燃氣—蒸汽聯合循環機組變負荷運行特性分析

黃偉棟，蘇明旭

（1.上海理工大學，上海200093；2.上海漕涇熱電有限責任公司，上海201507）

0 引言

燃氣輪機作為集新技術、新材料、新工藝于一身的新一代動力裝置，被譽為裝備制造業皇冠上的明珠，歐美等發達國家都將優先發展燃氣輪機列為保障國家安全與能源安全的重大戰略產業［1］。但是，由于能源政策、技術壟斷等方面的原因，我國燃氣輪機事業發展總體緩慢，在機組變工況特性方面的研究還有待完善［2］。燃氣輪機及其聯合循環機組是由布雷頓循環和朗肯循環構成的能源梯級利用系統［3］，聯合循環機組的性能受燃氣輪機運行特性影響較大。文獻［4］，文獻［5］采用Thermoflex 軟件建立了某200 MW 級整體煤氣化聯合循環機組系統仿真模型，分析了底循環系統的變工況運行特性，文獻［6］基于Apros 軟件建立了PG9171E型燃氣輪機仿真模型，分析了環境參數變化對燃氣輪機性能的影響，但缺乏對聯合循環機組系統關鍵運行參數的變負荷特性分析，因此有必要對聯合循環機組變負荷運行特性進行進一步研究。

高級過程仿真軟件（Advanced process simulation software，Apros）是由芬蘭國家科學院與富騰公司聯合研發的熱力系統仿真建模軟件［7-8］，其包含了豐富的熱力過程基本模塊庫，采用該工具可以方便地建立對象機組的系統仿真模型，為工程技術人員研究系統運行特性提供了極大的便利。

1 模型建立及計算條件

為分析燃氣—蒸汽聯合循環機組的變負荷運行特性，采用Apros 軟件建立了其系統仿真模型［9］，如圖1所示。該系統由PG9171E 型燃氣輪機、抽汽凝汽式汽輪機以及立式螺旋翅片管自然循環余熱鍋爐構成，其中燃氣輪機包括17級軸流式壓氣機、燃燒室和3級透平，余熱鍋爐沿煙氣流程方向依次布置各級換熱器，用于將燃氣輪機排氣熱量換熱給凝結水產生高、低壓兩股蒸汽去汽輪機中做功，實現能源的梯級利用，機組的主要設計參數如表1所示。

表1 燃氣輪機及其聯合循環機組系統設計工況Table 1 On-design of combined cycle gas turbine system

圖1 PG9171E型燃氣—蒸汽聯合循環機組Apros仿真模型Fig.1 PG9171E gas-steam combined cycle unit simulation model based on Apros

2 燃氣輪機負荷率變化對聯合循環機組性能的影響

2.1 負荷率對燃氣輪機性能的影響

通常，燃氣輪機負荷調節方式有3 種，分別為等IGV 調節、等透平初溫調節和等排氣溫度調節［10］。圖2給出了本文研究對象PG9171E型燃氣輪機負荷率變化對壓氣機出口空氣溫度、壓氣機壓比和透平進口初溫的影響關系。

由圖2 可知，在燃氣輪機從滿負荷開始降負荷過程中，壓氣機出口溫度及壓氣機壓比均呈逐漸下降趨勢，而透平進口初溫先略微上升后快速下降。這是由于當燃氣輪機負荷率在100%至60%范圍內變化時，機組采用等透平初溫的方式調節機組負荷，在此過程中，壓氣機進口空氣流量隨著IGV 角度關小而逐漸降低，壓比也隨之降低。當燃氣輪機負荷率進一步降低時，機組采用等排氣溫度的方式進行負荷調節，透平排氣溫度保持不變，此時IGV角度繼續關小，而透平進口初溫則逐漸減小。

圖2 燃氣輪機負荷率變化對壓氣機出口空氣溫度、壓氣機壓比及透平進口初溫的影響Fig.2 Influence of variable gas turbine load rate on compressor outlet air temperature,compressor pressure ratio and turbine inlet temperature

圖3給出了燃氣輪機負荷率變化對機組排氣參數的影響規律，可見在PG9171E 型燃氣輪機負荷率從100%下降到60%過程中，燃氣輪機排氣溫度逐漸增加，而燃氣輪機排氣流量則呈下降趨勢。這是由于采用等透平初溫調節時，隨著機組負荷率的不斷下降，IGV角度逐漸關小，壓氣機進口空氣流量隨之減小，進而使得燃機排氣流量也逐漸降低。此時若保證燃氣透平初溫基本不變，則透平的排氣溫度將逐漸增加，當燃氣輪機負荷率降到60%時，透平排氣溫度將達到最大值。當燃氣輪機負荷率降到40%時，則不再通過減小IGV 角度來適應燃氣輪機負荷率的變化，而是直接降低進口天然氣量來降低機組負荷。

圖3 燃氣輪機負荷率變化對燃機排氣參數的影響Fig.3 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine exhaust parameters

2.2 負荷率對底循環系統性能的影響

燃氣—蒸汽聯合循環系統中的蒸汽輪機采用全周進汽滑壓方式運行。因此在底循環系統蒸汽循環形式以及凝汽器運行壓力確定的情況下，底循環性能完全取決于燃氣輪機的排氣參數［11］。

圖4給出了燃氣輪機負荷率對高壓側蒸汽參數的影響關系?？梢钥闯?，當燃氣輪機負荷率由100%下降至60%時，高壓主蒸汽溫度逐漸上升，此后，隨著燃氣輪機負荷率的進一步下降，高壓主蒸汽溫度先緩慢下降后快速下降。當燃機負荷率為30%時，主蒸汽溫度為552.6 ℃，仍高于設計工況下的參數值。此外，由圖4可知，在燃氣輪機負荷率下降的過程中，高壓汽包壓力和高壓主蒸汽流量均呈先緩慢下降，后快速下降的變化規律。這是由于當燃氣輪機負荷率大于40%時，主要通過IGV角度變化來適應機組負荷率的變化，該調節方式一方面使得燃氣透平排氣溫度呈增大趨勢，另一方面使得燃氣輪機排氣流量逐漸下降，綜合兩方面的影響，燃氣輪機排氣熱量下降速度變緩，而在燃氣輪機40%～30%負荷范圍內，IGV 角度已關到最小值，此時燃氣透平排氣溫度下降較快，燃氣透平排氣流量也呈緩慢下降趨勢，最終導致高壓側熱力參數快速下降。

圖4 燃氣輪機負荷率變化對高壓側蒸汽參數的影響Fig.4 Influence of variable gas turbine load rate on high-pressure side parameters of bottoming cycle system

圖5給出了燃氣輪機負荷率對底循環系統低壓側參數的影響。由圖5 可見，低壓蒸汽溫度隨燃氣輪機負荷率的降低呈下降趨勢，故低壓過熱器一般不存在超溫的可能性，無需設置減溫裝置。此外，圖5顯示當燃氣輪機負荷率由100%降至40%時，低壓側主要熱力參數均下降較快，這是由于采用改變IGV 角度調節燃氣輪機負荷時，煙氣流量的快速降低導致低壓汽包吸熱量相對減小較快，故低壓汽包壓力及低壓蒸汽流量均下降較快。在燃氣輪機負荷率由40%降至30%過程中，低壓蒸汽流量及低壓汽包壓力均波動不大。

圖5 燃氣輪機負荷率變化對低壓側蒸汽參數的影響Fig.5 Influence of variable gas turbine load rate on low-pressure side parameters of bottom cycle system

圖6 給出了燃氣輪機負荷率對底循環系統高、低壓節點溫差及接近點溫差的影響關系。由圖6 可見，在燃氣輪機負荷率由100%下降到40%過程中，高、低壓節點溫差均呈下降趨勢，而高、低壓接近點溫差均呈上升趨勢，這是由于在該負荷率變化區間內，燃氣輪機負荷調節方式使得燃機排氣溫度逐漸增加。隨著燃氣輪機負荷率進一步降低，底循環系統節點溫差將逐漸增大，接近點溫差也不斷減小，這對機組的安全經濟運行不利，故應盡量避免燃氣輪機在低負荷條件下長時間運行。

圖6 燃氣輪機負荷率變化對節點溫差、接近點溫差的影響Fig.6 Influence of variable gas turbine load rate on node temperature difference and approach point temperature difference of bottom cycle system

圖7給出了燃氣輪機負荷率對底循環系統汽輪機功率以及余熱鍋爐效率的影響關系。可見在燃氣輪機負荷率100%～40%范圍內，隨著燃氣輪機負荷下降，余熱鍋爐效率逐漸提高，而汽輪機功率卻逐漸降低。在燃氣輪機負荷率低于40%時，余熱鍋爐效率及汽輪機功率均呈下降趨勢［12-13］。隨著燃氣輪機負荷率的降低，燃氣輪機排氣熱量逐漸減小，余熱鍋爐吸熱量也隨之降低，直接導致汽機側輸出功率的下降，而余熱鍋爐當量效率與燃氣輪機排氣溫度直接相關，因此其變化趨勢直接受燃氣輪機排氣溫度的影響。

2.3 負荷率對聯合循環機組性能的影響

圖7 燃氣輪機負荷率變化對余熱鍋爐效率和汽輪機功率的影響Fig.7 Influence of variable gas turbine load rate on efficiency of heat recovery steam generator and steam turbine power

圖8 給出了燃氣輪機負荷率對燃氣輪機熱耗率、汽輪機熱耗率及聯合循環熱耗率的影響關系。由圖8可見，隨著燃氣輪機負荷率的上升，燃氣輪機熱耗率及聯合循環熱耗率均呈下降趨勢，而汽輪機熱耗率則先下降后上升，因此燃氣輪機負荷率越高，燃氣—蒸汽聯合循環機組的運行經濟性越好。當燃氣輪機負荷率由100%降至30%時，燃氣輪機熱耗率上升42%左右，聯合循環熱耗率上升18%左右，可見，采取等透平初溫調節方式，有利于提升聯合循環機組部分負荷工況的運行經濟性。此外，圖8 顯示出在燃氣輪機負荷率為60%時，汽輪機熱耗率達最低值，這是由于高壓主蒸汽溫度在燃氣輪機負荷率為60%時達最高值，而其他影響汽機熱耗率的參數，如高壓進汽流量及壓力等值的波動不大。

圖8 燃氣輪機負荷率變化對燃機熱耗率、汽機熱耗率、聯合循環熱耗率的影響Fig.8 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine heat rate,turbine heat rate and combined cycle unit heat rate

3 結語

對于采取變IGV角度等透平初溫調節方式運行的機組，隨著燃氣輪機負荷下降，燃氣輪機排氣溫度呈先上升后下降趨勢，燃氣輪機排氣流量逐漸降低；隨著燃氣輪機負荷逐漸降低，高壓主蒸汽溫度與燃氣輪機排氣溫度變化趨勢一致，低壓蒸汽溫度隨燃氣輪機負荷的降低而逐漸下降；隨著燃氣輪機負荷逐漸降低，高、低壓節點溫差呈逐漸下降趨勢，高、低壓接近點溫差呈逐漸上升趨勢，因此在燃氣輪機低負荷運行時，更應關注省煤器系統運行的安全性。對于采取變IGV角度等透平初溫調節方式的燃氣輪機，有利于提升聯合循環機組部分負荷工況運行的經濟性。

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