組運行中的應用尚少，未見相關文獻報道。目前,燃氣-蒸汽聯合循環電站都有廠級信息監控系統(SIS)對電廠進行實時監控，將運行數據導入熱平衡計算模型，運用能流圖技術，實時對各系統及其設備熱力過程的能流狀態進行定量分析，實現燃氣-蒸汽聯合循環機組可視化監控具有重要的工程意義。

筆者利用成熟的繪圖軟件AutoCAD進行二次開發，研究符合燃氣-蒸汽聯合循環機組工藝流程的能流圖繪制方法，主要體現在該裝置能流載能工質的能量大小、流向、熱力過程的損失，運行小指標的可視化以及聯合循環工藝流程中燃氣輪機(包括壓氣機、燃燒室和透平)、余熱鍋爐、汽輪機等能量轉化特性的圖形表達，可實現電廠能耗在線監測，可視化地適時為電廠節能管理人員提供決策的輔助依據。

1 能流圖及其作用

能流圖，也稱為桑基能量平衡圖[1]。火力發電廠的能流圖[2]是以輸入能量為基準，用百分比形式表示火力發電廠的能源輸入、儲存、輸送、轉換和利用的物理過程的熱經濟性，并依據火力發電廠生產工藝流程按比例繪制成的能量流向圖。作為能流可視化的一種數據分析方法，最明顯特征就是依據用能對象生產工藝流程按比例所繪制的全部主、支能流寬度的總和，應與所有分流的分支寬度的總和相等，即始終保持能量平衡。能流圖也是一種表示載能工質流向的圖形，能夠簡單地將企業能源系統的全貌、總體能源消費結構直觀形象地概括和表達，反映企業在能源輸入、加工轉換、分配輸出、使用等方面的平衡關系[3]。

燃氣-蒸汽聯合循環機組的自動化程度高，硬件上配置的能源數據采集系統、軟件具有的能源計量和數據統計等管理功能，都為能流圖的在線實現奠定了基礎。燃氣-蒸汽聯合循環能流圖表示了聯合循環能源系統內能量流在各個環節的狀態，以及能量轉化過程中工藝技術的完善程度。其路徑是表示燃料(燃氣)進入電廠到最終輸出電功率的能量流動的全過程；交叉與分路反映了各種能源與工藝流程相互間的能量轉換性,將通過各個環節或過程的能流量的大小或相對大小標在該項活動區域的旁邊，表示工藝過程的效率或相對效能[4]。

在管理方面，能流圖有效地串接了能源計量、能源統計和能源分析，成為能源管理中一項重要而有益的工作，同時能流圖還能夠有效地解決下述問題[5]：(1)滿足管理層對能源數據解讀的需求；(2)解決統計報表表達上的局限性；(3)為建立能源信息系統提供支撐，讓能源過程監控成為可能；(4)提供有效驗證能源供需平衡關系計量準確性的有力手段。燃氣-蒸汽聯合循環電站能流圖還有利于開展同類型號機組的對標管理，幫助企業快速找到機組的不足。

2 熱平衡計算

研究對象是一套F級單軸燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，包括一臺型號為V94.3A的燃氣輪機、汽輪機型號為TCF1D、發電機型號為THDF108/5、余熱鍋爐為無補燃三壓一次再熱型，其熱力系統見圖1。

1—余熱鍋爐；2—燃氣透平；3—燃燒室；4—壓氣機；5—發電機；6—3S聯軸器；7—高壓蒸汽透平；8—中壓蒸汽透平；9—低壓蒸汽透平；10—凝汽器；11—凝結水泵；12—高壓給水泵(有中壓抽頭)；13—低壓給水泵；14—除氧器；15—再循環泵。

圖1 無補燃式余熱鍋爐燃氣-蒸汽聯合循環熱力系統

通過SIS系統提取機組的實際運行數據，包括大氣溫度、大氣壓力、大氣相對濕度、燃料氣成分、燃料氣流量、壓氣機濾網壓差、燃氣輪機排氣溫度、余熱鍋爐入口煙氣溫度、余熱鍋爐出口煙氣溫度、爐側和機側蒸汽的流量溫度壓力、汽輪機背壓、燃氣輪機軸功率、發電機總功率等參數。表1、表2為燃料氣成分、熱平衡計算用的部分原始數據。

表1 燃料氣成分表 %

表2 熱平衡計算用的部分原始數據

圖2為圖1所示的燃氣-蒸汽聯合循環系統的能量平衡框圖，按此框圖建立系統的熱平衡模型[6-7]。

1—燃氣輪機；2—余熱鍋爐；3—蒸汽輪機。

燃氣輪機的能量平衡：

(1)

無補燃余熱鍋爐的能量平衡：

Qc1+Qw1+Qstr1=Qst1+Qst2+Qst3+Qa2

(2)

式中：Qw1為從蒸汽輪機的給水回熱系統供入余熱鍋爐的給水所攜帶的熱能；Qstr1為冷再熱蒸汽所攜帶的熱能；Qst1為主蒸汽所攜帶的熱能；Qst2為熱再蒸汽所攜帶的熱能；Qst3為低壓蒸汽所攜帶的熱能；Qa2為從余熱鍋爐排向大氣的燃氣所攜帶的熱能。

蒸汽輪機系統的能量平衡：

(3)

燃氣-蒸汽聯合循環燃氣輪機部分的能流，比如壓氣機耗功、燃氣透平做功等都需要知道燃氣輪機排氣流量才能計算，而在實際工程中電廠只有燃料氣流量的測量，而沒有燃氣輪機排氣流量或者壓氣機進口空氣流量的測量，筆者通過燃氣輪機熱平衡計算出燃氣透平排氣流量。根據燃料氣流量、燃料氣成分、燃料氣溫度計算出燃料氣進入燃燒室的能量，然后通過假定空氣流量，根據燃料氣成分，燃料氣流量和燃氣透平排氣溫度計算得到燃氣透平排氣比焓，由燃氣輪機熱平衡方程迭代計算求出燃氣透平排氣流量。對于余熱鍋爐和蒸汽輪機系統可直接進行能量平衡計算，得到計算結果。

以燃料氣輸入能量為基準，各個用能對象的能流百分比的計算結果見表3。

表3 燃氣-蒸汽聯合循環機組熱平衡能流計算結果

表3(續)

3 能流圖繪制及分析

3.1 能流圖的機器繪制

能流圖遵循的最基本原則是能量守恒定律，根據能流的可視化的路徑，設計出能流的走向。筆者使用成熟的CAD繪圖軟件AutoCAD，進行二次開發[8-9]，實現能流圖形簡單、快速、穩定、高效繪制，實現能流的可視化和用能對象能源的精細化管理。

燃氣-蒸汽聯合循環機組能流可視系統結構見圖3。

圖3 燃氣-蒸汽聯合循環可視系統結構圖

3.2 能流圖的分析

根據燃氣-蒸汽聯合循環能流圖分析機組性能優劣以及分設備燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機的工作狀況(通過效率來體現)，擬定符合其工藝過程的主要流程，繪制燃氣-蒸汽聯合循環能流圖。

圖4為設計繪制的能流圖。

1—燃氣輪機；2—余熱鍋爐；3—蒸汽輪機。

在圖4中，每部分能流的寬度表示該部分能流的實際數值與總輸入能量的比值。能流結點處表示的是設備或工藝過程，主要設備如燃氣透平、余熱鍋爐、壓氣機、凝汽器、發電機，在每個設備處的能量平衡，每個設備的效率可表達在能流圖中。燃氣-蒸汽聯合循環電廠整體能量平衡是燃料氣輸入能量和空氣能量之和等于輸出能量與總損失的和，效率則是輸出能量和燃料輸入能量的比值。

每股能量的數值表示各能量的占比，并且可由輸出能量得占比，直接讀出該燃氣-蒸汽聯合循環的總效率為57.43%，燃氣輪機效率為39.93%，余熱鍋爐效率為87.8%，汽輪機組效率為35%。各項損失從大到小的排序是冷源損失、余熱鍋爐損失、管道損失、燃氣輪機機電損失、汽輪機機電損失、燃燒室損失；其中管道損失比燃氣輪機機電損失和汽輪機機電損失之和還大，可見該廠管道系統散熱、工質泄漏嚴重，應盡快采取措施加強管道的保溫以及進行閥門滴漏檢修。在實際運行中還應密切關注這些損失值的變化，根據需要在線繪制其變化曲線幫助做出運行決策。

在燃氣輪機中，燃氣透平輸出能量占總能量的79.36%，但由于壓氣機耗功很大，占總能量的39.02%，燃氣透平最終輸出能量占總輸入能量的40.34%，可見提高壓氣機的效率，對提高燃氣輪機效率的重要性。燃氣輪機做功輸出能量比蒸汽循環輸出能量大得多，比值大約為2.27。

4 結語

(1) 燃氣-蒸汽聯合循環能流可視化系統能直觀地表達出該系統中各能流的載能工質、大小、方向，以及系統的能量平衡關系，方便進行系統的能耗分析及節能指導工作。

(2) 基于DCS或SIS系統建立的燃氣-蒸汽聯合循環能流可視化系統是數字化電廠建設的組成內容，不僅可以提升電廠信息化管理水平，也可用于機組運行優化和進行同類機組能效對標。

(3) C#計算機語言可通過AutoCAD ActiveX和AutoCAD2015進行通訊，簡單、快速、精準地實現在線繪制燃氣-蒸汽聯合循環的能流圖。

[1] SCHMIDT M. The Sankey diagram in energy and material flow management. Part I: History[J]. Journal of Industrial Ecology, 2008, 12(1): 82-94.

[2] 石奇光, 羅發青, 徐永生, 等. 《火力發電廠能源審計導則》技術特征及工程應用[J]. 華東電力, 2013, 41(10): 2173-2177.

[3] 謝士晨, 陳長虹, 李莉, 等. 2006年中國能流圖[J]. 中國能源, 2009, 31(3): 21-23.

[4] 張建林, 石瑛. 計算機自動繪制能流圖的探討[J]. 能源工程, 1992(4): 24-26.

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Visualization Study of Energy Flow in Gas-Steam Combined Cycle Units

Xu Yinwen, Shi Qiguang, Dong Chenyu, Wang Yao, Sun Haozu

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Based on actual operation data obtained in SIS system of a power plant for F-class gas-steam combined cycle unit, automatic communications were realized through AutoCAD ActiveX and AutoCAD2015 by C#, and simultaneously, an energy flow chart was drawn proportionally for the flow process, thus obtaining the energy flow and loss in various thermodynamic processes, which may serve as a reference for online analysis on energy consumption of in-service gas-steam combined cycle units.

gas-steam combined cycle; energy flow chart; analysis of energy consumption; visualization

2016-05-31；

2016-09-14

徐銀文(1990—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為火力發電廠節能改造及能源審計。E-mail: 875186593@qq.com

TK477

A

1671-086X(2017)03-0150-04