基于先進?分析方法的燃氣-蒸汽聯合循環?損分析

王樹成，付忠廣，張高強，張天清，馮芹芹，盧 可

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基于先進?分析方法的燃氣-蒸汽聯合循環?損分析

王樹成1，付忠廣1，張高強1，張天清1，馮芹芹1，盧 可2

（1.華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京 102206； 2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050）

先進?分析方法作為傳統?分析方法的補充和拓展，可以更深入地研究系統各部件?損產生的內在原因。利用先進?分析方法對燃氣-蒸汽聯合循環系統各主要部件的?損進行分析，并將?損分為內部?損、外部?損、可避免?損和不可避免?損。結果表明，在設計工況下燃氣-蒸汽聯合循環系統整體的內部?損為76.06%，不可避免?損為86.33%；系統大部分內部?損和不可逆?損發生在燃燒室，分別為209.0、221.8 MW；燃燒室和燃氣透平亦有16.8、12.8 MW的可避免?損。研究結論可為系統節能改造及新系統設計提供參考。

燃氣-蒸汽聯合循環；先進?分析；?損；可避免?損；內部?損

燃氣-蒸汽聯合循環（聯合循環）以其環境污染少、能源轉換率高、建設周期短以及在電力調峰中的優勢等諸多特點，受到越來越廣泛的關注[1-3]。目前，主要是通過提高燃氣輪機、余熱鍋爐及汽輪機的性能來提高聯合循環效率[4-7]。鄭炯智等[8]以現有聯合循環為基礎，重新劃分了頂循環和底循環的能量利用區間與比例，并將以PG9351FA燃氣輪機 為頂循環的聯合循環機組的性能作為基準，研究了3個機組的全工況性能，結果表明提高燃氣輪機的壓比有利于提升系統的性能；王巍等[9]以汽輪機功率作為底循環的目標函數，得出設計工況下最優的蒸汽參數匹配關系。上述基于熱力學第一定律的分析方法主要側重于能量的利用程度；而基于熱力學第一、第二定律的?分析方法不但能分析“量”的多少，更考慮“質”的高低，因而在能量系統的分析中有著無可比擬的優勢。趙寶玲等[10]利用?分析方法對150 MW聯合循環機組的熱力學性能進行分析，結果表明當機組負荷為96%時，?效率為53.5%，在不同運行工況下燃燒室和余熱鍋爐均為?損的最主要部位。

雖然已經有很多學者對燃氣-蒸汽聯合循環進行了分析，但有些問題仍待深入研究。先進?分析方法作為傳統?分析方法的補充和拓展，目前已廣泛應用于各種熱力系統的熱力學特性分析中[10-11]。本文利用該方法對某燃氣-蒸汽聯合循環系統各主要部件的?損情況進行分析，并將其分為內部?損、外部?損、可避免?損和不可避免?損；深入研究系統各部件?損產生的內在原因，為系統節能改造及新系統的設計提供參考。

1 系統介紹

某聯合循環包括M701F型燃氣輪機、三壓再熱無補燃余熱鍋爐及汽輪機，汽水流程如圖1所示。經過壓縮機壓縮的高壓空氣與燃料在燃燒室內燃燒，產生的高溫高壓氣體進入燃氣透平中膨脹做功，透平排氣進入余熱鍋爐內加熱給水；給水在凝結水預熱器內預熱后分別進入省煤器、蒸發器和過熱器，其中高、低壓過熱蒸汽直接進入汽輪機的高、低壓缸做功，中壓過熱蒸汽與高壓缸的排汽混合后先在再熱器中加熱，后進入汽輪機中壓缸做功。

LPD、IPD、HPD—余熱鍋爐的低壓、中壓和高壓汽包；LPE、IPE、HPE—低壓、中壓和高壓省煤器；LPB、IPB、HPB—低壓、中壓和高壓蒸發器；LPS、IPS、HPS—低壓、中壓和高壓過熱器；RH—再熱器；CP、IPFWP、HPFWP—凝結水泵，中壓和高壓水泵；LT、IT、HT—汽輪機的低壓、中壓和高壓缸；CC—燃燒室。

2 模型建立

2.1 數學模型

式中：LHV,f為燃料的低位發熱量，kJ/kg；為比例系數。可用式(5)表示為

式中，為燃料分子式中H原子個數，為燃料分子式中C原子個數。

?損是個絕對量，無法用其比較不同工作條件下各個過程或各類熱工設備中的?利用程度。為此在?分析中廣泛使用?效率來表示?的利用率：

對于系統整體，?平衡方程可以表示為

2.2 物理模型

基于Ebsilon軟件對系統進行建模，采用熱平衡法進行模擬。燃料為天然氣，其熱值為48 913.6 kJ/kg。表1為聯合循環的主要設計參數及模擬值。由表1可知，模擬值與設計值的相對誤差均小于3%（通常誤差要求在3%~5%），可以認為此模型設計合理。通過軟件模擬可以得到設計工況下系統各主要節點的熱力參數，結果見表2。

表1 聯合循環主要參數

Tab.1 Main parameters of the combined cycle

表2 設計工況下各主要節點熱力參數

Tab.2 Thermodynamic parameters of the main nodes under the design conditions

3 結果分析

3.1 聯合循環系統各主要部件?損分布

表3為系統各主要部件的?損及相關參數（以20 ℃、0.1 MPa作為基準，此時的?值設為0）。由表3可見：燃燒室?損系數最大，達到30.798%，其次是燃氣透平和壓縮機，表明這幾個部件的?損占總輸入?的比重較大；?效率最高的部件是再熱器和中壓蒸發器，最低的是凝汽器，燃燒室由于具有較大的燃料?，因而其?損也較大。

表3 系統各主要部件的?值

Tab.3 Exergy value of the main components of the system

圖2為聯合循環系統各主要部件?損分布。

圖2 系統各主要部件?損分布

從圖2可見：燃燒室的?損所占的比重最大，為69.70%，這是由于燃料在燃燒前后存在較大的溫差（燃燒前為50 ℃，燃燒后為1 200 ℃）及燃燒過程出現的不可逆損失造成的，可以通過提高進入燃燒室的燃料和空氣的溫度來減少這部分?損；燃氣透平和汽輪機的?損所占的比重也較大，分別為10.22%和5.90%，這是由于這2個部件在運行時有較大的機械損失所致。

3.2 聯合循環系統?損分析

依據先進?分析方法將聯合循環系統?損分為內部?損和外部?損，結果如圖3所示。由圖3可見，系統整體內部?損占全部?損的76.06%，說明系統整體的?損主要是由系統自身結構引起的內部?損，而由系統拓撲因素引起的外部?損則較小。

圖3 聯合循環系統內部?損和外部?損

聯合循環系統整體的可避免?損和不可避免?損如圖4所示。由圖4可見：系統整體的?損絕大部分是不可避免?損，為86.33%，這部分?損在現有運行條件下不能得到提升，這也說明聯合循環在設計工況下運行較為合理；此外，還有13.67%的?損可以通過優化結構或改變運行條件而避免。

圖4 聯合循環系統可避免?損和不可避免?損

3.3 系統各主要部件?損分析

通過上述分析可知，系統整體的內部?損和不可避免?損較大，但這并不能代表系統中所有部件的?損分布都是如此。因此，有必要對系統各個部件的?損進行分析。

聯合循環系統主要部件的內部?損和外部?損如圖5所示。由圖5可見：燃燒室的內部?損較大，為209.0 MW，說明燃燒室?損主要是由其自身結構不完善產生的，因而要降低其?損關鍵在于優化其自身結構；此外，燃氣透平和汽輪機的外部?損較大，說明這部分?損是由于其他部件運行在非理想條件下引起的。

圖5 系統主要部件內部?損和外部?損

聯合循環系統主要部件的可避免?損與不可避免?損如圖6所示。由圖6可見，大部分?損是不可避免的，且燃燒室的不可避免損失最大，為221.8 MW。對此，在燃氣輪機的設計過程中，應當將燃燒室的結構及燃燒條件作為重點研究及優化對象，以減少運行過程中的不可逆損失；此外，在聯合循環運行時，還可以通過提升進入燃燒室的燃料及空氣的溫度的方式（進氣加熱、燃料預熱）來降低燃燒過程的?損。同時，燃燒室和燃氣透平的可避免?損也相對較大，分別為16.8 MW和12.8 MW。

圖6 系統主要部件可避免?損和不可避免?損

4 結 論

1）聯合循環系統整體的內部?損為76.06%，不可避免?損為86.33%，說明系統的?損大部分由于其自身結構的不完善引起，并且在現有的運行條件下不能避免，同時也說明聯合循環系統仍存在較大的優化空間。

2）聯合循環系統大部分的內部?損和不可逆?損發生在燃燒室，分別為209.0 MW和221.8 MW。因此，在燃氣輪機的設計過程中，燃燒室的結構和燃燒條件應當作為重點的研究及優化對象，以減少運行過程中的不可逆損失。

3）相對于其他部件，燃燒室和燃氣透平亦存在較大可避免?損，分別為16.8 MW和12.8 MW。

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Exergy destruction analysis of gas-steam combined cycle based on the advanced exergy analysis method

WANG Shucheng1, FU Zhongguang1, ZHANG Gaoqiang1, ZHANG Tianqing1, FENG Qinqin1, LU Ke2

(1.Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Gansu Power Company, Lanzhou 730050, China)

As the supplement and expansion of the conventional exergy analysis method, the advanced exergy analysis method can reveal the internal reason of the exergy destruction of various parts of the gas-steam combined cycle system in more depth. The main components of gas-steam combined cycle are analyzed by the advanced exergy analysis method. Additionally, the exergy destruction is classified into endogenous exergy destruction, exogenous exergy destruction, avoidable exergy destruction and unavoidable exergy destruction. The results show that the endogenous exergy destruction rate is 76.06% and the unavoidable exergy destruction rate is 86.33% in the gas-steam combined cycle system under the design conditions. Besides, most of the endogenous exergy destruction and unavoidable exergy destruction occur in the combustion chamber, which are respectively 209.0 MW and 221.8 MW. Moreover, the avoidable exergy destruction of combustion chambers and gas turbines are 16.8 MW and 12.8 MW, respectively. This research conclusions can provide reference for the transformation of system energy-saving and the design of the new system.

gas-steam combined cycle, advanced exergy analysis, exergy destruction, avoidable exergy destruction, internal exergy destruction

Natural Science Foundation of Beijing (3162030); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018QN035)

TK123

A

10.19666/j.rlfd.201806080

王樹成, 付忠廣, 張高強, 等. 基于先進?分析方法的燃氣-蒸汽聯合循環?損分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(3): 75-79. WANG Shucheng, FU Zhongguang, ZHANG Gaoqiang et al. Exergy destruction analysis of gas-steam combined cycle based on the advanced exergy analysis method[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 75-79.

2018-06-16

北京市自然科學基金資助(3162030)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2018QN035)

王樹成(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向為先進熱力系統的集成與優化，wiserc@sina.cn。

（責任編輯 劉永強）