（热能工程专业论文）300mw联合循环机组变工况优化运行研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为适应电力市场的发展，提高机组经济性，本文针对3 0 0 m w 二拖一型 燃气一蒸汽联合循环机组进行负荷优化分配的研究。 作为基础，建立了燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机的变工况模型，介绍 了影响机组性能的因素，并详细讨论了联合循环机组不同组合方式运行的变 工况特性计算方法。 对应不同的负荷调度方式，建立了两种优化模型：在线优化和离线优化。 分析了两种优化模型的特点和实现方法，并详尽阐述了遗传算法在机组离线 优化中的应用。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt 0a d a p tt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r icp o w e rm a r k e t a n dt 0i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eu n i t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e so i l l o a do p t i m a ld is p a t c ho fa3 0 0 m wc o m b i a e dc y c leu n i tw h i c hc or t s i s t s o ft w og a st u r b i n e s ，t w oh e a tr e c o v e r ys t e a mg e n e r a t o r s ( h r s g ) a n da s t e a mt u r b in e a st h ef o u n d a t i o n ，p a r t l o a dm o d e l so ft h e s eg a st u r b i n e s ，h r s g s a n ds t e a mt u r b if l ea r ef o u n d e d t h i sp a p e rp r e s e n t sf a c t o r sh a y i n g e f f e c to nu n i t p e r f o r m a n c e ， a n dd is c u s s e ss e v e r a l c o r r e s p o n d i n g m e t h o d sf o rc a l c u f a t i n gt h e p a r t l o a dp e r f o r m a n c eo f t h ec o m b i i l e d c y c l eu n i tw h i c ho p e r a t i n gi n d i f f e r e n tc o m b i n a t i o nm o d e s f o rd i f f e r e n tl o a dd is p a t c h i n gs t y l e s ，t w oo p t i m a lm o d e lsa r e f o u n d e d ，w h i c ha r eo n l i n eo p t i m i z a t i o na n do f f l i n eo p t i m i z a t i o n 。t h is p a p e ra n a l y z e st h e c h a r a c t e r is t i ea n dt h er e a l iz a t io nw a yo ft h e s e t w o o p t i m a l m o d e ls t h e nt h ea p p l i c a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h mi n o f f l i n eo p t i m i z a t i o nm o d e li se x p r e s s e di nd e t a i l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名噪福表 签字吼 码年 月2 d 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：璨褊彖 导师签名： 签字日期：细哆年月沙日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节发展联合循环机组的重要性 在现代社会，电力是经济、科技、社会发展的物质基础，是“百业之源”。 一个国家的经济实力及其发展情况与这个国家占有的能源资源及其利用情 况密切相关，而把能源资源转化成电能，则是能源利用中最为重要的手段， 因而电力工业的发展正标志着一个国家的发达程度。 自新中国成立以来的半个世纪中，中国政府一直把电力工业作为国民经 济的先行行业，经过大规模经济建设，已形成一套比较完整并具有相当规模 的电力工业体系。改革开放的2 0 年是中国电力工业大发展的时期，到2 0 0 0 年底全国发电装机容量达到3 1 9 亿k w ，其中水电占2 4 9 ，火电占7 4 4 ； 发电量为1 3 6 8 5 亿k w h ；总装机容量和发电量均占世界第二位。然而考虑 到我国人口众多，中国人均装机容量为0 2 5 k w ，人均年用电量为1 0 6 4 k w h ， 均不到世界人均水平的一半，仅为发达国家的l 6 1 1 0 【1 1 ，这与我国能源生 产和消费大国的地位极不相称，特别是无法满足国民经济飞速发展的需要， 甚至已经成为制约经济发展的重要因素。因此，把优先发展能源产业，其中 包括电力工业，必将成为我国一项长期的战略任务。 就世界电力工业发展的历程来看，以往人们主要是依靠燃煤的蒸汽轮机 电站来实现发电目标的。在这个领域内，人们一直环绕着以下两大问题进行 着卓越的工作，即：不断地提高燃煤电站的单机容量和供电效率：解决 日益严重的因燃煤而造成的污染问题，以满足环境保护的要求。 在目前的技术条件下，常规火力发电厂的供电效率比较低；另外，常规 燃煤火力发电厂引起的环境污染比较严重。随着对环境保护的要求越来越严 格，传统的发电方式必将受到某种程度的限制。 燃气一蒸汽联合循环发电，由于其具有高效低耗、启动快、调节灵活、 可用率高、投资省、建设周期短、安全可靠、环境污染小等一系列优点，目 前在国外电力行业正日益得到重视和发展，已经成为世界电力工业的一个重 浙旺大学硕士学位论文 要组成部分。我国的能源资源虽然以煤为主，但随我国能源结构的调整，环 保要求日益严格，燃气一蒸汽联合循环作为一种先进的发电技术，在我国电力 生产行业中的地位也日益提高。 第二节燃气- 蒸汽联合循环简介 世界上燃机技术参数及性能发展为四代：2 0 世纪6 0 年代开始建设联合 循环电站，当时的燃气轮机参数很低，联合循环的热效率仅为3 5 ，达不到 大型火电机组热效率的水平，因此在此阶段发展较慢；7 0 年代，燃气轮机初 温提高到1 0 0 0 左右，其联合循环热效率达到4 0 4 5 ，已接近或超过 大型火电机组效率；8 0 年代，燃气轮机的初温进一步提高到1 1 0 0 1 2 8 8 ， 排气温度达到5 0 0 6 0 0 ，这使联合循环发电效率超过5 0 ，大大超过大 型火电机组效率而得到迅速发展，单机功率1 0 0 m w 等级的燃气轮机已成功 地投入商业运行，并有很好的运行业绩；9 0 年代，由于燃气轮机联合循环机 组所具有的明显优越性能，其技术出现了很大飞跃，国外大公司相继推出了 先进的大功率高效率的燃气轮机系列及联合循环机组，燃气初温1 3 0 0 ，效 率3 6 3 8 ，单机功率2 0 0 m w 等级的大功率联合循环装置投入商业运行， 这种先进型联合循环机组是目前各大燃机厂商推出及研究发展的机型。燃气 轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位就发生了明显的变化，在世界发 电容量中所占份额明显地快速增长它们不仅可以用作紧急备用电源和尖峰 负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷。正如文献【2 】中所指出，在世 界范围内燃气轮机及其联合循环已经成为火电发展的主要方向，在2 1 世纪 初它不仅与传统的蒸汽轮机电站“平起平坐”、“平分秋色”，而且大有“超 越之势”。 燃气蒸汽联合循环实质上是把在高温区工作的燃气轮机b r a y t o n 循环和 在中低温区工作的蒸汽轮机r a n k i n e 循环叠置，组成总能利用系统。它利用 燃气轮机和蒸汽轮机这两种早已成熟的动力机械装置，实现了热能的梯级利 用。 目前，联合循环可分为有补燃和无补燃的方式。所谓“有补燃”是指： 在余热锅炉中补充燃烧定量的燃料，这样就可以增大在余热锅炉中产生的 浙江大学硕士学位论文 蒸汽量，并提高主蒸汽的热力参数，由此可以增大联合循环的单机功率。随 着燃气轮机初温值的增高，采用补燃方式将逐渐失去提高整台联合循环装置 热效率的作用。理论研究表明：当燃气轮机的初温大于9 0 0 后，补燃方式 反而会使联合循环的效率下降。因而，现在已很少采用补燃式的燃气一蒸汽 联合循环方案了。1 3 1 无补燃的余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环供电效率主要取决于燃气轮 机的效率【2 j 。我们不仅希望联合循环在设计工况下具有很高的效率，而且期 望它在部分负荷工况下，也必须有尽可能高的效率。为了提高部分负荷工况 下联合循环的效率，设计联合循环时可以采用多台燃气轮机的方案。这样， 在部分负荷时可以停运几台燃气轮机，而使其他的燃气轮机仍然能够在高负 荷和高的燃气初温条件下运行。这种运行方式可以有效地改善联合循环电站 部分负荷工况下的效率。 对于多台燃气轮机方案，必须考虑机组运行经济性、安全性、外界环境 的变化以及机组自身的技术约束条件等要求，研究联合循环机组运行的最佳 匹配方式和机组开停机时间的最优化分配。 第三节课题介绍 本文针对温卅龙湾燃机电厂3 0 0 m w 燃气一蒸汽联合循环机组，进行负 荷优化分配的研究。该机组系由二台美国g e 公司制造的p g 9 1 7 1 e 型燃气轮 机、二台比利时c m i 公司的无补燃余热锅炉和一台蒸汽轮机所组成的联合循 环机组，即所谓的二拖一型联合循环机组。 二台燃气轮机各配一台余热锅炉，二台余热锅炉产生的过热蒸汽通往同 一台蒸汽轮机发电机组。在适应变动负荷运行时，可以按二拖一方式运行， 也可按一拖一方式运行( 仅以一台燃机和一台余热锅炉带蒸汽轮机运行) ， 又可按简单循环方式运行( 只有燃气轮机投入运行，燃机排气通过旁通烟囱 排空，锅炉和汽机都不投运) 。 二拖一型燃气一蒸汽联合循环机组的示意图见图1 1 。 浙江大学硕士学位论文 圈1 - l 二拖一型联合诏环机组不惫l 堇【 这种类型的机组，在满负荷时可以取得较高的效率；在部分负荷时可以 停运一台燃机，而使另一台燃机仍然能够在高负荷和高的燃气初温条件下运 行。这种运行方式可以有效地改善联合循环电站部分负荷工况下的效率。 实际上，这种机组的组合方式很复杂，通常有下列几种组合方式： 两台燃机作联合循环运行( 2 g t - c c + s t ) ； g t l 燃机作联合循环运行加上g t 2 燃机作简单循环运行 ( o t l c c + s t + g t 2 s c ) ： g t 2 燃机作联合循环运行加上g t l 燃机作简单循环运行 ( g t 2 c c + s t + g t l s c ) ： 两台燃机作简单循环运行( 2 g t - s c ) ； g t l 作联合循环运行( g t l c c + s t ) ； g t 2 作联合循环运行( g t 2 c c + s t ) ； g t l 燃机作简单循环运行( g t l s c ) ； g t 2 燃机作简单循环运行( g t 2 s c ) ； 当负荷变动时，需要根据机组的经济性、安全性、外界环境的变化以及 机组自身的技术约束条件等要求，研究联合循环机组的优化运行准则，确定 机组的最佳运行方式，并研制开发适用于a g c 需要的变工况优化运行软件。 4 浙江大学硕士学位论文 这是本课题要完成的第一项任务。 第二项任务则是根据预测负荷并考虑机组经济型、安全性、外界环境的 变化以及机组自身的技术约束条件等要求，研究机组开停机时间的最优化分 配。 电力系统频率的波动根据其周期长短和幅值大小可分为3 类，a 类：频 率波动的周期在l o s 至2 3 m i n ，幅值在0 ，0 5 o 5 h z 之间，主要由冲击负 荷变动引起，是电网a g c 主要调节对象。对于这类频率波动，有关设计技 术规程根据控制区域内装机容量或最大负荷大小，规定了频率偏差允许的波 动范围。b 类：频率波动的周期在2 3 m i n 至1 0 2 0 m i n 之间，幅值较大， 主要由生产、生活及气候变化引起。对这类频率波动的控制，现在主要由e m s 系统的超短期负荷预报软件进行控制。c 类：频率波动的周期在1 0 s 之内， 幅值在o 0 2 5 h z 以下，由于幅值小、周期短，e m s 不对其进行控制，而由机 组的一次调频进行调节。 4 】 由此可见，第一、二项任务分别对应电力系统频率波动的a 类和b 类的 调整。它们有着本质的区别，遵循不同的设计原则。因为前者主要针对a g c 的实时调度，而后者主要起非实时的指导作用，所以本文将它们分别称为在 线部分和离线部分。后文将详细介绍这两部分的研究情况而这一切的基础 就是燃气一蒸汽联合循环的变工况性能计算。 浙江大学硕士学位论文 第二章联合循环机组变工况性能计算 燃气一蒸汽联合循环机组由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机组成，其变 工况性能是燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机这三大部件的综合特性。是指机 组并网发电并在稳定工况下运行，也就是三个部件相互关联平衡运行时的装 置总体性能。为了计算整台机组的变工况特性，必须分别计算燃气轮机、余 热锅炉和蒸汽轮机的变工况特性。 5 1 随着科技的迅速发展，尤其是计算机技术的迅速发展，应用计算机对实 际系统进行模拟分析、优化设计，己成为人们解决实际问题的一个重要手段。 它包括分析研究对象、建立数学模型、编制和校验计算机程序、输入原始数 据计算以及用计算结果对研究对象进行评估与综合优化等内容。其中数学模 型的建立及其程序实现是基础和关键所在。 由于联合循环机组部件较多，牵涉的关系错综复杂，因而对其进行负荷 优化分配时，必须建立详尽的数学模型。 建立机组模型有两种方法：其一是通过试验或理论计算的方法，获得机 组各组成部件的变工况特性。试验的方法虽然具有精度高的优点，但完整试 验的工作量很大；若采用理论计算的方法，必须知道机组较详细的几何参数， 而这又是制造厂家不给提供的。如果在某些假设条件下得出各个部件参数间 的一些经验关系式，虽也能进行机组变工况计算，僵计算误差较大。其二是 充分利用制造厂家提供的特性曲线及修正曲线。若制造厂家提供了燃气轮 机、余热锅炉和蒸汽轮机的变工况特性曲线，则可以利用这些特性曲线建立 变工况模型：根据特性曲线拟台出曲线的数学表达式，然后就可以利用这些 公式来计算联合循环变工况性能。这样建立起来的模型仅仅是同型号机组的 平均特性，故而不能反映每台特定机组在制造、安装、调试和维护中所产生 的差异，而这类差异对总体性能的影响是不可忽略的，所以需要进行一系列 的试验来校核模型的精确性。 综合以上考虑，本文采用第二种方法建立联合循环机组的变工况计算模 型，并通过一些必不可少的试验来校核其精确程度。这样就尽可能地减少了 工作量。 6 浙江大学硕士学位论文 第一节各部件变工况模型 和所有基于燃气轮机的装置一样，在部分负荷下运行时，联合循环机组 的性能会急剧下降，比常规的蒸汽轮机机组要快得多。因此联合循环机组一 般适合于带基本负荷，负荷不变或变动甚少。但实际上联合循环机组具有启 停灵活的优点，常被用来承担着调峰任务，负荷变动频繁，并且经常处于部 分负荷下运行。因此研究联合循环电站在部分负荷下的性能及此时的运行策 略，具有重要意义。1 6 1 燃气一蒸汽联合循环机组的性能，不仅与负荷有关，而且还受到外界大 气环境的变化影响。大气温度、大气压力及空气的湿度都会使燃气轮机及其 联合循环的功率和效率产生不同程度的变化。 温州龙湾燃机电厂3 0 0 m w 燃气一蒸汽联合循环机组采用不补燃的方 式。另外，由于燃气轮机的技术进步，其排气温度升高，足以采用高参数的 汽轮机，而且在余热锅炉中加的燃料，只是用来加热蒸汽，仅相当于r a n k i n e 循环的效率，使整个系统效率降低，并使系统复杂化，降低了系统的可靠性， 故现在新建的联合循环电站中很少再有采用补燃的了 3 , 6 1 。因此，本文仅讨 论不补燃的联合循环机组，这不仅是针对特定机组，而且也具有代表性。 下面首先介绍联合循环的三大部件即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机的 变工况模型。 一、燃气轮机变工况模型 燃气轮机工况由大气温度巧、 决定。【7 1 o 】 燃油耗量g = 石慨，巧，z ) 排烟温度= 五胁。，巧，正) 排烟流量g 暑= 工慨，巧，五) 其中，巧一一大气温度 p ：一一大气压力 大气压力p ：、燃气轮机输出的电功率n e 。 n e e , 一一燃气轮机输出的电功率 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文 1 、负荷的影响： 假设由于外界用电情况的变化，致使发电机的负荷减小了。那么喷 到燃烧室中的燃料量丑口尚未发生变化的时候，燃气轮机的转速就会逐 渐升高。为了确保发电机的频率恒定不变，机组的调节系统就要起作用， 以求减少燃料的喷入量召口。其结果将会导致透平前的燃气初温t ：降低， 并使机组发出的净功率恰好能与新要求的负荷功率相平衡；同时使机组 的转速重新稳定到i l y = n y o = 常数的水平上去工作。由于机组转速不变， 当负荷降低时，流经机组的空气流量地口变化很少；由于喷到燃烧室中 的燃料流量减少了，必然会导致透平前的燃气初温，：有相当幅度的降低； 既然肌口变化很少，而t ：却降低了，也就是说，需要流过透平通道的燃 气的体积流量减少了，燃气就比较容易通过，即透平对气流所施加的阻 力减小了，从而使压气机的压缩比式相应地有所降低；由于r ；和占：的降 低，必然使机组的效率彬有所下降。 2 、大气温度的影响 大气温度对于简单循环燃气轮机及其联合循环的功率和效率有相 当大的影响，这是由于以下三方面的原因造成的，即：随着大气温度 的升高，空气的密度变小，致使吸入压气机的空气的质量流量减少，机 组的作功能力随之变小：压气机的耗功量是随吸入的空气的热力学温 度成正比变化的，即大气温度升高时，燃气轮机的净出力减小；当大 气温度升高时，即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定，压 气机的压缩比将有所下降，这将导致燃气透平作功量的减少，而燃气透 平的排气温度却有所增高。 随着大气温度t 的升高，燃气轮机及其联合循环的输出功率都是会 下降的，但是联合循环的输出功率减小得要比燃气轮机平缓。这是由于 燃气透平的排气温度略有增高，可以在余热锅炉中获取更多的能量，到 蒸汽轮机中去作出更大数量的机械功的缘故。反之，当大气温度下降时， 联合循环的相对输出功率增大的程度则要比燃气轮机少。这是由于当机 组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定时，压气机的压缩比略有增 高，致使燃气透平的排气温度有所下降，最后导致蒸汽透平的作功量有 所减少的缘故。 浙江太学硕士学位论文 随着大气温度t 的升高，燃气轮机的相对效率是下降的，但其联合 循环的相对效率却反而略有增高的趋势。这是由于当大气温度升高时， 随着燃气轮机排气温度的增高致使蒸汽轮机效率增大，足以补偿燃气轮 机效率的降低。从物理意义上讲，这是由于当大气温度升高时，压气机 的出口温度相应也会增高。为了保证燃气透平前的燃气初温恒定，喷入 燃烧室的燃料消耗量就可以减少，其减少的程度将比联合循环总输出功 率的减小程度更加多一些，致使总的热效率反而略有增大的趋势。随着 大气温度的下降，联合循环的效率反而会有略微减小的趋势。 3 、大气压力的影响 大气压力p 。的较大幅度的变化，主要是由于机组所在地海拔高度的 变迁造成的。 如果大气的温度保持恒定不变，那么，大气压力的变化不会导致燃 气轮机效率的增或减，即：大气压力对燃气轮机效率的影响为零。 但是，燃气轮机的功率则与吸入的空气压力有密切关系，因为燃气 轮机的功率与所吸入的空气的质量流量成正比，而空气的质量流量又与 大气压力见成正比，所以燃气轮机的功率与大气压力见成正比。 在大气温度、机组的转速以及燃气透平前的燃气温度均保持恒定不 变的前提下，燃气轮机排气的质量流量以及余熟锅炉中可用于蒸汽发生 过程的余热，同样也会随大气压力按正比关系发生变化。如果假设蒸汽 循环的效率彳。不变( 实际情况正是如此) ，那么，在联合循环中蒸汽轮 机的功率也将与大气压力p 成正比。 由此可见，在联合循环中由于燃气轮机和蒸汽轮机的功率都与大气 压力成正比，因而，联合循环的总功率必然也与大气压力成正比。 由于喷入联合循环的燃料量与压气机吸入的空气质量流量成正比， 也就是与大气压力成正比，因而，联合循环的效率城将与大气压力无关， 即：大气压力变化时，程将恒定不变。 4 、大气湿度的影响 大气的湿度关系到从压气机吸入到燃气轮机中去的空气中所含的 水蒸汽含量，它将影响湿空气的比热容值，相应地会影响到压气机的压 缩功，透平的膨胀功以及燃烧室中燃料量的摄入量，从而影响到燃气轮 9 浙江大学硕士学位论文 机的比功和效率。 文献【1 1 】研究过大气的相对湿度对于燃气轮机效率和比功的影响关 系，指出：在比较低的大气温度下，相对湿度对热效率和单位质量的净 功的影响是可以忽略的；当大气温度和透平进口温度比较高时，相对湿 度增加使热效率降低，净功增加。 综合考虑以上因素和大气湿度测量的难度，本文的讨论忽略了大气 湿度的影响。 二、余热锅炉变工况模型 联合循环的优势在于对燃料中的化学能( 通过燃烧以热能的形式利用) 实 现能的梯级利用，因而具有良好的节能效益。在燃气一蒸汽联合循环或包括 供应工艺蒸汽在内的联合循环功热并供的总能系统中，余热锅炉( h r s g ) 是一 种普遍采用的能量转换设备。 大量的工程实践和研究表明，h r s g 是整个总能系统中一个重要的有机 组成部分，为系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上 启下的作用。h r s g 的结构、隍能以及参数都极大地影响到系统中其它设备 乃至整个系统的性能。 余热锅炉工况主要取决于燃气轮机排烟温度、排烟流量和汽包压力 3 , 9 , i 0 1 ，即： 蒸汽流量b = 五( 睡，巧，匕) ( 2 4 ) 蒸汽温度= 工( 嚷，匕) ( 2 5 ) 其中，c 一一燃气轮机排烟温度 g ，一一燃气轮机排烟流量 岛一一余热锅炉汽包压力 余热锅炉变工况热力特点：燃气侧热源变动大，蒸汽侧要求热力参数相 对稳定。燃气轮机负荷总在不断变动，又常运行在温度变化范围很大的大气 环境中。因此燃气轮机排气流量和温度都发生很大的变化。这样余热锅炉热 力特性也随之变动，其产汽量、蒸汽温度和压力等都会发生变化。而蒸汽侧 的热力参数通常要求比较稳定，即使滑压运行，变动量也不是很大，且还有 浙江大学硕士学位论文 许多工程上和热力学上的约束：省煤器不能出现汽化现象( 或接近点温差不 能出现零值或负值) ，排烟温度不能低于露点等。 由于外界环境温度和负荷工况的变化，燃气轮机总是处于变工况状态下 运行。余热锅炉的产汽量瓶将随燃气轮机排气流量和排气温度轴的升高而 增加，这是由于排气中可以回收的热能随之增大的缘故。此外，随着饱和蒸 汽压力的降低，蒸汽流量也会略有增大的趋势，这是因为相应的的饱和蒸汽 温度会有所降低，而传热温差有所增大的结果。 余热锅炉出口的过热蒸汽温度主要随燃气轮机排气温度而变，它受燃气 流量和饱和蒸汽压力的影响却较小。过热蒸汽温度将随燃气轮机排气流量的 减小和排气温度如的增高而上升。 三、蒸汽轮机变工况模型 从本质上来说，在联合循环中使用的蒸汽轮机与在常规的电站中使用的 蒸汽轮机相比，具有以下一些特点： ( 1 ) 一般不从这类蒸汽轮机中抽取蒸汽去加热给水因而，在联合循环 中由蒸汽轮机的低压缸排向凝汽器的蒸汽流量要比常规蒸汽轮机多。通常， 在常规的蒸汽轮机中，排向凝汽器的蒸汽流量只有主蒸汽流量的3 0 左右， 可是，在联合循环的双压或三压式的蒸汽循环系统中，排向凝汽器的蒸汽流 量却可能要比主蒸汽流量大3 0 左右，这就要求精心地设计联合循环中蒸汽 轮机地低压缸和凝汽器，以增大其通流能力和换热面积。 ( 2 ) 蒸汽汽轮机必须适应快速启动的要求。 ( 3 ) 在蒸汽轮机的运行方式上，一般摒弃常规电站蒸汽轮机采用蒸汽压力 恒定不变的调节方式，而采用滑压运行的方式。 当采用滑压运行方式时，蒸汽轮机可以多发出一些附加功率，这是由于 在压力较低时，余热锅炉可以多产生一些主蒸汽的缘故。 采用滑压运行的另一个原因是为了在部分负荷时，能够使蒸汽轮机的排 气温度基本上保持不变，蒸汽的湿度不至于过大。这是由于在部分负荷工况 下，随着燃气轮机初温的下降，在余热锅炉中产生的主蒸汽温度有较大幅度 降低的缘故。 浙江大学硕士学位论文 蒸汽轮机工况主要由蒸汽轮机进汽参数、和凝汽器真空决定。 g a o l 蒸汽轮机出力t = 五( b 。，b 。，匕)( 2 6 ) 其中，k ，见。一一蒸汽轮机进汽流量、温度、压力 名一一凝汽器真空 第二节各部件变工况性能计算 上一节建立了燃气一蒸汽联合循环机组三大主要部件，即燃气轮机，余 热锅炉和蒸汽轮机的变工况性能计算模型。很显然，必须用某种方法进行计 算，得到形如第一节给出的部件变工况模型，才能由此计算出整台联合循环 机组的变工况性能。 本章开始曾经提到要利用制造厂家提供的特性曲线及修正曲线进行机 组变工况性能的计算，本节则分别根据不同的部件详加说明。 一、燃气轮机 图2 - 1 为g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机估算性能曲线( 烧重油机组) ，其压气机 进气条件为：5 9 f ( 1 5 1 2 ) ，相对湿度6 0 ，大气压力( 1 0 1 3 b a r ) 。横坐标 表示发电机出力与设计值的百分比，纵坐标表示热耗量与设计值的百分比。 由图中可以看出，燃机热耗量与出力近似成线性关系。 图2 2 为g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机压气机进气温度对基本负荷下的出力、热 耗量、排气流量和排气温度的影响( 烧重油) 。横坐标表示压气机进气温度 ( 下) ，纵坐标分别表示基本负荷下燃机出力、热耗量、排气流量及热耗率与 设计值的百分比和排气温度( 下) 。可见，随着压气机进气温度的升高，燃机 的基本负荷出力、热耗量和排气流量都会降低，而热耗率则有所增大，也就 是说燃机的效率是随着压气机进气温度的升高而降低的。排气温度随着压气 机进气温度的升高而升高。 1 2 浙江大学硕士学位论文 g 酊嘲叫e l b c t r i om o d e lp g 9 1 7 1 旧g t t a b l n e e 日h _ 喇r k n - q 憎c a 啊刊r b 眦m y o i c n 口t ，啊i n 喇c o n h o 5 0 f 门5q 6 慨r 目h u m r y l m c d m h m i cp r m a t r m l 4 7 佣f ，a 3b i r ； 。i ii 。 a - if | i i 二i： o i j。7 1一；fi ! ； 1 1 ，。，一 ； ：l i i ! 。 5 7i ： ；ll ； ! r i - ； ；一i ；i 。 i ： 7 ； i ； ： 4 ： ij ： 一 i i i 一 i 11 o1 0 w * m 口 1 舻 蛳1 脚 裂” 图2 1g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机估算性能曲线( 烧重油机组) g 日唾担a l 曰上c r 舟c ”0 0 e l r 筠1 7 1 a 马g a s t u r b i n e 。器：嚣r i 9 l e ：= = 裟：麟o h c a “叫* e u t r o o a n d e _ i h m 岫瞳t 田_ d 、 l 、 、 、 - 一 心 枣 k 、ll 一 毽 s 、： _ _ 、| 、- 、 口 o 饕7 。1 1 0 f j 岬“”帅日= 哿，? r o d h 麒 图2 - 2g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机压气机进气温度对基本负荷下的出力、热耗量、 排气流量和排气温度的影响( 烧重油) 图2 3 为g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机进1 2 1 导流叶片对排气流量和排气温度的 影响，它是出力和压气机迸气温度的函数。为了防止燃气轮机在低速时压气 机发生喘振，并且为了使燃气轮机在变工况运行时联合循环有较高的效率， 要求燃气轮机有较高的排汽温度 1j l ，机组采用可调导叶( i g v ) 系统以改善 l”目-h_日o 宣喜tjj，et5_z 拍 协 f冒占盖星 浙江大学硕士学位论文 部分负荷下的效率，具体做法是随着输出功率降低而关小燃气轮机的进口可 调导叶，减小燃气轮机的空气流量，同时使燃气轮机透平前温度保持不变， 从而排气温度随着功率降低而升高，在余热锅炉中可以回收的单位热量增 多，机组效率有了明显改善。从图中可以看出，当燃机功率由满负荷逐渐降 低时，由于i g v 的作用，排气流量减小，此时排气温度升高：负荷降低到一 定程度，i g v 关到晟小，排气流量几乎不再变化，排气温度则因燃料量的减 小而降低。 叵 器 鼍 g e p c 9 1 7 1 ( e ) 墨置机 进口导泷叶片对捧气0 t 和撮度的肇响 它矗出力和压气机进气虞的蕾藏 量辩重幢 t 件怔封蛐轺 地u 口畸一 - 一 e 一 o 一 5 0 0 _ j “ 0 1 口 s ，c 譬f e k f 一 02 0柏 _ 口 3 口 ：讲1 净 0 * n c - r 乱a r0 u 诅啦p r t t 土电机山 一t 分地 图2 - 3g ep g 9 1 7 1 ( e ) 型燃机进e l 导瀛叶片 对捧气漉量和排气温度的影响 图2 - 4 为g e 燃机海拔修正系数，也就是大气压力对燃气轮机出力和燃 料消耗量的修正系数。 4 新江大学硕士学位论文 算 g i n * e r a l 目e c t r t cg a st u r b i n e 卅t u d ec o r r e c t l o nf a c t o r l a d l e r i l lv aa t m o s p h er k ：p r e 醴u n l a 喇 a m 岫v sc c r n 蚓d m lf a c t m f o r g a o r u r t * n e o 嘣p m n d f u 时c _ 日埘t 曲n h d “m - 喇t h r r r e 由r o 咩n n o t f f c 州b y l q - 2c - m 曲n f l l c w n w 州47 厂 f a r 、 、 。 。 ；嗣用e 、 、 012345b78b l t 删o 一t h o u s n o 陀e t 4 2 4 铷14 1 i s h a e 6 2 f j b r o 嘴r e v a 图2 - 4g e 燃机海拔修正系数 根据以上燃气轮机特性曲线和修正曲线，就可以进行燃机变工况性能计 1 热耗率的计算2 】 ( 1 ) 计算现场条件下机组满负荷输出g 哦和热耗率艘。 g o o = g o o ( z s o ) k c r xk s 。c tx f a wx ，a p e x f c a s h r o = n r o ( 1 s o ) k h rc r c c d p e 式中： g 0 0 ( 册) 一一标准工况下机组出力 h r 。( 册) 一一标准工况下机组热耗率 k c f 。，一一海拔对出力的修正系数，由曲线图4 1 6 h a 6 6 2 ( 图2 - 4 ) 确定。 no*1mo一oz 1寿呈 ! 耋 ! 莹 啪 盯 | 莹 ! 彗 帖 m 幅 m m 怡 似 住 ；呈 ” m !te)竹me坌tur协坌毫 浙江大学硕士学位论文 k c oc r 一一压气机进气温度对出力的影响，由曲线图5 2 0 h a l l 2 ( 图2 2 ) 确定。 一一现场实测的进气压降对机组出力的修正系数： 岛= 1 - ( 1 5 4 妇。印。) l 1 0 1 6 ) ，这里卸。为现场实测的 进气压降，印。为合同规定的迸气压降，它们的单位均为 毫米水柱。 厶。一现场实测的燃气轮机的排气压降对机组出力的修正系 数，对于p g 9 1 7 1 e型燃气轮机为： = 1 一( 0 5 6 x 鸯一a p 口) 1 0 1 6 ) ，这里印8 为现场实测 的排气压降，印。为合同规定的排气压降，它们的单位均 为毫米水柱。 足。一实测功率因数对机组出力的修正系数， ，c 。= e ( c o s ) ：e ( o 8 5 ) ，e ( c o s ) 为发电机在实测功率因数为 c o s 时的效率，占( 0 8 5 ) 为发电机在功率因数为o 8 5 时的效 率。 k n rc ，一一压气机迸气温度对热耗率的影响，由曲线图5 2 0 h a l l 2 确定。 c 。一一现场实测的燃气轮机的进气压降对机组热耗率的修正系 数，对于p g 9 1 7 1 e型燃气轮机为： c d f i = l + ( o 5 6 x ( p b 一肇e ) l o t 6 ) c d p e 一一现场实测的燃气轮机的排气压降对机组热耗率的修正系 数，对于p g 9 1 7 1 e型燃气轮机为： c = 1 + ( o 5 6 x 母一p 口) 1 0 1 6 ) ( 2 ) 计算现场实发功率g o 与6 0 0 的比例关系( 百分数) 。 k c , o = g o g o o 1 0 0 。 ( 3 ) 计算热耗率h r ： h r = t i r d k m c ，女 式中： k w 一一发电机出力对热耗量的影响，由曲线国5 2 0 h a l l 6 ( 图 2 1 ) 确定。 浙江大学硕士学位论文 2 排气流量的计算( 利用插值法) 根据曲线图5 2 0 h a 4 0 7 ( 图2 3 ) ，可得到压气机进气温度分别为0 ， 3 0 ，5 9 ，9 0 ，1 2 0 * f 时排气流量与发电机出力的关系( 拟合成二次曲线 的形式) 。对于其它的压气机进气温度，则应用插值的方法进行计算。 计算进气温度c t ，出力g o 下的排气流量： ( 1 ) 确定其相邻的可查温度c r , ，c l 。 ( 2 ) 根据转折点出力与压气机进气温度的关系( 线性) ，确定工况点 所处的曲线段。 1 2 1 ( 3 ) 计算大气温度为c 正和c r , ，出力为g o 时的排气流量e 一和e 。 ( 4 ) 确定插值的比例系数： 七：里二璺 c 疋一c r , ( 5 ) 计算压气机进气温度为c t ，出力为g o 时的排气流量。 e f = 老慨一弘) + 嬲 3 排气温度的计算( 利用插值法) 根据曲线图5 2 0 h a 4 0 7 ( 图2 3 ) ，可得到压气机进气温度分别为0 ， 3 0 ，5 9 ，9 0 ，1 2 0 下时排气温度与发电机出力的关系( 拟合成二次曲线 的形式) 。对于其它的压气机进气温度，则应用插值的方法进行计算。 计算进气温度c t ，出力g o 下的排气温度： ( 1 ) 确定其相邻的可查温度c z ，c 。 ( 2 ) 根据转折点与压气机进气温度的关系( 线性) ，确定工况点所处 的曲线段。 ( 3 ) 计算大气温度为c r , 和o r , ，出力为g o 时的排气流量明和e r , 。 ( 4 ) 确定插值的比例系数： k ：c ，r - c r , c 互一q ( 5 ) 计算压气机进气温度为c t ，出力为g o 时的排气温度。 e t = k ( e r , 一e r l ) + e z 浙江大学硕士学位论文 二、余热锅炉 文献 1 0 指出，联合循环装置中的余热锅炉是按照滑参数来运行的，其 进口参数决定于燃气轮机在不同工况下的烟气排出温度和流量，因而余热锅 炉的产汽量和蒸汽温度也不同，此外蒸汽流量和蒸汽温度还受到汽包压力的 影响，关系式如( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 所示。文中讨论了余热锅炉变工况性能的计 算方法，给出了余热锅炉变工况特性曲线的形式( 如图2 5 ) 。 l l o qh ，- g i 山，i “) a _ 幅l l - ，_ ) o ) 一，i 峨山，- 图2 - 5 余热锅炉特性曲线形式 可见，当燃气温度、汽包压力一定时，余热锅炉的排气流量、温度与燃 气流量成单调函数关系。变换燃气温度、汽包压力，得到余热锅炉性能曲线 族。若相应的燃气温度、汽包压力在图中没有对应的曲线，则利用插值的方 法计算。 余热锅炉的性能计算曲线没有提供，仅仅从资料中得到一组数据( 表 2 一1 ) 。 t 3 1 但是因为数据量比较小所以不能作出完整的余热锅炉变工况性能曲 线族。在实际应用中不得不作出某些假设，参考其它的余热锅炉性能，这样 才能得到必需的性能曲线族。当然这样的余热锅炉变工况模型是很不完善 的，可以说有很大的误差，必须通过热力试验进行校正。 浙江大学硕士学位论文 表2 i 余热锅炉性能数据 序号燃气流量燃气温度汽包压力蒸汽流量蒸汽温度 ( t t h )( )( b a r )( t h )( ) l1 4 3 5 1 35 3 1 76 3 81 7 5 0 34 9 2 4 21 6 0 9 4 55 1 2 76 5 31 8 1 4 64 7 5 5 31 3 2 0 2 65 4 4 76 2 91 7 1 4 45 0 3 7 41 1 0 4 3 55 5 9 75 5 61 5 0 2 45 1 5 51 1 0 22 7 7 72 4 ，93 0 6 62 7 7 ，4 61 1 0 2 9 84 5 1 73 8 31 0 9 0 24 3 6 7 71 1 0 2 0 73 7 7 72 6 98 0 0 23 7 1 7 81 1 7 9 0 74 3 3 73 6 81 0 5 9 l4 2 0 2 91 1 7 7 2 53 5 2 72 6 47 1 1 1 3 4 8 5 1 01 2 8 7 0 44 0 7 73 4 71 0 1 3 93 9 7 1 1 11 2 8 3 43 1 7 32 5 75 6 93 1 5 4 1 21 2 8 0 2 12 3 1 72 4 65 72 3 1 7 1 31 4 8 9 4 55 2 5 76 41 7 6 4 34 8 5 4 1 41 3 5 9 0 25 4 0 76 2 4 1 7 0 64 9 9 2 1 51 4 3 5 1 35 3 1 73 2 81 7 4 5 44 9 5 5 1 61 6 0 9 4 55 1 2 73 41 8 2 7 6 4 7 7 9 1 71 3 2 0 2 65 4 4 73 2 51 7 1 2 85 0 6 9 1 81 1 0 4 3 55 5 9 7 2 8 61 4 9 7 55 1 5 1 91 1 0 22 7 7 72 4 73 0 7 42 7 7 4 2 01 1 0 2 9 84 5 1 72 6 41 1 2 6 14 3 5 7 2 11 1 0 2 0 73 7 7 72 5 58 0 7 5 3 7 1 3 2 21 1 7 9 0 74 3 3 72 6 21 0 9 54 1 9 9 2 31 1 7 7 2 53 5 2 72 5 37 1 9 43 4 8 4 2 41 2 8 7 0 44 0 7 72 6 11 0 6 4 93 9 6 4 2 51 2 8 3 43 1 7 32 55 7 5 53 l5 4 2 61 2 8 0 2 12 3 1 72 4 65 6 72 3 1 7 9 浙江大学硕士学位论文 三、蒸汽轮机 联合循环机组的蒸汽轮机的特性曲线提供的比较完备 1 4 l ，完全可以根据 这些性能曲线，再加上必要的试验修正来计算蒸汽轮机的变工况性能。 图2 - 6 为蒸汽轮机出力与蒸汽流量的关系，可以看出汽机的功率与蒸汽 流量近似为线性关系。 g e n e r a t o ro u t p u tv st h r o t t l ef l o w s l l n l t 阼咎；脚；别2c o 0 5b a r e x p e c t e d 队 艘搿c u r a n t 唧 图2 - 6 汽机出力与蒸汽流量