制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效優(yōu)化設(shè)計(jì)

茍珈源，吳曉南，李 昊

（西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，成都 610500）

0 引言

制造業(yè)對(duì)于電能的需求量較大，為了節(jié)省購(gòu)電費(fèi)用和節(jié)約能源，制造業(yè)通過(guò)運(yùn)行燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，得到大量的可用電能[1,2]。目前研究制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組有效地結(jié)合布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)，操作更加靈活，得到的能效更高，排放量更低。

雖然制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)用功，影響電能的轉(zhuǎn)化效率，因此本文在當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效。

當(dāng)前制造業(yè)領(lǐng)域的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行模式存在漏洞和缺陷，負(fù)熵消耗較多，運(yùn)行成本較高。因此本文以制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析機(jī)組參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率的影響，最終建立制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效優(yōu)化模型，解決以上問(wèn)題。

1 制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效參數(shù)匹配優(yōu)化分析

1.1 制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理

制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組主要由蒸汽發(fā)生器、燃料燃燒室、省煤器、余熱器、溫度管理器以及余熱控制熱鍋爐構(gòu)成[3,4]。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的工作原理是在燃?xì)鈾C(jī)組和燃料機(jī)組連接處安裝一個(gè)余熱控制熱鍋爐，協(xié)助燃?xì)夂驼羝h(huán)組件的運(yùn)行。通過(guò)余熱控制熱鍋爐將燃?xì)庋h(huán)和蒸汽循環(huán)過(guò)程中，散出的余熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高循環(huán)發(fā)電的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，提高循環(huán)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行能效。余熱控制鍋爐的工作原理是二次加工燃機(jī)循環(huán)的排氣熱量和蒸汽機(jī)做功的無(wú)用功，將聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行能效最大化，其工作能效對(duì)于機(jī)組的運(yùn)行能效有關(guān)鍵性影響[5,6]。制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理

通過(guò)圖1可知，循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程首先是將得到的能源進(jìn)行相應(yīng)途徑的預(yù)熱，通過(guò)溫度的提高，逐漸將其不可轉(zhuǎn)化的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高電能的轉(zhuǎn)化率；然后當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到飽和溫度時(shí)，各個(gè)能源進(jìn)入相應(yīng)的蒸發(fā)器和燃料燃燒室內(nèi)；最后經(jīng)過(guò)蒸汽循環(huán)和燃?xì)庋h(huán)將蒸汽和燃料機(jī)械飽和加熱，達(dá)到一定溫度后，以有用功的形式輸出，為發(fā)電機(jī)組提高驅(qū)動(dòng)力，完成電能的轉(zhuǎn)化[7,8]。

1.2 制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效參數(shù)分析

在制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，分析機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中所涉及到的重要機(jī)組參數(shù)，根據(jù)各個(gè)機(jī)組參數(shù)的性能和含義，為循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)[9,10]。制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部傳熱量和溫度之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部傳熱量和溫度之間關(guān)系圖

根據(jù)圖2中傳熱量和溫度之間的關(guān)系，分析內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。在制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效的機(jī)組參數(shù)主要有節(jié)點(diǎn)溫差、循環(huán)過(guò)程中的余熱、循環(huán)排氣量等。

節(jié)點(diǎn)溫差是蒸發(fā)器內(nèi)部的溫度和混合循環(huán)發(fā)電機(jī)組內(nèi)溫度的差值，節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效有阻礙作用，節(jié)點(diǎn)溫差值越大，那么機(jī)組的運(yùn)行發(fā)電效率越低，但是在混合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)組的工作原理，始終會(huì)存在節(jié)點(diǎn)溫差，所以運(yùn)行能效優(yōu)化過(guò)程中只能最大力度地降低節(jié)點(diǎn)溫差值，以便控制發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行能效[11]。一方面節(jié)點(diǎn)溫差涉及到運(yùn)行機(jī)組的下位電站的運(yùn)行效率，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)溫差越大，蒸汽機(jī)內(nèi)部溫度和能源加工溫度的差值大，在蒸汽機(jī)和燃?xì)鈾C(jī)內(nèi)部的加熱時(shí)間就越長(zhǎng)，導(dǎo)致下位電站的運(yùn)行時(shí)間增加，降低其運(yùn)行效率；另一方面節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)內(nèi)運(yùn)行溫度有影響，要合理地控制節(jié)點(diǎn)溫差的數(shù)值，確保機(jī)組運(yùn)行能效。

循環(huán)過(guò)程中的余熱主要來(lái)源于蒸汽機(jī)與燃料機(jī)工作產(chǎn)生的余熱、機(jī)組內(nèi)部溫度過(guò)高產(chǎn)生的余熱，余熱過(guò)多代表能用混合循環(huán)的循環(huán)利用效果不好，為了提高循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效，最有效的辦法是將余熱二次加工，使余熱成為有效功。

循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的排氣量參數(shù)是運(yùn)行能效的具體體現(xiàn)，循環(huán)的排氣量越多，代表蒸汽機(jī)和燃料機(jī)產(chǎn)生的有效功越多，則轉(zhuǎn)化電能能力越多，因此在對(duì)制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)機(jī)組的排放量驗(yàn)證運(yùn)能能效[12]。

2 建立制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效優(yōu)化模型

燃料是制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，制造業(yè)在電能轉(zhuǎn)化過(guò)程中，常用的燃料是無(wú)害的化學(xué)產(chǎn)品，但是在燃料轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)分解一種物質(zhì)，對(duì)循環(huán)發(fā)電機(jī)組的組成零件進(jìn)行損害，降低器件的性能并且縮短發(fā)電機(jī)組器件的使用周期。在制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，燃料為生產(chǎn)組件和耗散組件提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，生產(chǎn)組件需要外部燃料燃燒分解的有機(jī)物和氣體，才可以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)組件完成工作任務(wù)，將有機(jī)物和氣體轉(zhuǎn)化為電能輸出[13]。燃燒室組件如圖3所示。

圖3 燃燒室組件

圖3中燃燒室組件內(nèi)部的參數(shù)如表1所示。

表1 燃燒室組件內(nèi)部參數(shù)

燃燒室工作示意圖如圖4所示。

圖4 燃燒室工作示意圖

耗散組件的工作任務(wù)是通過(guò)燃?xì)夂驼羝幕旌涎h(huán)加熱配合其他運(yùn)行組件的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，只有內(nèi)部燃料分解的物質(zhì)才可完成任務(wù)。壓氣機(jī)組件如圖5所示。

圖5 壓氣機(jī)組件

圖5中的壓氣機(jī)組件參數(shù)如表2所示。

表2 壓氣機(jī)組件參數(shù)

壓氣機(jī)工作示意圖如圖6所示。

其中控制運(yùn)行組件的變量為燃料量和負(fù)熵，因此兩種組件的燃料性能模塊如下所示：

圖6 壓氣機(jī)工作示意圖

在燃?xì)夂驼羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中需要調(diào)用許多的組件，每個(gè)組件具有不同的工作原理，每個(gè)組件的工作原理都是相應(yīng)組件的轉(zhuǎn)化模型。燃料室的工作是通過(guò)天然氣的化學(xué)能和負(fù)熵轉(zhuǎn)化增加燃料化學(xué)量。因此燃料室的轉(zhuǎn)換模型如下所示：

壓氣機(jī)的工作原理是通過(guò)燃料燃燒產(chǎn)生的氣體驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作，產(chǎn)生機(jī)械能，將機(jī)械能壓縮后，從而增加燃料的燃燒室的燃料，提高天然氣的化學(xué)能和負(fù)熵，促進(jìn)泵的運(yùn)行[14,15]。轉(zhuǎn)化模型計(jì)算公式如下所示：

通過(guò)壓氣機(jī)壓縮機(jī)械能量、將天然氣轉(zhuǎn)換成電能后，通過(guò)冷凝-散熱機(jī)制消耗負(fù)熵，使燃燒燃料的燃燒室內(nèi)天然氣產(chǎn)生的化學(xué)能和負(fù)熵增大，使天然氣和空氣產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生負(fù)熵，冷凝器的轉(zhuǎn)化模型如下所示：

通過(guò)以上對(duì)蒸汽和燃料混合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行組件的運(yùn)行性能研究，本文根據(jù)其原理對(duì)循環(huán)發(fā)電機(jī)組的蒸汽循環(huán)和燃料循環(huán)統(tǒng)一進(jìn)行合理的優(yōu)化，達(dá)到提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效的目的。

因?yàn)槿剂涎h(huán)產(chǎn)生的氣體都充分聚集在循環(huán)倉(cāng)的內(nèi)部，并且燃料循環(huán)可以促進(jìn)蒸汽循環(huán)的轉(zhuǎn)化率，因此燃料循環(huán)也被稱為頂循環(huán)。目前控制聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)燃料室的溫度下限為1500攝氏度，上限沒(méi)有具體的規(guī)定，如果燃料燃燒充分，那么會(huì)適當(dāng)提高燃料室的溫度。燃料循環(huán)的循環(huán)性能取決于燃機(jī)的燃燒轉(zhuǎn)換率，因?yàn)槿紵龣C(jī)的工作轉(zhuǎn)化率跟組件的性能有關(guān)，轉(zhuǎn)化率越高，燃燒循環(huán)周期越短，燃燒能效越好，因此根據(jù)燃燒機(jī)的工作負(fù)荷情況，能效發(fā)生周期性變化。

蒸汽循環(huán)的循環(huán)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于燃料循環(huán)的?，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和自身的燃燒動(dòng)力，完成循環(huán)操作，蒸汽循環(huán)的主要組件是凝氣器和蒸發(fā)器。凝汽器通過(guò)提取每次循環(huán)剩余的熱量進(jìn)行冷凝處理，從而保證蒸汽循環(huán)組件的安全性；蒸發(fā)器的工作是將燃料循環(huán)的部分熱量和蒸汽循環(huán)環(huán)境的溫度熱量共同轉(zhuǎn)化為電能。

為此根據(jù)蒸汽循環(huán)、燃料循環(huán)的工作原理分析以及制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效機(jī)組參數(shù)分析優(yōu)化模型如下所示：

其中，h1代表燃料循環(huán)的溫度；h4代表蒸汽循環(huán)的溫度；i1代表環(huán)境溫度；isui代表聯(lián)合循環(huán)的熱效率。

通過(guò)以上公式，可以得出循環(huán)燃料和蒸汽聯(lián)合循環(huán)的溫度越高，則聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行能效越高。綜上所述，通過(guò)提高燃料循環(huán)和蒸汽循環(huán)的循環(huán)溫度和工作環(huán)境溫度方法，提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行能效是可行的。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文提出的制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行能效優(yōu)化方法的有效性，與當(dāng)前優(yōu)化方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。選擇鞍山某電廠的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

計(jì)算負(fù)熵消耗，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 負(fù)熵消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7可知，經(jīng)過(guò)所提優(yōu)化方法優(yōu)化后制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的消耗的負(fù)熵小于當(dāng)前方法。在各個(gè)內(nèi)部組件中，燃料的成本本最高，所以燃燒室的負(fù)熵消耗最大。所提研究的優(yōu)化方法針對(duì)燃燒室進(jìn)行了特殊優(yōu)化，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)排氣損失進(jìn)行修正，減少負(fù)熵消耗。

優(yōu)化成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 消耗成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖8所示，所提優(yōu)化方法能夠有效降低工作成本，在優(yōu)化過(guò)程，所提優(yōu)化方法能夠逐漸減少下位機(jī)的排放損失。能夠針對(duì)上位電機(jī)和下位電機(jī)的連接處參數(shù)進(jìn)行分析，在確定不同的耦合參數(shù)后，通過(guò)優(yōu)化耦合參數(shù)提高聯(lián)合循環(huán)的整體效率。本文針對(duì)節(jié)點(diǎn)溫差、循環(huán)過(guò)程中的余熱、循環(huán)排氣量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，建立的優(yōu)化模型能夠有效提高聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行能效，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)了解制造業(yè)用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理，并根據(jù)循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)對(duì)能效的影響情況，建立循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行燃料優(yōu)化模型，合理地對(duì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，解決當(dāng)前發(fā)電機(jī)組負(fù)熵消耗多，運(yùn)行成本高的問(wèn)題。