大氣溫度和壓力對9E型聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

劉 闖，劉 勇，金仁瀚，李鵬飛，岳孟赫

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016)

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大氣溫度和壓力對9E型聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

劉 闖，劉 勇，金仁瀚，李鵬飛，岳孟赫

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016)

燃機；聯(lián)合循環(huán)；變工況

目前，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方式能較大程度地提高火力發(fā)電機組的熱效率，有效緩解環(huán)境污染，在國內(nèi)外有著較大的發(fā)展空間。由于燃氣輪機(以下簡稱燃機)對大氣環(huán)境較為敏感[1]，所以大氣環(huán)境的變化會較大程度地影響燃機運行特性，進而影響整臺聯(lián)合循環(huán)機組的性能，但文獻[2-4]均研究表明：大氣濕度對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響可以忽略不計。因此，為了全面掌握機組運行特性和提高機組運行效率，有必要對不同大氣壓力和溫度下燃機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的性能進行研究。

國內(nèi)外對燃機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的數(shù)學模型和不同大氣環(huán)境下機組的性能進行了大量研究。文獻[5]利用燃機運行數(shù)據(jù)對各部件變工況通用解析解進行修正，采用擬合的方法得到了燃機和部件的變工況性能曲線及其表達式。文獻[6]采用逐級建模的方法對燃機壓氣機和透平進行建模，并最終建立了燃機一維動態(tài)仿真模型。文獻[5-6]研究成果表明：對機組各部件建立數(shù)學模型有助于整臺機組的數(shù)學建模。文獻[7]以S109FA型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，建立了燃機、余熱鍋爐和蒸汽輪機數(shù)學模型，并分析了機組在全工況下的運行特性和參數(shù)變化。文獻[8] 以7EA燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，分析了熱力參數(shù)偏離設計參數(shù)的原因和燃機各部件性能對燃機功率的影響。文獻[7-8]研究結果表明：不同機型機組的數(shù)學模型不具有通用性，需要針對性地建模。

文獻[9]敘述大氣環(huán)境對燃機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組性能的影響規(guī)律，并未針對某種機型做定量具體分析。文獻[4]描述了9E燃機機組的功率隨大氣環(huán)境的變化情況，但沒有對燃機效率受大氣環(huán)境影響情況做詳細分析。文獻[10]以M701F型燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，模擬并分析了大氣壓力和溫度對機組性能的影響，但并未用機組實際運行數(shù)據(jù)進行驗證。上述研究結果表明：對于不同型號燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組在不同大氣壓力和溫度下的運行特性研究還存不足之處。

1 各部件數(shù)學模型

圖1 PG9171E型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組 模塊連接示意圖

1.1 壓氣機模型

為了研究燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組在變工況下的運行特性，首先要掌握壓氣機的變工況特性。文獻[12]提供了PG9171E型壓氣機的建模方法， 根據(jù)此方法可把壓氣機壓比和效率表示為：

(1)

式中：Ga為壓氣機進氣質(zhì)量流量；T1為壓氣機進氣溫度；P1為壓氣機進氣壓力；nc為壓氣機轉速。

1.2 燃燒室模型

燃料與壓縮后的空氣在燃燒室內(nèi)近似于等壓條件下發(fā)生氧化放熱反應，使燃料的化學能轉化成熱能。計算過程中采用零維模型對燃燒室燃燒過程進行簡化處理，燃燒室內(nèi)的熱平衡方程如式(2)所示。

(2)

1.3 燃機透平模型

單軸燃機在運行時滿足如下條件：① 壓氣機和透平轉速相同；② 壓氣機的壓比經(jīng)過壓力損失后等于透平的膨脹比。所以，燃機透平轉速和膨脹比可分別如式(3)、式(4)所示。

nt=nc

(3)

πt=ζ1ζ2ζ3πc

(4)

燃機透平效率為

(5)

1.4 余熱鍋爐模型

將煙氣和汽水換熱流程劃分3個溫區(qū)段，分別建立每個溫區(qū)段的熱平衡方程，見式(8)～(10)。

T4—TΔh煙氣溫區(qū)的熱平衡方程為：

Ggcpg1(T4-TΔh)=MsH(hsOH-hsatwH)

(8)

其中：cpg1為T4—TΔh溫度區(qū)間內(nèi)的煙氣平均定壓比熱容；T4為余熱鍋爐進口煙氣溫度；TΔh為高壓節(jié)點溫差對應的煙氣溫度；MsH為高壓蒸汽質(zhì)量流量；hsOH為高壓蒸汽比焓；hsatwH為高壓飽和水比焓。

TΔh—TΔl煙氣溫區(qū)的熱平衡方程為：

Ggcpg2(TΔh-TΔl)=MsH(hsatwH-hwc′L)+

MsL(hsOL-hsatwL)

(9)

其中：cpg2為TΔh—TΔl溫度區(qū)間內(nèi)的煙氣平均定壓比熱容；TΔl為低壓節(jié)點溫差對應的煙氣溫度；hwc′L為低壓省煤器出口比焓；MsL為低壓蒸汽質(zhì)量流量；hsOL為低壓蒸汽比焓；hsatwL為低壓飽和水比焓。

TΔl—Tg煙氣溫區(qū)的熱平衡方程為：

Ggcpg3(TΔl-Tg)=MsH(hwc′L-hfw)+

MsL(hsatwL-hfw)

(10)

其中：cpg3為TΔl—Tg溫度區(qū)間內(nèi)的煙氣平均定壓比熱容；Tg余熱鍋爐排煙溫度；hfw為低壓給水比焓。

1.5 蒸汽透平模型

汽輪機輸出功率為：

Wt=MsH(hsOH-hpq)+

MsL(hsOL-hpq)+Mcq(hcq-hpq)

(11)

其中：hpq為蒸汽輪機排汽比焓；Mcq為抽汽質(zhì)量流量；hcq為抽氣比焓。

2 模擬系統(tǒng)的驗證

2.1 額定工況下模擬系統(tǒng)驗證

為了驗證模擬系統(tǒng)的正確性，分別對聯(lián)合循環(huán)機組在ISO工況(大氣溫度為15 ℃，大氣濕度為60%，大氣壓力為101.3 kPa)，冬季純凝工況(大氣溫度為3.5 ℃，大氣濕度為76%，大氣壓力為102.42 kPa)，夏季純凝工況(大氣溫度為29.4 ℃，大氣濕度為79%，大氣壓力為101.32 kPa)進行了驗證，燃機輪機采用等燃氣初溫調(diào)節(jié)方式。表1～3所示為3種設計工況下聯(lián)合循環(huán)機組主要參數(shù)的模擬值與設計值對比。

表1 ISO工況下模擬值和設計值比較

表2 冬季純凝工況下模擬值和設計值比較

表3 夏季純凝工況下模擬值和設計值比較

通過3種設計工況下聯(lián)合循環(huán)機組各參數(shù)的計算值和設計值對比可知：一方面由于天然氣低位發(fā)熱量的計算值比設計值稍高，使得天然氣質(zhì)量流量減少；另一方面未考慮到摩擦等因素引起的軸功損失，從而導致了燃機輸出功率比設計值稍高。在計算過程中未考慮余熱鍋爐與外界進行熱量交換而引起的熱損失以及高低壓蒸汽管道的壓力損失等，從而導致了高低壓蒸汽質(zhì)量流量的計算值偏大。且未考慮汽機的軸功損失，因此汽機有功功率的計算值也偏大。綜合計算結果與設計值的對比可見：聯(lián)合循環(huán)機組在3種額定工況下的模擬值和設計值相差較小，在誤差范圍之內(nèi)，證明了模擬系統(tǒng)的正確性。

2.2 全年變工況下模擬系統(tǒng)驗證

圖2 某年雙月份模擬值和運行值的對比

從圖2可以看到：從2到12月份，燃機功率和聯(lián)合循環(huán)功率的模擬值均大于運行值，相對誤差在1.39%～3.8%，大于機組在設計工況下的相對誤差。這是由于機組長時間運行造成的設備老化、葉片積灰等因素而導致的，但相對誤差值均小于4%，滿足誤差要求，進一步驗證了該機組系統(tǒng)模型的正確性和實用性。

3 大氣環(huán)境對燃機及聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

3.1 大氣溫度燃機及聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

大氣溫度的上升會導致空氣密度減小，從而使壓氣機進口空氣質(zhì)量流量減少，進而影響燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組的運行特性。圖3為大氣溫度對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組的影響情況，其中運行值是選取聯(lián)合循環(huán)機組300個時刻的歷史運行數(shù)據(jù)，以大氣溫度為橫軸，分別以燃機功率、燃機效率、聯(lián)合循環(huán)功率和聯(lián)合循環(huán)效率為縱軸而得到的。模擬值是以運行值的平均大氣壓力作為進口條件而模擬得出的。

由圖3(a)可知：燃機功率模擬值擬合直線和運行值擬合直線均隨大氣溫度上升而下降。這是由于大氣溫度上升導致空氣密度減小，從而使壓氣機進口空氣質(zhì)量流量減少和燃料流量減少，進而使得燃機功率下降。從模擬值擬合直線可以得出，大氣溫度每上升10 ℃，燃機功率約減小6.5%。

由圖3(b)可以得出，大氣溫度的升高使得燃機效率模擬值擬合直線和運行值擬合直線均隨之減小。從燃機效率模擬值擬合直線可以得出：大氣溫度每上升10 ℃，燃機熱效率減小1.5%左右。因此，大氣溫度的升高不利于提高燃機功率和效率。

由圖3(c)可知：聯(lián)合循環(huán)功率模擬值擬合直線和運行值擬合直線均隨大氣溫度上升而下降。燃機功率的下降使得燃機排氣焓值降低，從而使得汽機功率也隨之下降，所以聯(lián)合循環(huán)功率會下降。從模擬值擬合直線可以得出：大氣溫度每升高10 ℃，聯(lián)合循環(huán)功功率約減少4.8%。

從圖3(d)中可以看出：聯(lián)合循環(huán)效率隨大氣溫度的升高而有所上升。這是由于大氣溫度升高使得燃機排氣溫度升高，有利于余熱鍋爐換熱，從而使汽機熱效率升高，最終使得聯(lián)合循環(huán)效率升高。從模擬值擬合直線可以得出：大氣溫度每升高10 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率約升高0.18%。綜合聯(lián)合循環(huán)功率和效率的模擬值及運行值對比情況來看：大氣溫度的升高，使得聯(lián)合循環(huán)功率有所下降，但可以提高聯(lián)合循環(huán)機組效率。

圖3 大氣溫度對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組的影響

3.2 大氣壓力對燃機及聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

大氣壓力的變化可以改變空氣的密度，導致壓氣機進口空氣質(zhì)量流量等發(fā)生一系列變化，最終影響整臺聯(lián)合循環(huán)機組的運行特性和經(jīng)濟性。圖4為大氣壓力對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組的影響情況，其中運行值是選取聯(lián)合循環(huán)機組300個時刻的運行數(shù)據(jù)，以大氣壓力為橫軸，分別以燃機功率、燃機效率、聯(lián)合循環(huán)功率和聯(lián)合循環(huán)效率為縱軸而得到的，模擬值是以運行值的平均大氣溫度作為進口條件而模擬得出的。

由圖4(a)可知：燃機功率模擬值擬合直線和運行值擬合直線均隨大氣壓力的升高而呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于大氣壓力升高，使得空氣密度升高，進而使得壓氣機進口質(zhì)量流量升高和燃料流量升高而導致的。從模擬值擬合直線可以得出：大氣壓力每升高0.2 kPa，燃機功率升高0.21%左右。

由圖4(b)可知:燃機效率模擬值幾乎不隨大氣壓力的變化而變化，這是由于燃機功率和燃料質(zhì)量流量同步升高而導致的，而對于燃機效率運行值隨大氣壓力的升高而出現(xiàn)輕微上升趨勢，這是由于大氣溫度的變化引起的。由燃機功率和效率的模擬值及運行值的對比可知：大氣壓力上升會增加燃機的輸出功率，但幾乎不影響燃機效率。

由圖4(c)可知：大氣壓力上升使得聯(lián)合循環(huán)功率增加。這是由于燃功率的增加使得燃機排氣焓值增加，從而使得汽機功率上升，最終導致聯(lián)合循環(huán)功率增加。從模擬值擬合直線可以得出：大氣壓力每升高0.2 kPa，聯(lián)合循環(huán)功率升高0.21%左右。

由圖4(d)可知:聯(lián)合循環(huán)效率模擬值幾乎不受大氣壓力的影響， 但其運行值隨大氣壓力的升高出現(xiàn)輕微下降趨勢，這是由于大氣溫度的變化而導致的。綜合聯(lián)合循環(huán)功率和效率的模擬值及運行值可知：大氣壓力的升高對聯(lián)合機組效率幾乎沒有影響，但可以提高聯(lián)合循環(huán)功率。

圖4 大氣壓力對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組的影響

4 結論

通過對PG9171E型燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組建立模塊化數(shù)學模型，詳細分析了大氣壓力和溫度對該聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響，并通過實際運行數(shù)據(jù)進行了驗證，獲得以下結論：

1) 燃機功率、燃機效率和聯(lián)合循環(huán)功率均和大氣溫度呈負相關，但聯(lián)合循環(huán)效率和大氣溫度呈正相關。因此，大氣溫度的升高對于電廠總發(fā)電量是不利的，但對于電廠經(jīng)濟性運行是有利的。

2) 燃機功率和聯(lián)合循環(huán)功率均和大氣壓力呈正相關， 而燃機效率和聯(lián)合循環(huán)效率和大氣壓力相關性較小。因此，大氣壓力的上升對于電廠總發(fā)電量是有利的，對電廠經(jīng)濟性影響較小。

3) 在機組實際運行中，由于大氣溫度相對變化范圍比大氣壓力大，因此大氣溫度對燃機及其聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響比大氣壓力大。

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(責任編輯 楊黎麗)

The Influence of Atmospheric Temperature and Pressure on 9E Combined Cycle Unit Performance

LIU Chuang, LIU Yong, JIN Ren-han, LI Peng-fei, YUE Meng-he

(College of Energy and Power, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

In order to study PG9171E gas-steam combined cycle generating unit operating characteristics in varying conditions, the main components of the unit were modeled by themethod of modular modeling,and simulation system was obtained for calculating the variable conditions unit performance. Calculated by simulating the system performance under different atmospheric pressure and temperature of the unit, the results show that atmospheric temperature was negatively correlated with gas turbine power, gas turbine power and combined cycle power,and positively correlated with the combined cycle efficiency; atmospheric pressure was negatively correlated with gas turbine power and combined cycle power, and was less relevant with gas turbine efficiency and combined cycle efficiency.

gas turbine; combined cycle; variable condition

2016-06-22 作者簡介：劉闖(1989—)，男，碩士研究生，主要從事火力發(fā)電機組研究，E-mail:625392109@qq.com。

劉闖，劉勇，金仁瀚，等.大氣溫度和壓力對9E型聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):84-90.

format：LIU Chuang, LIU Yong, JIN Ren-han, et al.The Influence of Atmospheric Temperature and Pressure on 9E Combined Cycle Unit Performance[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):84-90.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.015

TM619

A

1674-8425(2016)11-0084-07