（热能工程专业论文）宝钢电厂150mw高炉煤气—蒸汽联合循环热电机组热力特性研究.pdf

摘要 摘要 宝钢电厂1 5 0 m w 联合循环机组是世界上首台全烧高炉煤气且单轴布置的热 电联供机组，其相应的热力性能评价与经济指标分析没有标准可依，因此，对 燃机发电、供热特性进行定量的计算与分析是很有必要的，其研究成果对工程 实际有重要的指导意义。 本课题的主要目标是通过对燃气轮机不同供热工况下的测试、计算、分析， 完成机组性能与供热特性的研究；建立联合循环装置各主要部件热效率的计算 方法；建立燃气一蒸汽联合循环机组总能系统分析模型，建立燃气一蒸汽联合循 环机组总热效率的关系式，建立热电比与机组总热效率的联系，探讨热电比在 燃气一蒸汽联合循环机组节能分析中应用。 我们在前人在此方面的工作基础上，确定了机组热力计算分析系统，进行 了机组不同运彳于工况的性能试验，确定了机组整机和各主要部件热效率和热电 比的计算模型并进行了计算分析，对机组供热特性进行了计算和分析。在课题 的研究过程中，我们总结出一些新的研究方法，主要内容包括：高炉煤气蒸 汽联合循环机组总热效率解析式；空压机流量平衡计算法；联合循环机组汽轮 机功率反平衡计算法；联合循环热流图以及编写相应的工程计算软件。在此基 础七，我们对机组今后的运行提出些相应的建议。 关键词：联合循环、热电联产、热力特性、总热效率、热电比、热流图 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a o s t e e lp o w e rs t a t i o n15 0m wc o m b i n e dc y c l es e ti st h ef i r s to n ei nw h i c h b f g ( t h e b l a s tf u r n a c eg a s ) i so n l yb u r n e di nt h ew o r l da n di ti ss i n g l es h a f ta r r a n g e d t h e r ei sn os t a n d a r dt oe v a l u a t et h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt oa n a l y s i st h e t h e r m a le c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r e ，i ti s v e r yn e c e s s a r y t o c a r r y t h e q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa b o u t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f g e n e r a t i n gp o w e r a n d p r o v i d i n gh e a to n t h es e t t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ei m p o r t a n ti n s t r u c t i o nm e a n i n gt o t h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n f h em a i nt a r g e to ft h i st o p i ci st os t u d yt h eh e a tp r o v i d i n gp e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h es e tb yt e s t i n g ，c a l c u l a t i n ga n da n a l y s i st h eg a st u r b i n eu n d e r d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，t ob u i l du pc a t c u l a t i o nm e t h o do nt h ec h p ( c o m b i n e d c o g e n e r a t i o no f h e a ta n dp o w e r ) m a i ns e t s ，t ob u i l du pc h po v e r a l le n e r g ys y s t e m a n a l y s i s m o d e la n dt h e r m a l e f f i c i e n c yr e l a t i o n s h i p f u n c t i o nb e t w e e nc h pa n d s u b s y s t e m s ，t oc o n n e c tt h er e l a t i o n s h i pf i m c t i o nb e t w e e n t h e r m a le f f i c i e n c ya n dt h e h e a t p o w e rr a t i o ，m a dt od i s c u s st h eh e a t p o w e rr a t i oa p p l i c a t i o no n t h ec h p s y s t e m e n e r g ys a v i n g o nt h eb a s e so ft h ef o r m a lr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ec h ps e tt h e r m a lc a l c u l a t i o n a n a l y s i ss y s t e mw a s b u i l tu p p e r f o n n a n c et e s t su n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sw e r e c a r r i e do n t h ec h ps e tt h e r m a le f f i c i e n c ya n dh e a t p o w e rr m i oc a l c u l a t i o nm o d e l w e r eb u i l tu p t h ec h ph e a tp r o v i d i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d d u r i n gt h er e s e a r c h ，s e v e r a ln e w m e t h o d sw e r ep u tf o r w a r di n c l u d i n gb f gc h p t o t a l e f f i c i e n c ya n a l y t i cf o r m u l a ，a i rc o m p r e s s o rf l o wr a t e b a l a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d ， c h ps t e a mt u r b i n ep o w e ra n t b a l a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，c h ph e a tf l o wc h a r ta n d c o r r e s p o n d s o f t w a r e o nt h eb a s e so ft h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，s o m e c h p o p e r a t i o nm e t h o d s w e r es u g g e s t e d ， k e y w o r d s ：c o m b i n e dc y c l e ，c h p ，t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h e r m a le f f i c i e n c y h e a t p o w e rr a t i o ，t h e r m a lf l o w c h a r t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： e 刚 p y 年 月垆e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 燃气蒸汽联合循环热电联供概述 1 1 1 燃气一蒸汽联合循环热电联供的原理 1 燃气一蒸汽联合循环的基本原理【1 , 2 1 燃气轮机用于发电和供热的一种重要形式是蒸汽一燃气联合循环：燃气轮 机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机( 抽汽式或背压式) 共同 组成的循环系统，它将燃气轮机做功后排出的高温烟气通过余热锅炉回收转换 为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电做功后的乏汽用于供热。 形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮 机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。 燃科 燃烧叠f 。t f p l 机 汽 一、 l 轮【i l 。 【、机痘歪机 凝+ x 掣辜i 、 。! 培水泵 一+ 。 。 。 ! 一 ( a ) 基本型式；( b ) t - s 图示 图il 燃气蒸汽联合循环原理图 1 2 为空气在压气机中的压缩过程； 2 3 为空气和燃料在燃烧室内的燃烧过程( 工质吸热) 3 4 为燃气在燃气透平中的膨胀做功过程； 4 1 为燃气轮机排气放热过程； 觚薹一 二 ， 一一卜_-_j j _ 厂n一引 第1 章绪论 5 6 为给水压缩过程： 6 9 为水及水蒸汽吸热过程； 9 1 0 为蒸汽在汽轮机膨胀做功过程； l o 5 为汽轮机排汽冷凝放热过程。 蒸汽一燃气联合循环兼顾了燃气轮机b r a y t o n 循环高温加热的优势和蒸汽轮 机r a n k n e 循环低温排汽热损失小的优点，形成了总能系统新概念，使热力循 环的效率大大提高。不仅汇集燃气轮机的先进技术，在余热锅炉和汽轮机部分 又吸取常规汽轮机发电的优点，例如采用亚临界参数，以及蒸汽再热循环等， 使联合循环发电的理论效率大于6 0 。 燃气一蒸汽联合循环热电联供系统由燃气轮机发电系统和余热锅炉蒸汽轮 机发电供热系统所组成。它将燃气轮机的高温排气导入余热锅炉，用以产生高 温高压蒸汽驱动汽轮机发电机组，并将全部或部分作功后的蒸汽供给热用户。 2 联合循环热电联产的优点p 1 蒸汽一燃气联合循环发电与常规燃煤蒸汽循环发电相比，其主要优点有： ( 1 ) 热效率高 常规燃煤电厂由于其循环及设备的限制，它的热效率已很难有突破性的提 高，而蒸汽一燃气联合循环发电的热效率则远高于常规燃煤电厂。随着燃机进气 濡度和压比的提高，燃机效率和联合循环效率将进一步提高。 ( 2 ) 对环境污染极小 在各种型式的发电装置中，蒸汽一燃气联合循环电厂另一个主要优点是它能 适应环保要求，被称为“清洁电厂”。因它采用油或天然气为燃料，燃烧产物 没灰渣，不用灰渣排放；燃烧效率高，燃料能完全燃烧，燃烧产物中n 0 。可采用 注水、注汽等方法，将n o 。的含量降低至国家排放标准以下。 ( 3 ) 在同等条件下，单位( 比) 投资较低 根据国内建设不同容量燃煤电厂和蒸汽一燃气联合循环电厂的有代表性的实 际投资综合分析，燃煤电厂( p c ) 在采用国产设备，仅少量关键部件为进口的情 况下，其单位投资比蒸汽一燃气联合循环( c c ) 电厂贵，比带脱硫的燃煤电厂 ( p c t + f g d ) 则更贵了。 ( 4 ) 调峰性能好，启停快捷 燃机( g t ) 从启动到带满负荷运行，般不到2 0 分钟，快速启动时，时间可 第1 章绪论 更短。若以5 0 m w 电厂为例：联合循环( c c ) 电厂启动热态为6 0 分，温态为9 0 分，冷态为1 2 0 分钟可带满负荷。而汽轮机电厂启动至满负荷为：热态9 0 分， 温态1 8 0 分，冷态为3 0 0 分。因而联合循环电厂是城市备用或调峰机组的最佳 选择，它可承担基本负荷和调峰负荷使用。 ( 5 ) 占地少 c c 电厂由于无需煤场，输煤系统，除灰渣系统以及除尘、脱硫、脱硝系统 等等，所以厂区占地面积比p c 电厂所占厂区小得多。c c 电厂由g t 发电机组， 余热锅炉( h r s g ) 和s t 发电机组三大部分组成。其中，g t 和h r s g 均在制造厂 内完成最大可能的装配，且都是户外布置，安装场地少。与同容量( p c ) 相比， c c 电厂占地面积只有p c 电厂的面积3 0 4 0 ，且电厂建筑面积也只p c 电厂的 面积2 0 。 ( 6 ) 耗水量少 g t 电厂不需要大量冷却水，可减少冷却水的供应，这对于干旱缺水地区建 电厂尤为重要。简单循环只需2 1 0 火电厂的用水量，联合循环也只有火电厂 的1 3 左右。 ( 7 ) 厂用电率低 c c 电厂一般厂用电率不到2 ，而火电厂大机组厂用电率都在5 6 。 3 联合循环热电联供及其型式 ( 1 ) 燃气一蒸汽联合循环热电联供的主要型式【4 j 燃气蒸汽联合循环热电联供机组由燃气轮机、余热锅炉和供热汽轮机三大 装置组成，其分类型式也是多种多样，既可以按功率划分，也可以按燃气轮机、 余热锅炉和供热汽轮机的型式划分，还可以按布置方式划分。比如按功率划分， 可分为大型、中型、小型和微型机组；按布置方式划分，可分为单轴机组、多 轴机组。本文从热电联供的角度，以汽轮机的型式来划分。 汽轮机供热机组的基本型式有两种，一种是纯背压式供热机组，另一种是抽 汽凝汽式供热机组。前一种是纯联合生产的机组，后一种是部分联合生产( 热化 气流部分) ，仍有一部分蒸汽通过凝汽器单发电。背压式机组没有冷源损失，冷 源损失部分用作供热了；而抽凝式机组仍有部分冷源损失。 图2 到图5 是几种常见的联合循环热电联供的供热方式： 3 第1 章绪论 图1 2 联合循环背压汽轮机热电联供系统 图1 a 联合循环抽汽背压式汽轮机热电联供系统 图1 4 联合循环调整抽汽式汽轮机热电联供系统 图1 5 联合循环凝汽式汽轮机的凝汽器热电联供系统 ( 2 ) 联合循环热电联供机组的特点 背压式汽轮机结构简单，操作方便，运行可靠，但发电量完全取决于供热量 的大小，即联合循环机组必须按“以热定电”方式运行。这种机组不适宜于在 热负荷波动很大的情况下运行，否则机组的热经济性很差。 抽汽背压式汽轮机可以向热用户提供多种参数的热负荷。为了能够同时满足 多种热用户的蒸汽量需求，必需安装一套调节系统。但这种汽轮机也是按“以 热定电”方式运行的，也希望负荷比较稳定。 可调节的抽汽供热的凝汽式汽轮机是从汽轮机中抽取一级或两级不同的参 数，已经部分做过功的蒸汽供给热用户的凝汽式机组。它可以协调电负荷和热 4 一 第1 章绪论 负荷的变化，使机组能较大幅度的同时满足热、电两种负荷变化的需要，机组 可以实现电负荷和热负荷独立可调的运行方式。 凝汽式汽轮机在降低真空度的条件下运行，把凝汽器当作热网加热器来使 用。凝汽器的压力升高到5 0 6 0 k p a ，相对应的饱和水温为8 1 2 8 5 9 | 。c ，热网 的供热水温被控制在7 0 7 5 。c 。此类机组也能完成热电联供的要求，但是必须按 照“以热定电”的方式运行。 1 1 2 燃气一蒸汽联合循环热电联供的应用现状 燃气一蒸汽联合循环热电联供机组，具有将节约能源与保护环境二者有机 结合起来的优势，同时还有很多综合方面优点，因此有着强大的生命力，是世 界各国明令鼓励的发展项目，有着良好的应用前景。 1 当前国外燃气轮机热电联供的应用现状1 5 叫 世界各国都非常重视能源的综合利用。近年来，美、欧、日及我国的台湾 地区都制定了一系列对热电联产特别是燃气轮机热电联产的鼓励政策，如：日 本规定热电联产的上网电价高于火力发电；法国对热电联产投资给于1 5 的政策 补贴；丹麦政府对热网投资给于5 0 的政府补贴，对燃煤、燃油的区域性供热厂 改烧天然气热电联产时，政府给于3 0 的无息贷款，在投产6 年内给于相当0 1 1 2 元k w h ( r m b ) 的政策性补贴，在供热小区内，对热电工程给于2 3 的低息贷 款。由于政策的正确引导，使热电联产得到稳定而迅速的发展。以欧盟诸国而 言，其热电机组占总装机容量比例仍有不断上升趋势，如：芬兰的热电机组占 全国总装机容量的3 2 ；丹麦的热电机组占全国总装机容量的5 6 ，到2 0 0 5 年 计划达到6 6 以上：荷兰的热电机组占全国总装机容量的4 0 ，在这些热电厂中 有7 0 以上采用天然气为燃料。 2 当前国内燃气轮机热电联供的应用现状l u j 我国对于发展燃气蒸汽联合循环热电联供技术也很重视。关于发展热电 联产的规定中明确提出对于符合条件的联合循环热电联供机组“免交上网配 套费，电网管理部门应允许并网。”第十四条规定：“积极支持发展燃气一蒸 汽联合循环热电联产”，“燃气一蒸汽联合循环热电联产污染小、效率高及靠 近热、电负荷中心。国家鼓励以天然气、煤层气等气体为燃料的燃气一蒸汽联 第1 章绪论 合循环热电联产。”目前全国联合循环电厂一已有6 0 多座，还有很多联合循环热 电厂正在建设中。 我国设计、制造联合循环机组的能力也有所加强。杭州锅炉厂多年来在引进、 吸收、消化和自我完善的基础上，分别生产配套m s 5 0 0 0 系列4 0 t h 余热锅炉和 m s 6 0 0 0 系列6 5 6 7 t h 中温中压及中温次高压参数的余热锅炉，南京汽轮电机 厂与杭州锅炉厂合作，推出专用于联合循环的n 1 8 3 1 型汽轮发电机组。 然而我国联合循环热电联供发展到今天，与国外发达国家相比还有很大差 距，主要表现在：我国联合循环热电联供的应用仍不普遍。我国现有的燃气轮 机和联合循环机组的性能仅是国外七八十年代的水平。我国燃气轮机制造业的 生产规模和水平还很低。很多关键部件仍依靠国外引进。国内燃气轮机发电设 备的市场基本上被国外制造厂商所占领。 3 燃气轮机热电联供技术的发展方向 当前燃气轮机热电联供技术的发展有以下几个重要方向： ( 1 ) 集中式大功率燃气一蒸汽联合循环热电联供】 大功率燃气一蒸汽联合循环热电联供以天然气为主要能源，联合循环发电效 率大于5 0 ，热电联供总热效率超过8 5 ，并具有良好的调峰能力，它们将与水 电、煤电( 大功率蒸汽轮机) 、核电一起构成完整的供能组合。由于我国发电 用燃气轮机制造水平比较落后，目前这种大型设备只能依靠引进。最近，哈1 s 动力与g e 公司合作引进f 级燃气轮机技术生产了9 f a 重型燃气轮机，单机简单 循环功率2 2 0 m w ，联合循环功率3 8 0 h n 。通过引进一批先进的设备和技术，尽快 改善我国发电设备的组合结构，掌握先进技术，积累运行经验，同时通过消化、 创新和合作生产等方式为以后自主生产及进一步发展燃煤联合循环提供基础。 ( 2 ) 分布式中小功率供能系统u 2 , b 先进的小功率燃气轮机与回热、吸收式制冷组成的电、热、冷多联供系统可 以在当地获得高效率，如果设计得当就可以获得比集中供电更好的经济效果， 污染水平也能令人满意，因而非常有生命力。分布式供能还带来了可靠性高的 优点，在城市罩适宜用于机场、车站、大厦、医院、特殊企业、住宅小区等综 合用能单位，金融、计算中心、防空部队等电源不可间断的重要部门。城市里 分布式供能系统生产的电能不仅可以自用，还可以并网输出。通过在城市里部 署大量的中型( 5 万k w ) 燃气发电机组来分散发电有助于配送网络的建设，可 一6 ， 第1 章绪论 以利用废热，并能减少城市污染。使用更小的热电联产机组或冷热电联产机组 应该是天然气应用发展的长期取向。 ( 3 ) 其它气源的综合利用 1 4 1 除天然气外，燃气轮机也可利用炼钢厂的高炉煤气( b f g ) 生产热电产品。 一般情况下，炼钢厂会有一部分多余的b f g 未能回收利用而排放，造成能源的 浪费和环境污染。回收利用剩余的b f g 的途径很多，燃气一蒸汽联合循环热电 联供是最有前途的方案。随着燃烧稳定性差、含灰量大、调节控制系统复杂等 一系列技术难题的解决，b f g 燃气轮机及其组成的燃气一蒸汽联合循环电站得到 了较快的发展。目前b f g 燃气轮机的单机容量已达1 4 4m w ( 毛功率) ，组成燃 气一蒸汽联合循环的出力为1 4 9 6m w ( 净功率) ，热效率4 5 以上。用户遍及 西欧、前苏联、日本、美洲各国和我国。 1 1 3 燃气一蒸汽联合循环热电联供的发展前景 1 发展大型联合循环热电机组面临的挑战”“ 在我国，发展大型联合循环热电机组面临诸多挑战：我国不具有丰富的天然 气资源，探明储量约有1 5 万亿m 3 ，还不到2 0 0 0 年世界总储量的1 。中国的 可采天然气资源远离需求中心，需要建设长距离管道。相对于国际水平，中国 的天然气价格较高。中国目前尚没有自主生产燃气轮机和联合循环燃气轮机 ( c c g l 、) 的能力。另一方面，中国的煤炭资源虽然分布不均，也需要重要的运输 手段，但其储量非常丰富。煤很便宜，远远低于天然气的价格。另外，中国具 有很强的燃煤工业锅炉和电厂的制造能力。因此，我国大量发展利用天然气资 源的大型燃气轮机联合循环机组发电项目条件尚不具备。 2 发展中小型的燃气一蒸汽联合循环热电机组将是我国的一个重要发展方向【i ” 以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，适用于厂 矿企业，写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公用建筑。它具 有效率高、占地小、保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，是 我国的一个重要发展方向。 3 b f g 联合循环热电机组将在钢铁企业中推广【1 7 1 b f 6 燃气轮机联合循环热电装置是钢铁工业中，合理利用能源，节能降耗， 解决环境污染问题的首选方案。目前，除宝钢电厂1 5 0 m w 联合循环热电机组外， 第1 章绪论 鞍山钢铁公司、上钢五厂已着手筹建b f g 燃气轮机燃气一蒸汽联合循环电站， 首都钢铁公司、通化钢铁( 集团) 有限责任公司等国内大中型钢铁企业都有建造 联合循环电站、更新改造、提高b f g 利用水平的要求。 4 以大改, b m 程采用燃气轮机作前置机 1 8 1 由于能耗高，污染大，“十一五”期间，一大批发电功率低于5 万的燃煤发 电机组将被停止运行，而代之以大功率火力发电机组。在有条件的地区，改用 天然气或人工煤气作燃料，用燃气轮机作前置机组，将原有的锅炉改造成余热 锅炉，利用原有的汽轮机生产热电产品，不啻为一条提高效率，降低能耗，节 省投资的有效途径。 5 燃煤联合循环应用前景广阔 1 9 , 2 0 】 如何利用燃气轮机效率高等一系列优点，进行燃气轮机燃煤的研究、开发工 作，已成为发电领域的另一大热点。燃煤联合循环就是把联合循环发电技术和 清洁燃煤技术结合起来的先进发电系统，它能比较好地解决能源领域的一系列 重大问题，也可以比较方便的实现热电联供。按目前技术水平，燃煤联合循环 系统热效率已达4 0 4 6 ，正在研究热效率5 0 6 0 的热力系统；和常规的燃煤 汽轮机电站相比，脱硫比较彻底( 在9 0 以上) ，灰渣处理方便，co 。和no 。等排 放量都已大大降低。在中国这样的以煤为主要燃料的国家，燃煤联合循环热电 联供是非常有前途的。 1 1 4 国内外这方面的理论研究成果及存在问题 国内外的燃机学者应用热力学原理对联合循环系统进行了大量的理论研究， 提出了联合循环系统的数学解析式和特性指标，并编写了联合循环热工电算程 序和仿真计算程序，对联合循环的设计优化与运行具有相当的指导作用。清华 大学的焦树建教授，悉心研究联合循环二十余载，归纳了四种基本联合循环热 电联产方式，并对每一种方式均列出解析计算式，并对不同方式的联产进行了 比较分析。 当然，这些理论成果仍有不足之处。首先，作为一个系统，联合循环总体与 各主要部分的关系仍然描述的不很明确。其次，热电比与能量的利用效果的关 系仍待进一步的探讨。 我们对前人在此方面的工作进行了大量调研，确定了0 号机组热力计算分析 一8 一 第1 章绪论 系统，进行了机组不同运行工况的性能试验，确定了机组整机和各主要部件热 效率和热电比的计算模型并进行了计算分析，对机组供热特性进行了计算和分 析。在课题的研究过程中，我们总结出一些新的研究方法，主要内容包括：高 炉煤气一蒸汽联合循环机组总热效率解析式；空压机流量平衡计算法；联合循 环机组汽轮机功率反平衡计算法；联合循环热流图以及编写相应的工程计算软 件。 1 2宝钢电厂联合循环机组系统概括介绍 1 联合循环机组的主要设备 宝钢电厂联合循环杌组( 以下简称0 号机组) 主要设备包括燃气轮机、高压 煤气压缩机、低压煤气压缩机、蒸汽轮机、发电机系统、余热锅炉和控制系统。 0 号机组各主要设备的设计参数如表1 1 所示。 2 联合循环机组原则| 生热力系统 0 号机组原则性热力系统简图如图1 6 所示。 f 酐g 排入大气 l p 一低压煤气压缩机 g t 一燃气透平 m c - - 中间玲却器 c 0 一凝汽器 h p 一高压煤气压锫机 s t 一蒸汽透平 b 一燃烧室 c p 一凝结水泵 c 一空气压缩机 h r s g 一余热锅炉 g 一发电机 b f g 一高炉煤气 图1 60 号机组原则性热力系统简图 第1 章绪论 表1 10 号机组主要设备及设计参数 设备名称规范( 1 5 ，标准大气压) 额定出力：1 4 95m w 发电效率：4 55 2 燃气一蒸汽联台循环发电机组 燃料消耗：3 6 0 ，0 0 0m 3 燃气热值：3 ，0 0 0 3 ，2 0 0k j 岔 型式：开放简单单轴 型号：g t1 1n2 一l b t u 燃气轮机 燃烧器：单筒单燃烧式 额定出力；1 4 4m 胃( 毛功率) 燃机入口温度：1 0 6 0 转速：3 6 1 lr m i n 型式：r 1 1 2 5 水平中分面离心式 额定煤气流量：4 9 8 ，0 5 0k g h 高压燃气压缩机 额定功率：2 2 ，4 7 0k w 丰宰速：36 1 1r m l n 型式：a v 9 01 5 水平中分面轴流式( 静页a 】调) 额定煤气流量：4 9 8 ，0 5 0k g h 低雎煤气压缩机 额定功率：2 9 ，2 7 0k w 转速：3 6 1 lr m i d 型式：单缸_ 蠕抽汽凝汽式 额定功率：5 0 ；5 删 转速：3 0 0 0r m i n 蒸汽轮机 高压蒸汽：6 0 2m p a ，5 0 8 ，1 6 89t h 巾压蒸汽：16 7m p a 2 6 2 2 2lt h 低压蒸汽：o1 2m p a ，1 0 5 ，1 88t h 骂! ! 式：卧式，旋转无刷励磁，空气冷却 额定容量：1 7 6 ，2 0 0k v a 技电机系统 额定电压：1 5k v 转速：3 ，0 0 0r m i n 型式：川崎v o g t 型g t 采热自然三段压力复合型 烟气进口温度：5 4 0 余热锅炉 烟气流量：l ，4 3 2 ，0 0 0k g h 烟气进口压力：3 0 8k p a 最高压力：73 5 5m p a 蒸汽雎力：6 2 7 6 7m p a 高压锅炉蒸汽温度：5 1 3 蒸发量：1 6 8 ，9 0 0k g h 给水温度：1 0 7 最高压力：2 2 5 6m p a 蒸汽压力：1 8 6 3m p a 巾止锅炉燕汽温度：2 6 5 蒸发量：2 2 ，i o ok g h 给水温度：1 0 7 最高压力：05 8 8m p a 蒸汽压力：0 ，1 2 9m p a 蒸汽温度：2 6 5 低压锅炉蒸发量：1 5 ，2 0 0 1 8 ，6 0 0k g h 给水温度：1 0 7 给水处理量：2 0 9 ，6 0 0k g h 除氧气进水温度：7 5 7 - 1 0 第1 章绪论 3 联合循环机组原则性热力系统特点 ( 1 ) 高炉煤气供给系统 高炉煤气从母管引出，经湿式电除尘器除尘进入煤气加热器除湿，再进入低 压煤气压缩机第一级升压，经中间冷却器冷却后，进入高压煤气压缩机第二级 压缩，升压后的煤气经煤气快关阀和三路煤气调节阀进入单简燃烧器。低压煤 气压缩机采用全级静叶可调轴流式，高压煤气压缩机采用离心式，以适应燃气 轮机所需的大范围煤气流量调节和高的压缩比。高低煤压机分别设有各自得防 喘振阀，高低煤气压缩机设有煤气大旁通阀，以适应各种运行工况下的煤气流 量调节。 ( 2 ) 空气供给系统 大气经过空气过滤器进入空气压缩机，升压后的空气送入燃烧室。为改善部 分负荷时的热效率，采用流量调节范围较大的入口三级静叶可调的空气压缩机， 减少空气流量，来实现烧高炉煤气时，保持通过透平的烟气量不变。压气机设 有回路系统，当冬季气温过低时，用压气机出口的一部分高温空气掺入到进口 的低温空气中提高压气机的空气温度，防止进口导叶结冰。 ( 3 ) 燃气轮机及其循环系统 高压空气与高压煤气在燃烧室中混合燃烧，产生高温、高压燃气进入燃气透 平膨胀做功，输出1 4 4 m w 功率。燃气轮机带动高低压煤气压缩机及空气压缩机， 耗功5 1 5 m w ，剩余9 2 5 m w 功率通过减速齿轮传递到汽轮发电机组。为改善部分 负荷时的热效率，采用了流量调节范围较大的入口三级静叶可调的空气压缩机， 减少空气压缩机流量，改善透平入口温度。燃气轮机做功后5 4 0 的排气进入余 热锅炉，在高压、中压、低压锅炉中产生蒸汽，排气温度下降到1 5 0 ，通过烟 囱排入大气，完成燃气循环。 ( 4 ) 蒸汽轮机及其循坏系统 余热锅炉设置在燃气轮机排气烟道中，回收高温烟气中的热量。余热锅炉为 3 段压力形式，蒸发系统全部采用自动循环方式，由高压、中压锅炉及带除氧器 的低压锅炉组成，3 个锅炉共用一个炉壳和同一个烟道，工作状况相对独立。燃 气轮机做功后5 4 0 。c 的排气进入余热锅炉，在高压、中压、低压锅炉中产生蒸汽， 蒸汽经过过热器加热后进入蒸汽轮机做功，输出6 0 5 m w 功率，或供给蒸汽用户， 组成燃气一蒸汽联合循环。余热锅炉采用复压余热回收自然循环形式，以充分 吸收由燃气轮机排出的热量，提高整个联合循环的效率。 第1 章绪论 对应余热锅炉的蒸汽压力，蒸汽轮机系统由高压、中压、低压三个系统组成， 三种压力的蒸汽分别由经各自的调节汽阀进入汽缸。为配合锅炉的启动过程， 汽轮机分别设有高压、中压和低压旁路系统。汽轮机还作为联合循环装置的启 动设备，在燃气轮机点火前先用外系统的蒸汽冲动汽轮机，使燃气轮机达到点 火转速。燃气一蒸汽联合循环发电机组的启动蒸汽来自电厂1 _ 号、2 号机组的再 热器冷段，可以任意选择使用。高压汽轮机的排气，作为供热蒸汽的汽源。本 装置的高压缸排汽与余热锅炉中压蒸汽可向热网供应1 6 m p a 、2 6 0 的1 8 0 t h 的蒸汽。 1 ，3 课题的目的与任务 宝钢电厂t 5 0 m w 联合循环机组是世界上首台全烧高炉煤气且单轴布置的热 电联供机组，其相应的热力性能评价与经济指标分析没有标准可依，因此，对 燃机发电、供热特性进行详细的计算与分析模型是很有必要的，其研究成果对 工程实际有重要的指导意义。建立燃气一蒸汽联合循环机组总能系统分析模型， 建立燃气一蒸汽联合循环机组总效率的关系式，进而建立热电比与机组总效率的 联系，探讨热电比在燃气一蒸汽联合循环机组节能分析中应用。 本课题的主要目标是通过对燃气轮机不同供热工况下的测试、计算、分析， 完成机组侄能与供热特性的研究；建立相应的联合循环装置各主要部件热效率 的计算方法。 本课题的主要研究内容是确定0 号机组热力系统计算系统，制定测试方案， 进行机组不同运行工况的性能试验；计算与分析0 号机整机与各主要部件( 包 括燃机、b f g 压缩机、余热锅炉、蒸汽轮机等) 的效率，供热与不供热状态比较 与分析：典型工况与不同运行工况下热电比计算方式及数学模型；对分析结果 进行验证。 本课题拟解决的关键技术：复杂蒸汽循环系统数学模型的建立与分析。复杂 系统的系统总效率数学模型( 热电比关系) 的建立与分析。 本课题的技术路线及实施方案： 一，确定宝钢0 号机组热力系统计算系统，分析所需的计算参数，制定试 验方案。二，进行机组的热力性能和供热特性试验，变化运行工况，现场采集 试验数据。三，计算系统的总热效率和设备分效率，建立总效率与设备分效率 第l 章绪论 的关系模型。四，研究0 号机组在不同工况下，总效率的变化情况，研究热电 比与总效率的关系。 燃气一蒸汽联合循环机组具有热效率高、投资少、占地小、低污染的优点， 因此在发达国家广泛应用。与国外相比，我国联合循环机组装机容量在电力结 构中比例偏低，而且多数为燃油机组。随着“西气东输”工程的竣工，以及天 然气从俄罗斯的大量进口，制约燃气一蒸汽联合循环机组发展的气源问题得以解 决，该类机组装机容量将会有较快速的增长，对该类机组的热力性能的研究将 成为一个紧迫的问题。因此，本课题对烧高炉煤气的联合循环机组的热力特性 的研究及其数学模型将不仅丰富联合循环的理论，而且对工程实际有重要的指 导意义。 第2 章理论基础与试验说明 第2 章理论基础与试验说明 2 ，1 引言 国内外的燃机学者应用热力学原理对联合循环系统进行了大量的理论研究， 提出了联合循环系统的数学解析式和特性指标，对本课题具有相当的指导作用。 效率分析法是通常采用的传统评价方法，该方法以效率的高低作为评价动力 设备在能量利用方面的完善程度指标。效率是某一热力循环中装置或设备有效 利用的能量占所消耗能量的百分数。效率分析法阻热力学第一定律为依据，其 实质是能量的平衡，它具有直观、计算方便、简洁等优点，目前被世界各国广 泛应用于定量计算。 本课题通过对燃气轮机机组不同供热工况下的测试、计算、分析，建立燃气 一蒸汽联合循环机组总能系统分析模型，建立燃气一蒸汽联合循环机组总效率的 关系式，进而建立热电比与机组总效率的联系，探讨热电比在燃气一蒸汽联合循 环机组节能分析中应用。 2 ，2 理论基础 2 ，21 宝钢电厂高炉煤气一蒸汽联合循环热电系统模型 图2 1 中给出了宝钢电厂燃气一蒸汽联合循环机组燃气轮机通过非补燃式 余热锅炉和可调节的抽汽凝汽式蒸汽轮机，向外供给抽汽蒸汽的简化系统图。 系统和各予系统可用如下关系式表示各种热功转换关系。 系统总热平衡方程 h 刷+ hu + q j p + ha + w c p = w 。+ h o + hh 叼七q ：w 0 2 1 ) 余热锅炉子系统热平衡方程 日g m 十h 矿= h 脚+ 日s ( 2 2 ) 汽轮机子系统热平衡方程 h s + h + 阡0 p + q 忙= w s r + h o + q c + h ( 2 3 ) 燃气轮机子系统热平衡方程 日口州+ 阡i + 坤_ + h + 阿0 + 呷6 q t = 阡，g r + h 6 m + q 眦 ( 2 4 ) 第2 章理论基础与试验说明 h l q f 州。1t j b i 凹1 g t “。 ! j h r s g l p 一低压煤气压缩机 g t 一燃气透平 m c 中间冷却器 c 0 凝汽器 h 一总焓 q 。，煤气燃烧放热量 h p 一高压煤气压缩机 s t 一蒸汽透平 b 一燃烧室 c p 一凝结水泵 0 一交换热量 h o 一供热蒸汽总蛤 c 一空气压缩机 h r s g 一余热锅炉 g 一发电机 w 一机械功 i o 一设备的进出口 c w 一角标，循环水 幽2 1 宝钢电厂联合循环机组的热功转换关系 低压煤气压缩机的能量平衡方程 w l + h ”! = h l p 。 中间冷却器的能量平衡方程 h 口0 = q m c + h h p l 高压煤气压缩机的能量平衡方程 h h q + w h2 h h p o 空气压缩机的能量平衡方程 日，+ = h 燃烧室热平衡方程 h + h4 0 十q 。= hg t j 燃气透平机的能量平衡方程 h a = 阡0 7 + 月0 7 口 蒸汽透平机的能量平衡方程 1 5 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) “ 婴妙 、哆_皇 够妖i ， w。 第2 章理论基础与试验说明 h s = w e 7 + h 。+ c ( 2 1 1 ) 凝汽器的能量平衡方程 c + h = o c + h c 。 ( 2 1 2 ) 凝泵的能量平衡方程 h f 。+ w c i = h c p 也1 3 1 功率平衡方程 7 + 眠r = + 睨+ + ( 2 1 4 ) 通过对该系统的分析，可以得出上述关系式中有1 4 个未知量，即g k ，9 c ， ，件0 ，既，暇。，。畋日。，h 。o ，h 。峨。，h g 。，h 。求解这些未知量， 需要联立1 4 个方程来求解。由于方程( 2 1 ) ( 2 4 ) 是方程( 2 5 ) 一( 2 1 4 ) 的组合，并非独立的方程式，因此只有1 0 个方程，少于未知数数目，因此求解 需要补充方程： 根据焓的计算式： h ，= t h 。g 。，。h 。，( r a ) ( 2 1 5 ) h o = t h 。g 。h 。( t a o ) ( 2 1 6 ) h 。= r h ，鼽，( 。) ( 2 1 7 ) h g m = r h ，鼽h f , i ( m ) ( 2 1 8 ) h = r h ，g ，h ( t ) ( 2 1 9 ) 其中，t h 。，r h f , g r ，( g ，代表烟气的质量组分，烟气的成分为4 种，即h 。0 、 c 0 。、0 。) 为未知量。这样，方程数目增加5 个，未知数数目增加6 个，仍然 少5 个方程。 根据燃烧前后的质量平衡和燃烧产物量的变化关系，可以补充5 个方程： r h 。+ r h 2 = 廊r ( 2 2 0 ) g ，= f ( r h 。，r hr ) i = l ，2 ，3 ，4( 2 2 1 ) 这样，未知量的个数和方程数目相同，均为2 0 个，可以对未知量求解了。 2 2 2系统及各主要设备的效率定义 效率分析法是通常采用的传统评价方法，该方法以效率的高低作为评价动力 设备在能量利用方面的完善程度指标。本节主要确定系统和主要设备的效率定 义。 第2 章理论基础与试验说明 1 。燃烧室效率1 2 1 i 燃烧室的效率等于燃气在燃烧室中吸收的热量与燃气燃烧放热量之比，即 = 垃铲 z z ， 式中， ，一燃烧室出1 3 烟气质量流量，k g s 工一燃烧室进口空气质量流量，k g s 三。一燃烧室进口燃气质量流量，k g s h ，一燃烧室出1 3 燃气比焓，k j k g 九一燃烧室进1 3 空气比焓，k j k g h 。一燃烧室进口燃气比焓， k j k g q f 一燃气低热值，k j k g 2 低压煤气压缩机的效率1 2 2 低压煤气压缩机的效率等于理想压缩功与实际压缩功之比，即 。一h ，。一h 2 n 2 贳= i 式中， 玩。一煤气理想出口比焓，k j k g 坟一煤气实际出口比焓，k j k g 趣一煤气进口比焓，k j k g 3 高压煤气压缩机的效率 高压煤气压缩机的效率等于理想压缩功与实际压缩功之比，即 式中 。 一h 5 。一 4 2 节：f ，。一煤气理想出口比焓，k j k g h ，一煤气实际出e l 比焓，k j k g 1 7 - ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 第2 章理论基础与试验说明 h 4 一煤气进口比焓，k j k g 4 空气压缩机的效率 空气压缩机的效率等于理想压缩功与实际压缩功之比，即： 一等鲁 2 5 ) 式中， 。一空气理想出口比焓，k - k g 。一空气实际出1 ：3 比焓，k j k g 玩一空气进口比焓，k 1 k g 5 透平的效率2 3 i 透平的内效率是透平实际输出功与理论输出功之比，即 叩酽r p = 等鲁 汜z s ， 式中， 6 一烟气实际进口比焓，k j k g h 7 一烟气出口比焓，k j k g ，a 一烟气理想出口比焓，k j k g 透平的循环效率是透平的理想输出功与循环吸热量之比，即 俨等 c zz ， 透平的绝对内效率是透平的实际输出功与循环吸热量之比，即： 显然 ，h 6 一h 7 7 7 2 丽i 习二= 理；叩； 1 8 一 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 第2 章理论基础与试验说明 6 燃气轮机循环的效率1 2 4 , 2 5 燃气轮机循环的效率是燃气轮机循环的输出功与循环吸热量之比，即： ”等产 陇。 仉l 。妫 式中， 。一透平的输出机械功，k w 矿一低压煤气压缩机所耗的机械功，k w 吼一高压煤气压缩机所耗机械功，k w 败一空气压缩机所耗机械功，k w 7 余热锅炉的效率 余热锅炉的效率是进入余热锅炉的燃气热量有百分之几被用来产生蒸汽或 加热水，余热锅炉的正平衡效率表示如下： = 鲁 式中， q 1 一锅炉有效利用热量，k j s q ，一进入余热锅炉的燃气热量，k j s 岛可表示如下： 式中 ( 2 3 1 ) q - = d ( 玩一而一) +