（电力系统及其自动化专业论文）分布式能源系统中燃气轮机热电联产的研究.pdf

s t u d yo ng a st u r b i n e c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r i nd i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m s a b s t r a c t d i s t r i b u t e de n e r g yi san e wd i r e c t i o ni ne n e r g yf i e l da c r o s st h eg l o b e i tu s u a l l y c a np r o d u c em o r et h a no n ek i n do fe n e r g yf o r ma n dt h u sc a nb eu s e df o ra tl e a s t t w of u n c t i o n s i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o l d ，c o m b i n e dh e a ta n d p o w e rs y s t e m s t h ep r o p o r t i o no fp o w e rg e n e r a t i o nu s i n gc h pi s g r o w i n gq u i c k l yd u et oi t s s o m a n ym e r i t ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , c o m p a c ts i z e ，e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，f l e x i b l e w h e nl o a dc h a n g e s ，l o wv i b r a t i o nl e v e l ，h i g hr e l i a b i l i t y ，l o wt r a n s m i s s i o nl o s s ，l o w i n i t i a li n v e s t m e n tc o s ta n ds oo n a sa ni m p o r t a n tm o t i v i t ye q u i p m e n ti nd i s t r i b u t e d e n e r g ys y s t e m s ，g t - c h pt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dg r e a t l yi nr e c e n ty e a r sw h i c h u s e sn a t u r a lg a sa sf u e l t h es y s t e m sn o to n l yp r o d u c ee l e c t r i cp o w e r ，b u tt h e r m a l e n e r g ya sw e l l ，t h el a t t e ro fw h i c hi sp r o d u c e df r o mt h eb u r n i n go fe x h a u s tg a si n h r s g b e c a u s eo ft h is ，ah i g ht o t a lt h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c yc a nb eg o t t e n a tt h e s a m et i m e ，i ti sa l s ob e n e f i c i a lf o rs o c i e t y , e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t t h e g t - c h ps y s t e m sc a nb eu s e ds e p a r a t e l yt os u p p l yt w ok i n d so fe n e r g yf o r m st oa b u i l d i n go rr e s i d e n t i a la r e a s m o r ei m p o r t a n t ，a sak i n do fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r ，i t c a nb et o g e t h e rw i t ho t h e rd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r st om e e tm u l t i p l eu s e r s v a r i o u s n e e d s ，w h e r ei ti sj u s tas u b s y s t e m t h e r ea r et w ot r a d i t i o n a lo p e r a t i o nm o d e si ng t c h ps y s t e m s ，w h i c ha r e “u t i l i t yd e m a n df i r s t a n d “h e a t i n gd e m a n df i r s t ”b o t ho ft h e mh a v et h e i ro w n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s w h i c ho n et oc h o o s ei nas p e c i f i co c c a s i o nd e p e n d s o nw h i c hl o a di sm o r ei m p o r t a n tt ou s e r sa n dh a so t h e rd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r st ob e o ns t a n d b y t h u s ，f o rag t - c h ps y s t e m ，t h ek e yp r o b l e mi st om e e ts u p p l ya n d d e m a n db a l a n c e si nd i f f e r e n th o u r sa n df o rd i f f e r e n tu s e r s t h a ti st os a y ，f o rt h e p u r p o s eo fg e t t i n gt h eo p t i m a le n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y ，m e a s u r e sm u s tb e t a k e nt os o l v et h ei n c o n s i s t e n c i e sb e t w e e nc o g e n e r a t i o n s y s t e m s p r o d u c e d h e a t p o w e rr a t i oa n dh e a td e m a n d p o w e rd e m a n dr a t i of r o mu s e r s t h ef i n a lc h ps y s t e mw i l lw o r kt o g e t h e rw i t ho t h e rd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r si n e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s ( e m s ) i no r d e rt oo f f e rac o m m o ni n t e r f a c e ，a l lt h e d i s t r i b u t e dm o d e l sm u s tb es e ta c c o r d i n gt op a r t3 01o ft h ei e c 一619 7 0s t a n d a r d ， w h i c hi sc o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( u s u a l l yc i mf o rs h o r t ) s oi nt h ef o u r t h c h a p t e r ，t h ec i mm o d e lf o rg a s t u r b i n eg e n e r a t i n gu n i t i s s e t ，a n da l s ot h e d e s i g n i n gs c h e m eo fr e l e v a n ts o f t w a r ei sg i v e n k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m ；g a s t u r b i n e ；c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r ； o p e r a t i o nm o d e ；c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l 表格清单 表1 1我国天然气消费结构的发展目标2 表2 1目前最先进的燃气轮机6 表2 2典型微型燃气轮机性能数据1 1 表3 1分布式热电联产与购买市电+ 燃气锅炉供热的系统总热效率的计算 1 9 表3 2采用燃气轮机的分布式供能系统额定技术参数2 4 表3 3机组1 在不同热电需求时两种运行方式比较2 5 表3 4机组2 在不同热电需求时两种运行方式比较2 5 表3 5机组3 在不同热电需求时两种运行方式比较2 6 表3 6机组1 优化前后联产系统总热效率比较2 7 表3 7机组2 优化前后联产系统总热效率比较2 7 表3 8机组3 优化前后联产系统总热效率比较2 7 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 插图清单 燃气轮机循环示意图7 简单循环燃气轮机发电机组示意图7 燃气轮机热力循环8 理想简单循环的比功9 简单循环热效率与压比的关系9 回热型燃气轮机发电机组循环示意图1 0 余热锅炉系统示意图1 2 单压余热锅炉中传热量q 与燃气、水( 蒸汽) 温度变化图1 2 燃气轮机热电联产机组示意图1 5 燃气轮机热电联产系统示意图1 5 优化后热电联产系统两种运行方式构成2 2 燃气轮机热电联产机组按调峰方式运行示意图2 3 蓄热器蓄热工况2 4 整个采暖期燃气轮机组和燃气锅炉供热量分布2 4 程循环流程示意图2 8 2 3 0 0 k w 级程循环热电联产设备图2 8 燃气轮机发电单元c i m 图3 2 热电联产计算流程图3 5 燃气轮机计算流程图3 6 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志和致谢的地方外，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 金8 曼王些太堂 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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字默签字啡挪年 学位论文版权使用授权书 2q _ 月夕日 本学位论文作者完全了解 金月里王些太堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 导师签名： 签字嗍砩岁月夕日 签字嗍。薛弓月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 硕士论文的顺利完成，离不开导师丁明教授对我的悉心指导、教诲和帮助。 导师学识渊博、为人豁达、和蔼可亲，使我受益匪浅。从导师身上所学到的做 学问以及做人的态度和精神将使我受益终身。攻读硕士学位期间，在学习和生 活上，自始至终得到导师的悉心关怀和帮助，使我在知识能力和学术水平上都 得到了很大的提高。在本文即将完成之际，学生要对敬爱的导师表示衷心的感 谢和深深的敬意! 在求学过程中，要感谢茆美琴老师和吴红斌老师对我的帮助和关心。本文 各个章节的完成，离不开两位老师平时对我的悉心指导。最终方案的确立和软 件的实现更离不开两位老师的很多启发性的建议和指导。在此，表示衷心感谢! 科研工作的完成，离不开身边同学对我的鼓励与帮助。感谢陈桂友同学在 软件实现方面给予我的帮助；感谢张颖嫒、包敏、吴伟、金晓东、张征凯、郭 学凤、严流进、杨之俊等几位同学，和你们在一起，让我体味到了合作的快乐。 感谢2 0 3 所有的兄弟姐妹们，我们共同构建了2 0 3 实验室这个真诚、温馨的大 家庭，谢谢大家对我的关心和帮助。 最后，我要感谢我的家人和朋友对我的支持。论文的完成与他们的关怀和 鼓励密不可分。 作者：马婉玲 2 0 0 8 年3 月 1 1 引言 1 1 1 分布式热电联产系统简介 第一章绪论 分布式能源是世界能源工业发展的重要趋势，是人类可持续发展的一个重 要组成部分。它通过减少能源中间环节损耗，以“按需供能 方式，在用户端 实现能源的“温度对口，梯级利用”，将能源利用效率提高到一个新的水平。集 中式与分布式有机结合是2 1 世纪能源工业的重要发展方向。 分布式能源涵盖面广泛，风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋 能等非化石能源均属此范畴。以燃气轮机发电机组、余热锅炉等设备构成的小 型全能量系统，也称第二代能源系统或分布式能源系统( 简称c h p 或c c h p ) ， 它可以统一解决电、热等的供应问题，实现能源梯级利用，并己在国外得到了 迅速发展。欧盟热电联产指令中指出，热电联产，指在一个过程中同时生产热 能、电和( 或) 机械能。有用热指热电联产中所生产的、以满足经济合理供热或 供冷需求的热能。 由于小型燃机或内燃机供电效率为2 4 3 5 ，联合循环供电效率可达 4 5 5 0 ，均高于常规火力发电的效率，因此，“机组小就不经济的传统观念 已不再适用。与简单的供电系统相比，热电联产系统可以在大幅度提高系统能 源利用率的同时，降低环境污染，明显改善系统的热经济性。因此，联产技术 是目前分布式供电发展的主要方向之。 热电联产( 包括热、电、冷联产) 是在目前已商业化的，可大规模实现能源 转换的技术中转换效率最高的，将热能、电能联合生产，温度对1 2 1 、梯级利用， 得当分配，各取所需，是科学用能的重要方式。同时，我国的热电联产已取得 很好的节能和环境效益，有力地促进了发电能效和水平的提高，节约了能源a 分布式热电联产系统有两层含义：一是分布式( 或分散式) ，分布式是指电 力的产生和使用而言，它的要意在于电力的“现场生产、现场使用，从而可以 最大限度地减少电网输配系统的投资和电力输配损失；二是热电联产，即通过 一种一次能源的输入同时满足用户电、热、冷多种能量形式的需求，以能源的 梯级利用提高能源利用效率。 与常规的集中供电电厂相比，小型或微型燃气轮机分布式供电具有以下优 势：( 1 ) 没有或很低的输配电损耗，可避免或降低输配电成本；( 2 ) 利用燃气轮机 产生的热烟气进行高效率的热电联产，适合多种热电比的变化，可使系统根据 热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；( 3 ) 各电厂相互独立，用户可 自行控制，不会发生大规模供电事故，供电可靠性高；( 4 ) 土建和安装成本低； f 5 ) 与内燃机发电相比，小型或微型燃气轮机具有较低的循环寿命成本，维修简 单，污染物排放低，利于环境保护。 1 1 2 分布式热电联产系统是天然气高效利用的最佳选择 天然气是一种高热值的清洁能源，由于其存储和输送需要花费较大的代价， 除天然气产区以外，其它地区的天然气价格相对较高，因此如何高效、经济地 利用天然气资源是一个值得探讨的问题。在我国，除了天然气工业部门的自我 消费以外，天然气的主要用途是作为能源被使用，包括发电、民用、工业三大 块。可是在我国，天然气用于发电的份额还不到4 。由于我国能源的快速增 长和能源结构优化调整的需要，未来天然气的开发利用必然加大其作为能源使 用的份额，特别是增加其发电的比例。根据我国的现实情况和世界的天然气利 用的发展格局，我国未来天然气消费格局的发展目标如表1 1 所示。 表1 1我国天然气消费结构的发展目标 发电民用及燃料化工原料煤油制氢汽车燃料 2 0 1 0 年3 03 82 165 2 0 2 0 盆4 13 21 8 45 由表1 1 可知，由于我国目前严峻的能源( 特别是电力) 和环境问题，增加天 然气作为能源( 特别是发电) 使用的比例势在必行。我国目前的煤电效率仅仅为 3 0 3 5 ，且污染严重，天然气发电有着明显的效率和环保优势。天然气发电有 两种主要应用方式：一是大型联合循环电厂，发电容量从数万到数十万千瓦不 等，发电效率可以达到5 0 6 0 ；二是分布式热电联产系统，单机容量从数十 到上万千瓦不等，次发电效率在2 5 4 0 之间，总体热利用效率可以达到 7 0 9 0 。两者各有其使用特点和优势，因而具有各自的市场和发展前景。 对于同时有供电和供热两种需求的用户，只要达到了一定的用能规模，与 电网购电+ 常规供热模式相比较，分布式热电联产系统还具有以下明显优势： ( 1 ) 节能。通过能源的现场利用，减少输配损耗；通过能源的梯级利用，能 源利用效率大幅度提高。 ( 2 ) 环境保护。一次能源消耗量减少，相应地减少了环境各种污染物排放。 ( 3 ) 经济性。用户通过电力直供和能源高效利用可以从中获得相应的经济效 益。 ( 4 ) 可靠性。联产系统和大电网同时为用户提供电力，保障了用户的用电安 全。 1 2 国内外燃气轮机热电联产技术的研究现状 1 2 1 国外研究现状 在1 9 7 8 至19 8 4 年间，欧洲市场的巨大动力推动着热电联产技术在住宅和 服务行业的应用。由于冷热电联产系统的诸多优点，近年来，美国、欧洲和日 本都分别制定了一系列鼓励政策，促使联产在有章可循的基础上迅速发展。如 日本规定热电联产的上网电价高于火力发电，法国对热电联供给予l5 的政策 补贴，丹麦对热网投资给予5 0 的政策补贴，欧洲委员会已经批准了强制购买 热电联供和可再生能源发电的政策等。 欧盟已经颁布了热电联产指令，热电联产的进一步投入可能会使欧盟的二 氧化碳排放量到2 0 1 0 年减少1 2 7 0 0 万吨，至2 0 2 0 年减少2 5 8 0 0 万吨。欧洲委 员会确信，冷热电联供是能够为欧洲气候目标创造单项最大贡献的能源使用方 式，预计2 0 1 0 年市场份额将达到1 8 。日本预计2 0 1 0 年将达到1 0 0 2 g w ( 日 本热电中心在热电统计时不包括汽轮机和燃料电池在内) 。美国热电联供委员会 通过几年的工作，得出以下结论：联产系统通过提高能源的利用效率、减少 污染物的排放，可以使用户、能源和设备供应商都受益，间接地也能为社会带 来好处；联产系统在美国的扩展空间巨大，它可以应用于工业、商业建筑和 分布式能源等诸多领域。 1 9 9 9 年3 月，美国工业界提出了冷热电联供( c c h p ，c o l dc o m b i n e dh e a ta n d p o w e r ) 发展计划，称之为“c c h p 创意。新型c c h p 系统致力于现场燃料的 转换，将制冷、采暖、发电三者合而为一，包括多项新技术，如燃料电池、微 型涡轮机及吸收式制冷等，可将9 0 的燃料转换为可使用能源。如采用清洁燃 料( 如天然气) ，现场排放n o 。的体积分数指标低于1 5 。美国c c h p 战略计划包 括：2 0 0 5 年建立2 0 0 个示范点；2 0 10 年2 0 的新建商业、结构类建筑使用c c h p ， 5 的现有商业、结构类建筑使用c c h p ，2 5 的美国能源部( d o e ) 的热电联供 ( c h p ) 项目使用c c h p ；2 0 2 0 年5 0 的新建商业、结构类建筑使用c c h p ，1 5 的现有商业、结构类建筑使用c c h p 。 1 2 2 国内研究现状 虽然分布式能源在发达国家已经是一种比较成熟的技术，并正在得到大力 推广，但在中国仅仅才是刚刚开始，甚至连萌芽都称不上，这一先进理念和技 术如何在中国的土壤中生根发芽，茁壮成长，还需要中国的能源从业人员付出 不断的努力，进行不断探索。 我国为实现两个根本性转变，实施可持续发展战略，早在2 0 0 0 年就发布了 关于发展热电联产的规定，“鼓励发展热电联产、集中供热，提高热电机组 的利用率”。 但是，总的来讲，我国的c h p ( c c h p ) 技术的研究尚处于起步阶段，上海市 黄浦区中心医院及浦东国际机场对大型c h p ( c c h p ) 的应用进行了尝试，由于技 术和资金条件的限制，未能成为c h p ( c c h p ) 推广的成功案例。新型c h p ( c c h p ) 系统是一个开放的、灵活组合的系统，其中可以包括多项新技术，如燃料电池、 微型涡轮机、先进的内燃机、吸收式制冷机、热泵、干燥和能源回收系统、蓄 热和蓄冷技术、智能建筑的热电控制和系统集成技术等。以c c h p 为核心，发 展c c h p 可以带动多项能源相关产业和技术的发展，具有十分广阔的发展前景。 1 3 本文研究的现实意义及主要所做的工作 1 3 1 本文研究的现实意义 任何一个企业或家庭，对于能源的需求都是多样的，需要电力、采暖热力、 空调制冷、生活热水，炊事燃气等等。这些需求在传统工业社会中是通过明确 的社会分工，由各个专业企业分别加以解决。但是最大的问题是能源利用效率 低、设备使用效率低，从而带来资源和资金的浪费，以及环境污染的加剧等。 世界各国的能源环境专家普遍认为：应将需求供应整合优化，实现能源和温度 对口梯级利用，就近供能减少中间环节损耗，这将是解决问题的最好手段。即： 用一个单独的装置，先将一次能源天然气发电，将发电后的余热用于采暖( 或 制冷) ，以实现对一个企业或家庭的能源供应，这就是分布式能源系统。 分布式能源系统是世界能源发展的最新方向。分布式能源系统都是多联产 或多功能系统，其最主要优点是用在冷热电联产中，具有效率高、占地少、保 护环境、变负荷特性灵活、输电损失小、供电可靠性高、初投资低等优点。作 为分布式能源系统中的重要动力装置，以天然气为燃料的燃气轮机热电联产技 术近年来发展迅速。该系统不仅产出电能，还将发电后低品味的余热用来供热， 大大提高了能源利用率，具有良好的社会效益、节能效益和环境效益。燃气轮 机热电联产系统既可以单独使用，承担给一栋大楼或一个小区同时提供热、电 两种能量的任务；更可作为分布式电源的一种，以一个子系统的身份和其它的 分布式电源一起在分布式能源系统中发挥作用。毫无疑问，以小型或微型燃气 轮机为主要动力装置的分布式热电联产系统必将具有很大的发展潜力。 1 3 2 本文主要所做的工作 本文针对分布式能源系统中燃气轮机热电联产的两种传统运行方式提出了 相应的优化方案。“以电定热 和“以热定电是燃气轮机热电联产系统两种传 统的运行方式。对于“以电定热”运行方式，会优先满足电力负荷的需求，热 能作为附属产品产出，不足部分将由余热锅炉补燃解决；对于“以热定电”运 行方式，会优先满足热力负荷的需求，电能不足部分由其它分布式电源提供或 可以直接从电网购进。在分布式能源系统中，热力不足部分还可由热电联产的 火电机组提供；电力不足部分还可由其它分布式电源来补充，因此用户对热、 电两种能量形式的需求都可以得到很好的保障。两种运行方式各有其优缺点， 具体选择哪种，要看哪种负荷对系统更重要和更有后备保障支持来决定。“以电 定热中多余的热量会被浪费掉，“以热定电”中多余的电量一旦处理不当就会 很麻烦。在分布式能源系统中，若将燃气轮机热电联产系统和和其它的分布式 电源很好地配合，也可以较为合理地解决过盛能源的处理问题。因此，对于热 电联产，要解决的最关键问题就是尽可能满足用户在不同时段对热电的需求变 化，也就是要合理解决联产系统热电产出比和用户对热电的需求比之间的矛盾， 以使联产系统达到最佳的一次能源利用效率。文献 3 】对部分负荷时燃气轮机机 组及其热电联产系统的性能进行了研究。文献 4 】提出燃气热电联产系统电力调 峰的采暖运行方式。文献 5 提出将联产系统与蓄能技术有机结合，以改善系统 全工况性能的方法。 文章首先从理论角度对热电联产系统的节能机理进行了分析，并与热电分 产进行了比较。之后，在对联产系统“以电定热”和“以热定电 两种运行方 式进行定量比较的基础上，提出了将燃气轮机热电联产系统与相关辅助设备结 合以解决热电供需不平衡问题的优化方案，并通过相关算例证实了其合理性。 此外，作为一种重要的分布式电源，文章还给出了在接入分布式能源系统后， 燃气轮机热电联产子系统应该满足的约束条件及相应的运行方式建议。 最终的燃气轮机热电联产系统是要和其它的几种分布式电源如太阳能光伏 发电、风力发电、小火电、小水电、燃料电池、蓄电池及超级电容等并在一起 组成分布式能量管理系统，为统一接口，所有的分布式电源的模型均需遵循 i e c 6 19 7 0 系列标准的3 0 1 部分，即公共信息模型c i m ( c o m m o ni n f o r m a t i o n m o d e l ) 。因此，文章的第四章给出了燃气轮机发电单元的c i m 模型，并描述了 方案的程序设计思路。 第二章燃气轮机热电联产系统的工作原理 2 1 燃气轮机发电机组的工作原理 热电联产系统按照功能可以分成两个子系统：动力系统( 发电) 和供热系统 ( 供暖、热水、通风等) 。动力系统处于联产系统的顶端，通常根据动力系统确 定联产系统所采用的技术。联供技术的采用取决于许多因素，包括：电负荷大 小，负荷的变化情况、空间的要求、热需求的种类及数量、对排放的要求、采 用的燃料、经济性和并网情况等。以燃气轮机为原动机的分布式联产系统的主 要原动机又可以分为两类：小型燃气轮机和微型燃气轮机。下面分别介绍其工 作原理。 2 1 1 燃气轮机发电机组的工作原理 ( 1 ) 工作原理 燃气轮机的原理并不陌生，早在一千多年前，我国民间流行的走马灯就是 一种最典型的燃气轮机。由于燃气轮机的高技术要求，直到2 0 世纪4 0 年代， 它才得以工业应用。由于它的优势，其后得到迅速发展。表2 1 为目前最先进 的燃气轮机型号和一些主要参数。 表2 1 目前最先进的燃气轮机 制造商 g ew ha b bs i e m e n s 燃气轮机型号 m $ 7 0 0 1 h7 0 l gg t 2 6v 9 4 3 a 功率m w 2 4 02 5 52 4 02 4 0 燃气温度1 4 2 71 4 5 01 2 3 51 4 0 0 压比3 0l8 53 01 5 电站效率 3 8 53 7 83 8 燃气轮机是比较成熟的技术，商业发电用机组的容量一般为 1 0 0 m w - - 3 0 0 m w 。热电联产系统一般规模较小，所使用的容量从几百k w 到 5 0 m w 不等。燃气轮机采用的燃料为气体燃料或液态燃料，通过使用干低n o ， 燃烧技术、燃烧室注水、注蒸汽或者在排气中采用选择性催化还原技术可以将 n o ，控制在很低的水平。燃气轮机的运动部件较少，因此维修工作量小，维修 费用较低。 燃气轮机是以气体作为工质、把燃料燃烧时释放出来的热量转变为有用功 的动力机械。它由压气机、燃烧室和透平等部件组成。图2 1 为燃气轮机循环 示意图。空气被压气机连续地吸入和压缩，压力升高，接着流入燃烧室，在其 中与燃料混合燃烧成为高温燃气，再流入透平中膨胀做功，压力降低，最后排 至大气。由于加热后的高温燃气做功能力显著提高，燃气在透平中的膨胀功大 于压气机压缩空气所消耗的功，因而使透平在带动压气机后有多余的功率带动 发电机转动。按照这种原理工作的称为等压燃烧加热的开式循环燃气轮机，它 是目前应用最广泛的燃气轮机。 图2 1燃气轮机循环不意图 图2 2 为简单循环燃气轮机发电机组的方案示意图，其上的每个数字表示 每个热力过程的起点和终点。设定燃气轮机中的工质是理想气体，气体的热力 性质和流量不变，以及诸热力过程无损耗，即通常所说的理想简单循环。此外 还有采用回热循环的燃气轮机，目前绝大多数的微型燃气轮机都采用此种结构。 下节将作详细介绍。 图2 2简单循环燃气轮机发电机组示意图 燃气轮机热力循环称为开式白朗托循环。见图2 3 所示。在压气机里完成 空气压缩耗功过程( 1 2 ) ，燃烧升温过程在燃烧室完成( 2 3 ) ，在透平中完成膨胀 做功过程( 3 4 ) ，最后排气，乏气排向大气，完成冷源放热过程( 4 1 ) ，完成一次 开式循环。 ( 2 ) 相关计算 在燃气轮机循环中，一般用比功和热效率这两个指标来分析比较，它们是 在循环计算中必须计算的，并作为确定循环参数的重要依据。 比功 比功是工质经过工作循环，单位质量工质对外界所做的功，单位为k j k g 。 因此，循环比功的大小表明了工质对外界做功能力的大小。在做功量相同时， 比功大的循环所需工质的量少，反之就多。对于一台燃气轮机来说，比功表明 了单位工质流量输出功的大小。因此，两台功率相同的燃气轮机，比功大的工 质流量少，机组的尺寸就可能较小，反之可能较大。 根据透平机械的工作原理，可得到压气机的实际压缩功为 心= c 。五( 万一1 ) r 。 ( 2 - 1 ) 透平的实际膨胀功为 鸱= c , , t 3 ( 1 - x ) r , ( 2 - 2 ) 由于压气机的进e l 空气流量和透平进口工质流量不同，而上面两式是各自 相应于单位质量空气和燃气的数值，使得鸱和皑的值不能直接加减运算。通常， 是把以换算成相应于单位质量空气的数值。这时的燃气轮机循环比功= ( 1 + 厂) 透平输出功一压气机耗用功，有 q = ( 1 + 厂) q 一心 = o 0 1 南。r 互( 2 3 ) 卜卟万专h 篡， 其中，f ：燃料空气质量流量比。k ：绝热指数，近似计算时，它就是比热 比。r ：气体常数，只与气体种类有关。t l ：压气机入口温度( k ) 。t 3 ：透平入 口温度( k ) 。仇：压气机效率。碾：透平效率。f ：温比，f = 詈。死压气机压 比。 可见，仉和仍值变化时都将对比功的大小产生影响。鉴于僻 q ，因而在仉 和r , 变化相对量相同时，r , 要比纰和仉的影响大，可见提高透平效率对改善循 环性能的影响，要比提高压气机效率的影响大。 取标准状态，将上式绘成曲线如图2 - 4 所示。可见，装置比功与温比、压 比及初温有关。f 愈大( t 3 愈高或t 1 愈低) ，则织愈大，而且每一个f 值都有一 个最佳的死。值去配合，才能得到最大的比功。这个最佳的比功也可以用求导 上 的办法获得。有：一= f 2 “1 ( 2 - 4 ) 7 0 0 6 0 0 5 0 t j 叫 l 4 0 0 上 窜3 0 0 z o o j o o o 51 01 52 02 50 03 5 芹 图2 4理想简单循环的比功 热效率 热效率是工质经过工作循环，把加入到循环中的热量转变为输出功的百分 数，热效率高时，表明加入的热量利用率高，反之利用率低。 k - i 燃气轮机简单循环的热效率 = 1 一万 ( 2 5 ) 上式表明，简单循环的热效率仅与压比有关，且随着压比的增加而增加。 见图2 5 。 8 0 6 0 荨4 0 囊， 2 0 0 510 l5 2 0 2 53 0 3 5 开 图2 5 简单循环热效率与压比的关系 但是，不能因此就得出热效率能无限制地增加的结论，因为任何循环的热 效率都不可能高于卡诺循环的热效率值( 1 一三) 。 考虑到发电机效率，则燃气轮机发电轭组的有用比功输出为吧= 哦。 2 1 2 微型燃气轮机发电机组的工作原理 ( 1 ) 工作原理和参数 简单循环燃气轮机的透平排气温度很高，因此透平排气带走的热量很多， 这就是简单循环燃气轮机效率较低的原因。利用透平排气余热的方法很多，其 中之一是采用回热器( 即热交换器) 将透平的排气加热即将进入燃烧室的空气， 部分地回收了透平排气的余热，这可以显著地提高燃气轮机的经济性。图2 - 6 为回热型燃气轮机发电机组循环示意图，目前主要是微型燃气轮机采用此种结 构。 图2 6回热型燃气轮机发电机组循环不恿图 微型燃气轮机发电机组( m i c r o t u r b i n eg e n e r a t o r ) 一般简称微型燃气轮机，都 采用回热式白朗托循环。通常它由离心式压气机、向心式透平，燃烧室、板翅 式回热器、高速逆变发电机及电子控制部分组成。从离心式压气机出来的高压 空气，先在回热器内由透平排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高 温燃气送入向心式透平做功，直接带动高速发电机发电。发电机首先发出高频 交流电，然后转换成高压直流电，再转换为5 0 h z 4 5 0 v 的交流电供用户。高速 发电机与压气机透平同轴，转速为5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r m i n 。现有的微型燃气轮机发 电机组功率为2 5 3 0 0 k w ，扣除各种损耗后外输电的发电效率为2 6 - 3 0 ，与 现有5 m w 左右的简单循环燃气轮机发电机组的发电效率相当。压气机的增压 比万多在3 o 4 0 之间，涡轮的最高效率点对应流量系数在0 2 一o 3 ，载荷系数在 0 9 1 o 之间，机组燃气初温厶 9 0 0 。c ，回热器的回热度0 9 。在微型燃气轮机 的结构中，回热器的作用就是用温度尚高的排气来加热已压缩后的空气，使空 气在回热器内预热后再进入燃烧室。这样，一部分排气的热量就可以用来代替 一部分燃料，从而减少向燃烧室中加入的燃料量，提高燃气轮机发电机组的热 效率。可见，装设有回热器的联产系统在同等电力需求的情况下可以节约燃料 耗量，但又使可以回收的余热量降低，因此当用户对电量需求相对较多时，这 种类型的联产系统可以优先考虑。 美国能源部颁布的“先进微型燃气轮机规划 的主要性能指标有： 效率：燃料一电转换效率至少达到4 0 ； 环境：n o ， 7 p p m ( 燃用天然气) ； 持续性：无检漏时间为1 1 0 0 0 h ，服务寿命至少4 5 0 0 0 h ； 电力投资：系统投资小于5 0 0 $ k w ； 燃料灵活性：可以使用多种燃料，包括柴油、乙醇、垃圾气和生物燃料。 表2 2 为一些典型的微型燃气轮机性能数据。 表2 2典型微型燃气轮机性能数据 制造商 c a p s t o n eh o n e y w e l l g e e l l i o t t b o w m a nn r e c 功率k w3 07 54 5 4 57 0 形式 单轴回热单轴回热单轴回热 单轴同热单轴回热 发电效率2 62 8 52 5 3 02 2 53 3 n o 。( 15 0 2 ) ( m g k g ) 9 2 5 1 52 59 噪声d b6 0 1 0 m6 5 1 0 m6 5 3 m 7 5 1 m 质量k g 4 8 91 5 4 06 0 0 1 0 0 08 7 0 轴承 空气轴承空气轴承陶瓷滚柱润滑油 由e l l i o t t 购油轴承 ( 2 ) 相关计算 回热循环中的一个重要参数就是回热度仃，它用来说明回热的有效程度。 它等于：实际回热量理想回热量，通常将其近似表达为 仃= 孕车 ( 2 6 ) 五一互 。 在小型燃气轮机中，不少的再生式( 回转式) 回热器，仃约为0 9 0 0 9 2 。 在给定了回热度值之后，便可以进行计算。回热循环的计算与简单循环类 似，只是燃烧室入口温度t 2 。要由回热度的表达式导出，有五。= c r ( r 。一乏) + 互。 按循环计算的顺序，t 2 。的计算应在压气机计算后和燃烧室计算前进行，但这时 透平的排气温度t 4 尚不知道，故需设定t 4 或直接设定t 2 。，然后再迭代修改。 2 2 余热锅炉的工作原理 小型分布式燃气轮机热电联产系统充分考虑了能量的品位，具有很高的联 合效率。余热锅炉作为广泛的余热回收装置，处于燃气轮机之后，即处于系统 的末端，它使用的是低品位的能量，相当于换热器。其设计的合理性不仅影响 余热利用的效率，而且对于系统整体优化和各主要子系统的匹配起着承上启下 的作用；其结构、性能和参数都极大地影响到其它设备和整个系统的性能。本 节将对余热锅炉的工作原理及分类进行介绍。 2 2 1 余热锅炉工作原理 热电联产系统中，供热系统提供的热量主要或全部来自动力系统的高温排 气：通常使用余热锅炉或热交换器回收动力系统排气中的热量。余热锅炉是由 一系列换热器组成，包括过热器、蒸发器和省煤气三部分，如图2 7 所示。通 常用在热电联产中的余热锅炉都是单压余热锅炉，其换热器与烟气、水汽的温 度变化关系如图2 8 所示。 。水( 蒸汽侧) 烟气侧 图2 7余热锅炉系统示意图 图2 - 8单压余热锅炉中传热量q 与燃气、水( 蒸汽) 温度变化图 余热锅炉的设计选型是与燃气轮机出口烟气参数相匹配的，设计一台余热 锅炉时，如果已知其进口烟气温度和流量，只要确定设计工况下的蒸汽温度、 蒸汽压力以及余热锅炉夹点温差和接近点温差，就可以通过下面的式子计算得 到设计工况下的蒸汽流量和最终烟气排放温度，从而计算得到余热锅炉的效率 r n 黜o 。 q 。：只。哎。乃。：c 。i 兰掣= 魄( 啊一j i 2 2 ) = 九( 吃一h a ) ( 2 - 7 ) 1 1 1 1 堑 t 2 一t b 缆= f o a o a r 。= 瓦上云 = 墩( j i z 2 一如) = 班( 一亿) ( 2 - 8 ) i n 一乇 q e c = f 。a c y ；o = 屹掣= 砌。( 绣一) = 晚( 一吃) ( 2 - 9 ) 1 1 1 量堑 t 4 一t e r , h m a = 篱 ( 2 1 0 ) 式中，q 。u ，q v 。，q 。分别为过热器、蒸发器和省煤器的传热量，k w ； ，分别为过热器、蒸发器和省煤器的平均换热系数，k w ( m 2 。c ) ； f 。u ，f 。，f 。分别为过热器、蒸发器和省煤器的传热面积，m 2 ； e 。，乇，乙分别为过热器、蒸发器和省煤器的对数平均温差，。c ； r h 。，以分别为烟气和水( 蒸汽) 的流量，k g s l h 为烟气和水( 蒸气) 在各个状态点的焓值，k j k g 。 2 2 2 余热锅炉简单分类 不同结构组成的热电联产系统由于不同的需求使用不同的余热锅炉，因此， 余热锅炉型号、种类繁多。根据烟气的流动方向，余热锅炉可以分成卧式布置 和立式布置；按工质使用的压力分类，余热锅炉可以采用单压、双压( 有或无再 热) 和三压( 有或无再热) 等几种形式；按照供给热量的方式分类，余热锅炉分为 非补燃式余热锅炉、部分补燃式余热锅炉以及完全补燃式余热锅炉三种。所谓 补燃，即在余热锅炉中再补充燃烧一部分燃料( 气体、液体或固体燃料均可) ， 增大余热锅炉的产汽量，并提高主蒸汽参数( 不补燃余热锅炉的主蒸汽温度受燃 气轮机排气温度的限制) 。目前补燃的余热锅炉大多只用于热电联产的联合循环 中，通过增减补燃料量使产汽量具有灵活性，以求得热负荷和电负荷可独立地 调节，并提高联合循环在低负荷下的热效率。出于本文的研究需要，现就最后 一种分类的几种形式给予详细介绍。 ( 1 ) 非补燃式余热锅炉：这种炉型只利用燃气轮机的余热，没有外来燃料。 其特点是：系统效率较高，结构简单，基本投资费用较低；由于没有燃烧系统 的存在，运行可靠性高。但是余热锅炉的出口参数受燃气轮机排气温度、流量 的限制，蒸汽的流量参数不易控制。当燃气轮机压比很高时，蒸汽的参数不容 易提高。 ( 2 ) 部分补燃式余热锅炉：为了提高整个循环的功率或者改善循环的变工况 特性，有时需要在余热锅炉中投入一些燃料。燃气轮机通常只消耗燃气轮机空 气流量中少部分的氧气，排气中的剩余氧气足以在余热锅炉中起补燃作用。如 果排气中的剩余氧气未完全用于补燃就是部分补燃式余热锅炉。燃气轮机的排 气相当于被预热的燃烧空气，与常规锅炉相比投入同样的燃料将产生更多的蒸 汽。由于补给了燃料，可以增大蒸汽的流量、提高蒸汽的参数不再受燃气轮机 排气的限制。但是补燃在大多数情况下都将使系统效率降低。 ( 3 ) 完全补燃式余热锅炉：这种布置把燃气轮机的排气中的氧气全部用于余 热锅炉的补燃。它能产生的蒸汽是非补燃系统的6 7 倍，产生同样的蒸汽消耗 的燃料比常规锅炉少7 5 一8 。虽然可以产生较多蒸汽，但由于此时循环的系 统效率较低，在实际应用中较少被采用。 在本文所