張楊林子，劉雙白，龐春鳳，孫建平

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京100045)

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聯合循環(huán)機組建模及環(huán)境參數對其性能的影響

張楊林子1，劉雙白2，龐春鳳2，孫建平1

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京100045)

摘要：利用某聯合循環(huán)電廠450 MW機組在性能保證工況溫控模式下的設計參數，以熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON為平臺，搭建燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型。同時，改變壓氣機入口處的環(huán)境參數進行仿真，分析和研究不同環(huán)境參數下聯合循環(huán)系統(tǒng)出力和熱效率的變化情況。通過仿真結果與理論分析及廠家修正曲線的對比，驗證了該模型的有效性；該模型可用于聯合循環(huán)機組優(yōu)化運行研究，指導燃氣電廠的經濟運行。

關鍵詞：燃氣輪機；聯合循環(huán)；環(huán)境參數；建模

0引言

眾所周知，我國是一個以煤為主要消費能源的國家[1]，然而，燃煤發(fā)電在帶來便利的同時，不可避免地也帶來了許多環(huán)境問題。目前，因煤炭燃燒而造成的嚴重污染已經引起我國各界的關注[2]。隨著節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進，發(fā)電產業(yè)除了需要保證機組的安全、經濟、穩(wěn)定運行之外，還需要把眼光更多的放在降低污染物排放上[3]。天然氣是一種潔凈能源，燃燒后產生的污染物質很少，隨著科技的發(fā)展，燃氣輪機及其聯合循環(huán)裝置已越來越多的應用于清潔能源建設和發(fā)電工業(yè)中。聯合循環(huán)發(fā)電技術對改善環(huán)境、提高電網調峰靈活性有著十分重要的作用[4-6]。

燃氣輪機是對大氣環(huán)境十分敏感的動力裝置，燃氣輪機的輸出參數與壓氣機入口處的空氣參數有很大的關系[7]，環(huán)境參數變化會對燃氣輪機及其聯合循環(huán)機組的性能產生很大的影響。因此，研究和討論機組在不同大氣溫度、壓力和相對濕度下的出力和熱效率變化對促進系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行具有十分重要的意義[8]。

本文參考某電廠性能保證工況下的設計數據，利用熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON搭建燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型，改變壓氣機入口處的環(huán)境參數，模擬仿真聯合循環(huán)系統(tǒng)的運行狀況，計算機組在不同大氣條件下功率和熱效率的變化情況。

1利用EBSILON建立聯合循環(huán)模型

EBSILON軟件是一款熱力循環(huán)過程模擬軟件，可用于計算熱力過程的熱量、功量、循環(huán)效率、熱力狀態(tài)參數等物理量，每次計算都遵循質量守恒、能量守恒等原則[9]。EBSILON軟件中包含的熱力元件齊全，使用方法靈活，可模擬太陽能、核能、火電站、燃氣輪機等熱力循環(huán)電站的工作運行狀況，可用于電站規(guī)劃、設計和優(yōu)化。

本文參考某電廠450 MW聯合循環(huán)機組在性能保證工況下的設計數據，以EBSILON軟件為平臺，在搭建燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型的基礎上，探究環(huán)境參數變化對聯合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

利用EBSILON軟件元件庫中的單個元件模型，搭建余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯合循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，根據電廠熱平衡圖中的設計參數設置每個元件所需的進出口參數，為保證計算成功，仿真時根據軟件的錯誤提示功能加入管道測點，測點用來單獨設置管道內工質的壓力、溫度、質量流量和焓等，遵循質量守恒、能量守恒等規(guī)律。在建模過程中，需要注意的是，元件之間的連接線只有數據傳輸作用，因此，還要加入管道、調節(jié)閥等元件模擬實際管道和工質傳輸中的阻力和壓損等。加入功率累加器(圖1中標號為6)可算出聯合循環(huán)總功率，并用出力與燃料熱能輸入之比求出機組熱效率。圖中的每組數據表示各管道內流體的狀態(tài)參數，包括溫度、壓力、質量流量及焓。

1.壓氣機；2.燃燒室；3.性能加熱器；4.燃氣透平；5.發(fā)電機；6.功率累加器；7.低壓省煤器；8.低壓汽包；9.低壓過熱器；10.中壓省煤器；11.中壓汽包；12.中壓過熱器；13.高壓省煤器；14.高壓汽包；15.再熱器；16.高壓過熱器；17.蒸汽輪機；18.凝汽器；19.測點圖1　燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型

如圖1所示，左邊虛線框中是燃機側部分，空氣經壓氣機壓縮后進入燃燒室與天然氣混合燃燒，得到的高溫高壓燃氣進入燃氣透平中膨脹做功，做功后的高溫煙氣直接排放到大氣中十分浪費，因此加入余熱鍋爐和蒸汽側部分，構成聯合循環(huán)；模型中間為余熱鍋爐部分，熱量完全來自燃機排出的高溫煙氣，循環(huán)水到余熱鍋爐中換熱，流經省煤器，在汽包中生成高溫高壓蒸汽，而煙氣的熱量被充分吸收后才排放到大氣中，減少了能量浪費；右邊虛線框中為汽機側部分，汽包出口處的高溫蒸汽進入過熱器進一步加熱后進入蒸汽輪機中推動葉片做功，最終將機械功轉化為電能。相比于單純燃氣輪機發(fā)電，加入余熱鍋爐和蒸汽機的聯合循環(huán)機組提高了整個系統(tǒng)的能量利用率。

2環(huán)境參數變化的影響

季節(jié)的變換、地域的差別、海拔的高低都會對使得大氣溫度、壓力和濕度等參數發(fā)生變化，搭建好燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型后，改變壓氣機入口處的空氣參數，調整冷卻空氣量，在保證透平前燃氣初溫不變的情況下分析環(huán)境參數變化對整個聯合循環(huán)機組輸出功率和熱效率的影響。

2.1大氣溫度

利用EBSILON軟件仿真計算成功后，導出大氣溫度對燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組出力的影響如圖2(a)，大氣溫度對機組效率的影響如圖2(b)所示。

圖2　大氣溫度對機組功率及熱效率的影響

由理論分析可知，當大氣溫度升高時，空氣密度減小，進入壓氣機的空氣流量減少，天然氣流量隨之降低，系統(tǒng)中燃料的熱能輸入減少，機組做功能力降低，出力有較為明顯的減少。同時，隨著大氣溫度的升高，單位工質的耗功量增加，燃機效率降低，若蒸汽循環(huán)效率不變，聯合循環(huán)熱效率也會降低。

從仿真結果圖2(a)中可以看到，大氣溫度每升高10 ℃，機組輸出功率約下降5.7%；模型是在背壓不變的情況下運行的，背壓不變時會削弱大氣溫度對機組熱效率的影響，但從圖中也可看到聯合循環(huán)熱效率由明顯的下降。

圖3　機組出力隨環(huán)境溫度修正曲線(廠家)

2.2大氣壓力

利用EBSILON軟件仿真計算成功后，導出大氣壓力對燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組出力的影響如圖4(a)，大氣壓力對機組效率的影響如圖4(b)所示。

圖4　大氣壓力對機組功率及熱效率的影響

由理論分析可知，當大氣壓力升高時，空氣密度增大，壓氣機入口處的空氣流量隨之增加；在環(huán)境溫度、機組轉速不變的情況下，為保證燃氣初溫恒定的冷卻抽氣百分比不變，因此，參與燃燒的空氣與壓氣機吸入的空氣流量成正比，燃機出力增大；此時燃氣透平的排氣量也與壓氣機入口的空氣質量流量成正比，若蒸汽循環(huán)效率不變，則聯合循環(huán)中的機組功率也會與吸入的空氣流量成正比，進而與大氣壓力成正比增加。由于機組燃空比不變，當大氣溫度一定時，燃料量會與壓氣機入口處的空氣流量同比變化，因而燃機效率不變；當蒸汽循環(huán)效率不變時，大氣壓力的變化不會對聯合循環(huán)機組的效率產生影響。

從仿真結果圖4(a)中可以看到，大氣壓力每升高1 kPa，機組輸出功率約升高1%，與圖5廠家的修正曲線結果一致。

圖5　機組出力隨大氣壓力修正曲線(廠家)

2.3大氣相對濕度

利用EBSILON軟件仿真計算成功后，導出大氣相對濕度對燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組出力的影響如圖6(a)，大氣相對濕度對機組效率的影響如圖6(b)所示。

圖6　大氣相對濕度對機組功率及熱效率的影響

大氣濕度是用來衡量空氣中水蒸氣含量的，濕度的變化會影響空氣的密度和比熱容值，使壓氣機的壓縮功和透平的膨脹功發(fā)生變化[11]，從而影響機組性能。

由理論分析可知，在聯合循環(huán)中，隨著大氣濕度的增加，空氣中的水蒸氣含量增加，濕空氣比熱容數值增大，壓氣機耗功增加，機組效率降低。聯合循環(huán)模型仿真的是機組在溫控模式下的運行情況，溫控模式需要保證燃氣初溫恒定不變，隨著大氣相對濕度的增加，濕空氣密度變小，進入壓氣機的空氣流量減小，但為了保持燃氣初溫不變，從壓氣機抽走的冷卻空氣量也減少，使得進入燃燒室參與燃燒的空氣流量略有增加，機組做功增加，輸出功率稍有變大。

從圖6(a)中可以看到，即使大氣相對濕度從0%變化到90%，聯合循環(huán)機組的輸出功率只增加了0.13%，熱效率變化程度也非常小，與圖7廠家的修正曲線保持一致，因此，在只有在大氣溫度很高或濕度很大時才需對濕度變化加以考慮，大多數情況可忽略不計。

圖7　機組出力隨大氣相對濕度修正曲線(廠家)

3結論

利用熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON，建立燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型，對聯合循環(huán)系統(tǒng)在不同大氣溫度、壓力和相對濕度環(huán)境下的運行情況進行仿真，得到了環(huán)境參數變化對機組性能的影響數據和趨勢圖。從圖表顯示的結果中可以看出，環(huán)境溫度越低或相對濕度越小，機組熱效率越高，因此，在環(huán)境溫度較高的夏季工況，往燃氣輪機的壓氣機進氣口處加裝進氣冷卻裝置有助于提高機組性能；在下雨頻率高，空氣濕度大的南方，加裝進氣防雨霧篩網或采取進氣干燥措施有助于提高聯合循環(huán)系統(tǒng)性能并確保機組高效率可靠運行。

通過仿真結果與理論分析及電廠實際運行情況的對比，證明了本文所建立的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組模型的有效性；該模型還可用于聯合循環(huán)機組優(yōu)化運行研究，指導燃氣電廠的經濟運行。

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Combined Cycle Unit Modeling and the Impact of Environmental Parameters on Performance of the Unit

ZHANG Yanglinzi1， LIU Shuangbai2， PANG Chunfeng2，SUN Jianping1

(1.School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100045，China)

Abstract：Using the design parameters of a combined cycle power plant 450 MW unit in performance guarantee condition of temperature control mode, based on thermodynamic cycle simulation software EBSILON platform, sets up the gas and steam combined cycle unit model. At the same time, simulated by changing the environment parameters at the entrance of compressor. Analyzed and studied the changes of the output and thermal efficiency of the combined cycle system under different environment parameters.The simulation results were compared with theoretical analysis and factory correction curve to verify the effectiveness of this model. This model can be used in the study of combined cycle unit optimizing operation, and it can guide the economic operation of gas plants.

Keywords：gas turbine；combined cycle；environment parameters；modeling

收稿日期：2016-04-12。

作者簡介：張楊林子(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為燃氣-蒸汽聯合循環(huán)機組性能的研究，E-mail：zhangyanglinzi@sina.com。

中圖分類號:TK211

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.012