(大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130000)

0 引言

相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組和燃氣發(fā)電機組而言，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有供電效率高、運行可靠性高、投資費用低、建設(shè)周期短、發(fā)電環(huán)保性能好、啟動速度快等優(yōu)點，近些年使用相當(dāng)多數(shù)量的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)拉開了序幕[2]。Carapellucci Roberto等研究熱量回收對燃氣電廠經(jīng)濟效益的影響，并利用軟件對不同燃氣輪機運行參數(shù)進行評價，得出燃氣輪機熱效率隨壓比的升高而升高，未來可能對再生能源進行分析，進一步提高發(fā)電廠的能源可用性[3]；王樹國對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行參數(shù)實施優(yōu)化探究，首先，建立聯(lián)合循環(huán)理論分析模型，其次，開發(fā)聯(lián)合循環(huán)運行優(yōu)化程序，最后，分析運行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果[4]。(1)燃氣初溫越高，聯(lián)合循環(huán)熱效率越高；(2)在給定的空氣初始溫度下，聯(lián)合循環(huán)的熱效率隨壓縮比變化而緩慢變化；(3)其余參數(shù)恒定的基礎(chǔ)上，聯(lián)合循環(huán)的功率由于壓縮比的增大而不斷減小，蒸汽發(fā)生器的排煙溫度隨壓縮比的增加而升高；(4)大氣溫度越高，聯(lián)合循環(huán)熱效率越低[5]。周恩東等對40 MW燃氣輪機熱力循環(huán)優(yōu)化進行分析，根據(jù)焓熵圖進行燃氣輪機熱力循環(huán)計算，再通過改變?nèi)細廨啓C的燃氣初溫和總壓比來進行多組熱力計算，得到在不同的參數(shù)選取條件下燃氣輪機的總體性能參數(shù)的變化情況[6]；趙亞迪等研究燃氣鍋爐煙氣潛熱利用技術(shù)，得出降低排煙熱損失的同時增加潛熱回收率，系統(tǒng)熱效率升高[7]；Kumar Nitul等分析了空氣/燃料比和壓縮比對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱效率的影響，即對包括壓縮機、燃氣輪機、燃燒器、蒸汽發(fā)生器、汽輪機和冷凝器等設(shè)備性能進行研究，計算確定不同參數(shù)值的空氣/燃料比及壓縮比等性能參數(shù)[10]。

本文對燃氣輪機的回?zé)嵫h(huán)、間冷循環(huán)以及再熱循環(huán)進行理論分析，即針對燃機效率最大或者燃汽輪機比功最大相對應(yīng)的壓縮機壓比的分配進行深度探究，得出相應(yīng)結(jié)論并給出不同的壓縮比配比方式供相關(guān)的研究學(xué)者進行參考。

1 燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)

1.1 回?zé)嵯到y(tǒng)

圖1為最簡單燃機循環(huán)系統(tǒng)，它是由壓氣機、燃燒室和燃氣透平組成，圖1中1-2為壓縮機中的絕熱壓縮，2-3為燃燒室中的等壓吸熱，3-4為燃氣輪機中的絕熱膨脹，4-1為等壓放熱過程。

與圖1不同，圖2是在圖1基礎(chǔ)上加裝了一臺回?zé)崞鳂?gòu)成燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)，即由壓縮機C壓縮的空氣先在回?zé)崞鱎G中用透平T的排氣進行加熱，然后再進入燃燒室CC，在透平進氣溫度T3不變時減少了燃料量的同時，又提高了吸熱過程的平均吸熱溫度，而且排氣在回?zé)崞髦袦囟冉档?，以低于透平出口燃氣溫度在大氣中放熱，從而降低了放熱過程的平均放熱溫度，故使得燃機循環(huán)效率得以提高[7]。

圖1 燃氣輪機簡單循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機；CC-燃燒室；T-燃氣透平；G-發(fā)電機

圖2 燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)C-壓縮機；CC-燃燒室；T-燃氣透平；G-發(fā)電機；RG-回?zé)崞?/p>

1.2 循環(huán)效率與比功

壓氣機耗功Wc、透平做功Wt和循環(huán)吸熱量q1分別為[8]

(1)

根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)效率的關(guān)系式(1)可得

(2)

燃機比功為

(3)

式中qm,a、qm,g——空氣和燃氣的質(zhì)量流量/kg·s-1；

cp,a、cp,g——空氣和燃氣在定壓下的熱容/J·(kg·K)-1；

π——壓縮機壓比；

k——工質(zhì)絕熱系數(shù)；

ηc、ηt、ηcc——壓氣機、透平和燃燒室的燃燒效率/[%]。

1.3 燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)計算案例

某一燃氣輪機循環(huán)過程，假定大氣溫度t1=20℃，忽略空氣和燃氣比定壓熱容差異且兩者均取為cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，分別取透平進口溫度t3=1 473 K、t3=1 673 K及t3=1 873 K，壓縮比π取5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23；ηc=ηt=ηcc=0.85，回?zé)岫热ˇ舝g=0.8，由式(1)～(3)計算可得出燃機回?zé)嵫h(huán)的熱經(jīng)濟性指標參數(shù)的結(jié)果為圖3～圖6所示。

圖3 燃機熱效率變化規(guī)律(無回?zé)?

圖4 燃機有、無回?zé)岬臒嵝时容^

圖5 燃機熱效率變化規(guī)律(有回?zé)?

圖6 燃機比功變化規(guī)律(有回?zé)?

由圖3可知，系統(tǒng)無回?zé)釙r，燃機進氣溫度t3越高，燃機循環(huán)熱效率越高，同時熱效率η*的最有利位置將隨著壓縮比π增大而先增大后減??；由圖4可知，t3相同時，有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱效率比無回?zé)崆闆r下系統(tǒng)的熱效率高；圖5可得，三種進氣溫度下，隨著π的變化，存在最佳熱效率，且所對應(yīng)的壓縮比幾乎相同，低壓比π=7時燃機熱效率較大；圖6通過比較三種進氣溫度下燃機比功的大小可知，t3越高，燃機比功越大，且兩種進氣溫度下最佳比功所對應(yīng)的壓比近似相同，高壓比π=12時燃機比功相對較高。

2 燃氣輪機中間冷卻循環(huán)

2.1 回?zé)?間冷循環(huán)

圖7 燃氣輪機回?zé)?間冷循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機；CC-燃燒室；T-燃氣透平；G-發(fā)電機；RG-回?zé)崞?；IC-冷卻器

2.2 最佳間冷壓力的確定

第一段壓縮功ωc1

(4)

第二段壓縮功ωc2

(5)

壓縮機壓縮功ωc

(6)

因為

πc=πc1πc2ηc1=ηc2=ηc

(7)

為求得壓縮機兩段壓縮比的最佳值，可對式(6)求極值，將(7)式中的πc2換成πc/πc1帶入,求?ωc/?πc1,并使之為零得

(8)

即可得

(9)

這說明當(dāng)兩段壓縮比平均分配時，壓縮機所做的壓縮功最大。

式中 πc1——第一段壓氣機的壓縮比；

πc2——第二段壓氣機的壓縮比；

ηc1——第一段壓氣機的效率/[%]；

ηc2——第二段壓氣機的效率/[%]。

2.3 燃氣輪機回?zé)?間冷循環(huán)系統(tǒng)計算案例

某一燃氣輪機間冷循環(huán)過程，假定大氣溫度t1=293 K，忽略空氣和燃氣比定壓熱容差異且均取為cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，透平進口溫度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，以上一算例計算結(jié)果為基礎(chǔ)，因此取最大熱效率值對應(yīng)的最佳壓縮比πc=7以及最佳燃氣輪機比功對應(yīng)的壓縮比πc=12，具有一次中間冷卻，冷卻到293 K，求πc1=2、2.5、2.646、2.8、3以及πc1=2、3、3.464、4、6時熱經(jīng)濟性指標，計算結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 πcw.opt不同分配下熱效率變化趨勢

圖9 πcw.opt不同分配下燃機比功變化趨勢

圖10 πcη.opt不同分配下熱效率變化趨勢

圖11 πcη.opt不同分配燃機比功變化趨勢

3 燃氣輪機再熱循環(huán)

3.1 間冷-回?zé)?再熱循環(huán)

如圖12所示，再熱循環(huán)把透平分成兩段，在此之間加裝一個再燃室，即把一段透平排氣送入再燃室升溫，然后進入二段透平膨脹作功。第二段透平膨脹做功量增大，從而使整個透平做功量增加[7]。

3.2 最佳再熱壓力的確定

第一段膨脹功ωt1為

(10)

第二段膨脹功ωt2為

(11)

圖12 燃氣輪機回?zé)?間冷-再熱循環(huán)系統(tǒng)C-壓縮機；CC-燃燒室；T-燃氣透平；G-發(fā)電機；RG-回?zé)崞?；IC-冷卻器；RCC-再燃室

透平膨脹功ωt為

(12)

其中

πt=πt1πt2ηt1=ηt2=ηt3

(13)

式中 πt1——第一段燃氣輪機的膨脹比；

πt2——第二段燃氣輪機的膨脹比；

ηt1——第一段燃氣輪機的效率/[%]；

ηt2——第二段燃氣輪機的效率/[%];

3.3 燃氣輪機回?zé)?間冷-再熱循環(huán)系統(tǒng)計算案例

某一燃氣輪機再熱循環(huán)過程，假定大氣溫度t1=20℃，忽略空氣和燃氣比定壓熱容差值且兩者均取為cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，絕熱系數(shù)k=1.4，燃氣透平進口溫度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，取πt=7、πt=12，用一次再熱兩段膨脹，再熱溫度仍取1 673 K，求πt1=2、2.5、2.646、2.8、3及πt1=2、3、3.464、4、6時熱經(jīng)濟性指標，計算結(jié)果如圖13～圖16所示。

圖13 πcw.opt不同分配下熱效率變化趨勢

圖14 πcw.opt不同分配下燃機比功變化趨勢

圖15 πcη.opt不同分配下熱效率變化趨勢

圖16 πcη.opt不同分配燃機比功變化趨勢

4 結(jié)論