張楊林子，劉雙白，龐春鳳，孫建平

(1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045)

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聯(lián)合循環(huán)機(jī)組建模及環(huán)境參數(shù)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(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045)

摘要：利用某聯(lián)合循環(huán)電廠450 MW機(jī)組在性能保證工況溫控模式下的設(shè)計(jì)參數(shù)，以熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON為平臺，搭建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型。同時(shí)，改變壓氣機(jī)入口處的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行仿真，分析和研究不同環(huán)境參數(shù)下聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)出力和熱效率的變化情況。通過仿真結(jié)果與理論分析及廠家修正曲線的對比，驗(yàn)證了該模型的有效性；該模型可用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行研究，指導(dǎo)燃?xì)怆姀S的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；聯(lián)合循環(huán)；環(huán)境參數(shù)；建模

0引言

眾所周知，我國是一個(gè)以煤為主要消費(fèi)能源的國家[1]，然而，燃煤發(fā)電在帶來便利的同時(shí)，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(yán)重污染已經(jīng)引起我國各界的關(guān)注[2]。隨著節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，發(fā)電產(chǎn)業(yè)除了需要保證機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)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(chǎn)生的污染物質(zhì)很少，隨著科技的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)裝置已越來越多的應(yīng)用于清潔能源建設(shè)和發(fā)電工業(yè)中。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)對改善環(huán)境、提高電網(wǎng)調(diào)峰靈活性有著十分重要的作用[4-6]。

燃?xì)廨啓C(jī)是對大氣環(huán)境十分敏感的動(dòng)力裝置，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出參數(shù)與壓氣機(jī)入口處的空氣參數(shù)有很大的關(guān)系[7]，環(huán)境參數(shù)變化會(huì)對燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能產(chǎn)生很大的影響。因此，研究和討論機(jī)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(jìn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON搭建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型，改變壓氣機(jī)入口處的環(huán)境參數(shù)，模擬仿真聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，計(jì)算機(jī)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(lián)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(jì)算熱力過程的熱量、功量、循環(huán)效率、熱力狀態(tài)參數(shù)等物理量，每次計(jì)算都遵循質(zhì)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?xì)廨啓C(jī)等熱力循環(huán)電站的工作運(yùn)行狀況，可用于電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

本文參考某電廠450 MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在性能保證工況下的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以EBSILON軟件為平臺，在搭建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型的基礎(chǔ)上，探究環(huán)境參數(shù)變化對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

利用EBSILON軟件元件庫中的單個(gè)元件模型，搭建余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，根據(jù)電廠熱平衡圖中的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置每個(gè)元件所需的進(jìn)出口參數(shù)，為保證計(jì)算成功，仿真時(shí)根據(jù)軟件的錯(cuò)誤提示功能加入管道測點(diǎn)，測點(diǎn)用來單獨(dú)設(shè)置管道內(nèi)工質(zhì)的壓力、溫度、質(zhì)量流量和焓等，遵循質(zhì)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(shù)據(jù)傳輸作用，因此，還要加入管道、調(diào)節(jié)閥等元件模擬實(shí)際管道和工質(zhì)傳輸中的阻力和壓損等。加入功率累加器(圖1中標(biāo)號為6)可算出聯(lián)合循環(huán)總功率，并用出力與燃料熱能輸入之比求出機(jī)組熱效率。圖中的每組數(shù)據(jù)表示各管道內(nèi)流體的狀態(tài)參數(shù)，包括溫度、壓力、質(zhì)量流量及焓。

1.壓氣機(jī)；2.燃燒室；3.性能加熱器；4.燃?xì)馔钙剑?.發(fā)電機(jī)；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(jī)；18.凝汽器；19.測點(diǎn)圖1　燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型

如圖1所示，左邊虛線框中是燃機(jī)側(cè)部分，空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與天然氣混合燃燒，得到的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)馔钙街信蛎涀龉?，做功后的高溫?zé)煔庵苯优欧诺酱髿庵惺掷速M(fèi)，因此加入余熱鍋爐和蒸汽側(cè)部分，構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)；模型中間為余熱鍋爐部分，熱量完全來自燃機(jī)排出的高溫?zé)煔?，循環(huán)水到余熱鍋爐中換熱，流經(jīng)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(fèi)；右邊虛線框中為汽機(jī)側(cè)部分，汽包出口處的高溫蒸汽進(jìn)入過熱器進(jìn)一步加熱后進(jìn)入蒸汽輪機(jī)中推動(dòng)葉片做功，最終將機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能。相比于單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電，加入余熱鍋爐和蒸汽機(jī)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組提高了整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率。

2環(huán)境參數(shù)變化的影響

季節(jié)的變換、地域的差別、海拔的高低都會(huì)對使得大氣溫度、壓力和濕度等參數(shù)發(fā)生變化，搭建好燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型后，改變壓氣機(jī)入口處的空氣參數(shù)，調(diào)整冷卻空氣量，在保證透平前燃?xì)獬鯗夭蛔兊那闆r下分析環(huán)境參數(shù)變化對整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(jì)算成功后，導(dǎo)出大氣溫度對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的影響如圖2(a)，大氣溫度對機(jī)組效率的影響如圖2(b)所示。

圖2　大氣溫度對機(jī)組功率及熱效率的影響

由理論分析可知，當(dāng)大氣溫度升高時(shí)，空氣密度減小，進(jìn)入壓氣機(jī)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(jī)組做功能力降低，出力有較為明顯的減少。同時(shí)，隨著大氣溫度的升高，單位工質(zhì)的耗功量增加，燃機(jī)效率降低，若蒸汽循環(huán)效率不變，聯(lián)合循環(huán)熱效率也會(huì)降低。

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

圖3　機(jī)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(jì)算成功后，導(dǎo)出大氣壓力對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的影響如圖4(a)，大氣壓力對機(jī)組效率的影響如圖4(b)所示。

圖4　大氣壓力對機(jī)組功率及熱效率的影響

由理論分析可知，當(dāng)大氣壓力升高時(shí)，空氣密度增大，壓氣機(jī)入口處的空氣流量隨之增加；在環(huán)境溫度、機(jī)組轉(zhuǎn)速不變的情況下，為保證燃?xì)獬鯗睾愣ǖ睦鋮s抽氣百分比不變，因此，參與燃燒的空氣與壓氣機(jī)吸入的空氣流量成正比，燃機(jī)出力增大；此時(shí)燃?xì)馔钙降呐艢饬恳才c壓氣機(jī)入口的空氣質(zhì)量流量成正比，若蒸汽循環(huán)效率不變，則聯(lián)合循環(huán)中的機(jī)組功率也會(huì)與吸入的空氣流量成正比，進(jìn)而與大氣壓力成正比增加。由于機(jī)組燃空比不變，當(dāng)大氣溫度一定時(shí)，燃料量會(huì)與壓氣機(jī)入口處的空氣流量同比變化，因而燃機(jī)效率不變；當(dāng)蒸汽循環(huán)效率不變時(shí)，大氣壓力的變化不會(huì)對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率產(chǎn)生影響。

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

圖5　機(jī)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(jì)算成功后，導(dǎo)出大氣相對濕度對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的影響如圖6(a)，大氣相對濕度對機(jī)組效率的影響如圖6(b)所示。

圖6　大氣相對濕度對機(jī)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(huì)影響空氣的密度和比熱容值，使壓氣機(jī)的壓縮功和透平的膨脹功發(fā)生變化[11]，從而影響機(jī)組性能。

由理論分析可知，在聯(lián)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(shù)值增大，壓氣機(jī)耗功增加，機(jī)組效率降低。聯(lián)合循環(huán)模型仿真的是機(jī)組在溫控模式下的運(yùn)行情況，溫控模式需要保證燃?xì)獬鯗睾愣ú蛔儯S著大氣相對濕度的增加，濕空氣密度變小，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量減小，但為了保持燃?xì)獬鯗夭蛔?，從壓氣機(jī)抽走的冷卻空氣量也減少，使得進(jìn)入燃燒室參與燃燒的空氣流量略有增加，機(jī)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(lián)合循環(huán)機(jī)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(shí)才需對濕度變化加以考慮，大多數(shù)情況可忽略不計(jì)。

圖7　機(jī)組出力隨大氣相對濕度修正曲線(廠家)

3結(jié)論

利用熱力循環(huán)模擬軟件EBSILON，建立燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型，對聯(lián)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(yùn)行情況進(jìn)行仿真，得到了環(huán)境參數(shù)變化對機(jī)組性能的影響數(shù)據(jù)和趨勢圖。從圖表顯示的結(jié)果中可以看出，環(huán)境溫度越低或相對濕度越小，機(jī)組熱效率越高，因此，在環(huán)境溫度較高的夏季工況，往燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)氣口處加裝進(jìn)氣冷卻裝置有助于提高機(jī)組性能；在下雨頻率高，空氣濕度大的南方，加裝進(jìn)氣防雨霧篩網(wǎng)或采取進(jìn)氣干燥措施有助于提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能并確保機(jī)組高效率可靠運(yùn)行。

通過仿真結(jié)果與理論分析及電廠實(shí)際運(yùn)行情況的對比，證明了本文所建立的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組模型的有效性；該模型還可用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行研究，指導(dǎo)燃?xì)怆姀S的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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?yàn)槿細(xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的研究，E-mail：zhangyanglinzi@sina.com。

中圖分類號:TK211

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.012