亚太地区燃气轮机发电应用及气体燃料技术研讨会论文.pdf

1 亚太地区燃气轮机发电应用及气体燃料技术研讨会论文 编号 整体气化联合循环 IGCC 动力岛 变工况性能研究 朱宝田 整体气化联合循环 IGCC 动力岛 变工况性能研究 朱宝田 徐徐 越越 国家电力公司热工研究院 陕西 西安 710032 摘要 摘要 研究了 IGCC 动力岛变工况特性及其与各子系统相应特性的关系 建立了 IGCC动力岛各子系统变工况 特性 燃气轮机 余热锅炉 汽轮机等 的数学模型 考虑它们间的耦合 对整个系统求解得到了 IGCC 动力 岛的变工况特性及各种参数变化的一般规律 研究了 IGCC 动力岛合理的运行方式 对 IGCC 电站的设计和运 行有着现实的工程意义 关键词 关键词 IGCC 动力岛 燃气轮机 余热锅炉 汽轮机 运行方式 变工况性能 0 前言 0 前言 整体气化联合循环 IGCC 的主要系统 如气化 净化 空分 动力岛 燃气轮机 余热 锅炉 汽轮机等 的变工况特性有很大的差异 燃气轮机对负荷变化的响应很快 而余热锅炉 及汽轮机的热惯性较大 对负荷变化的响应较慢 汽轮机与燃气轮机又有分轴型及单轴型等结 构型式 变工况时有其不同的特点 机组构成及运行特征决定了 IGCC 中动力岛的变工况性能 研究是非常复杂的工作 本文通过对常规联合循环研究方法的总结 建立了 IGCC 动力岛各子 系统变工况特性 燃气轮机 余热锅炉 汽轮机等 的数学模型 采用 GT MASTER 软件 比 较详细地计算分析了 IGCC发电机组动力岛的变工况特性 1 IGCC 蒸汽系统变工况计算原理 1 IGCC 蒸汽系统变工况计算原理 1 1 燃气轮机 大气压力 温度以及负荷的变化都是引起燃气轮机在变工况下工作的原因 在变工况下 根据需要 采用增减燃料量和 或调节压气机可转导叶的方法来改善变工况性能 从而构成合 理的变工况运行方式 压气机变工况性能应用压气机性能曲线计算 透平变工况性能采用考虑临界压比的 Fl gel 公式 考虑工质热力特性的变化关系 还要 满足透平流量与压气机进口流量 压气机抽气流量 燃料流量 透平冷却流量的平衡条件 以 及满足透平膨胀比与进口压力 燃烧室压力 排气压力和压气机压比的平衡条件 2 1 2 余热锅炉 余热锅炉在联合循环电站中是常用设备 也是蒸汽系统的重要组成部分 在现代大多数联 合循环电站中 蒸汽系统通常被设计成双压或多压系统 在对这种双压或多压蒸汽系统进行研 究时 可以将它当作是多个由三种换热器组成的单压系统的合成 每个单压系统由一个省煤 器 一个蒸发器和一个过热器组成 因此对多压系统变工况进行研究时必须先建立单压系统的 计算模型 单压系统变工况性能计算时各换热器的换热系数计算及由过热器能量平衡方程 蒸发器能 量平衡方程 省煤器能量平衡方程 蒸汽轮机平衡方程组成了 11 个非线性方程组成方程组 含有 11 个未知量 如果已知燃气进口参数和给水参数 可求得上述各未知量 上述方程和计 算流程见文献 1 2 多压余热锅炉系统是由多个单压系统连接而成的 通常采用两种连接方式 各个压力级是彼此独立 此时各压力级的给水是直接来自除氧器的 在这种情况下只需 要分别求解各压力级即可 高压级的给水是来自中压汽包或低压汽包 在这种情况下高压级的给水温度是低压汽包 的饱和温度 此时在各压力段之间存在耦合关系 1 3 汽轮机 定压运行 余热锅炉产生的蒸汽量和温度在余热锅炉进口燃气参数已知后就是确定值 滑压运行 汽轮机进汽调节阀在全开位置 变工况下蒸汽的压力将变化 由余热锅炉和汽轮机平衡运 行来确定 这时余热锅炉的出口蒸汽参数必须满足汽轮机的流量特性 流量特性可用 Fl gel 公 式表示 对于多压补汽汽轮机 按各压力级段分别应用 Fl gel公式 将 Fl gel 公式同余热锅炉 热平衡方程联立求解 就可得到蒸汽系统滑压运行时变工况性能 滑压 定压复合方式运行 在滑压 定压运行变换点前后分别按各自的控制方程求解计算 2 IGCC 动力岛变工况算例与分析 2 IGCC 动力岛变工况算例与分析 采用 GT MASTER 软件对双压再热蒸汽系统 IGCC 机组动力岛的变工况特性进行了计算 系统的流程图见文献 1 首先计算燃气轮机不同调节方式的经济性 计算各种调节方式对应 的余热锅炉的变工况特性 然后对汽轮机的两种部分负荷运行方式进行计算 比较 计算中废 锅蒸发量和燃气轮机燃料量取为正比关系 2 1 设计工况参数及指标 燃气轮机 型号 GE9311FA 燃料 合成煤气 LHV 4 323 kJ kg 25 压比 14 72 压气机流量 584 6 kg s 3 透平前温 1 256 排气温度 595 功率 263 134 kW 汽轮机 高压缸进口参数 540 10 2 MPa 再热器出口参数 540 2 91 MPa 低压缸进口参数 261 0 4 MPa 低压加热器抽汽压力 0 0911 MPa 汽轮机功率 182 0 MW 循环净功率 429 88 MW 余热锅炉 双压再热式 高压 低压节点温差 10 83 13 39 高压汽包压力 11 48 MPa 高压过热器出口温度 540 中压汽包压力 0 44 MPa 中压过 再 热器出口温度 540 高压换热面积 177 433 m2 高压 低压蒸汽产量 38 78 kg s 12 24 kg s 低压换热面积 93 935 m2 废锅产汽量 80 6 kg s 排烟温度 118 2 2 IGCC 动力岛变工况计算结果与分析 2 2 1 燃气轮机运行方式 GE9311FA 燃气轮机降负荷的运行方式采用先关可转导叶 同时控制 t3不变和 t4不超温 再降低 t3继续减负荷的方式 图 1 绘出了在这种调节方式下运行时 燃气轮机负荷率与燃气轮 机进气温度 t3 燃气轮机排气温度 t4 压气机进口流量 燃气轮机排气流量的变化关系 从图 中可以看到 当燃气轮机开始减负荷时 由于可转导叶关小 同时控制燃气轮机进气温度 t3不 变 这时燃气轮机的排气温度 t4开始上升 当压气机进气流量的 70 时 燃气轮机的负荷率约 为 70 此时燃气轮机的排气温度从额定工况时的 595 升到 645 由于排气温度 t4已到上 限 此时在关可转导叶的同时 必须采用降低燃气轮机初温的方式来继续降低燃气轮机的负荷 率 随着燃气轮机负荷率继续下降 燃气轮机的进气温度 t3开始降低 同时排气温度 t4也开始 下降 图 1 燃气轮机变负荷工况图 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 流量 kg s 温度 C 压气机进口流量 kg s 燃气轮机进口温度 C 燃气轮机排气流量 kg s 燃气轮机排气温度 C 4 2 2 2 燃气轮机负荷率与燃料量的关系 图 2 根据燃气轮机变工况计算结果绘出了负荷率与燃料量变化关系图 从图中可以看 到 在 100 70 负荷范围内由于采用关小可转导叶的方式调节燃气轮机负荷 在该范围内负 荷率与燃料量成正比关系 而在 70 40 负荷范围内 由于采用降低燃气轮机透平初温 t3的 方式降低负荷 燃气轮机负荷率与燃料量虽仍成正比关系 但比例常数却有差异 这是由于两 种调节负荷方式对燃气轮机循环效率的影响不同 在 100 70 的负荷范围内 由于保持燃气 轮机初温 t3不变 从而使燃气轮机循环效率比 70 40 负荷范围内降低燃气初温 t3的方式减 负荷时的效率要高 从图中可以看到 100 70 范围内直线的斜率小于 70 40 范围内直线 的斜率 但两者的差别不大 2 2 3 蒸汽系统运行方式对循环的影响 当燃气轮机采用相同的运行方式 而汽轮机分别采用定压方式和滑压方式运行 汽轮机功 率随燃气轮机负荷率的变化如图 3 所示 从图中可以看到 在减负荷阶段 采用定压方式的机 组蒸汽循环功率比采用滑压方式点要低 而且燃气轮机部分负荷越小时 蒸汽循环采用定压运 行方式的功率输出越小 因此 IGCC 变负荷运行时蒸汽系统应采用滑压方式运行 2 2 4 蒸汽系统运行方式对余热锅炉蒸发量的影响 在部分负荷工况下 汽轮机有不同的运行方式 定压运行方式 滑压运行方式以及这两种 方式相结合的复合方式 定压运行即汽轮机进汽压力保持不变 可通过关小汽轮机的调门开度 来实现 滑压运行时汽轮机的调门全开 汽轮机的进汽压力随机组负荷而变化 复合运行方式 是滑压和定压运行方式的组合 它是根据机组在部分负荷时有最佳的经济性及安全性要求而设 置的 图 2 燃气轮机负荷率与燃料量关系图 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽流量 kg s 低压汽包蒸发量 kg s 废热锅炉蒸发量 kg s 高压汽包蒸发量 kg s 5 图 3 运行方式对蒸汽循环功率的影响 图 4 和图 5 根据计算结果分别绘出了汽轮机在采用定压运行方式和滑压运行方式时 低压 汽包 高压汽包和废热锅炉的蒸汽蒸发量 可以看到不管采用何种运行方式 以废热锅炉的蒸 发量为最大 从图 4 和图 5 中可以看到 燃气轮机在 100 70 负荷范围内时 由于是通过关小可转导 叶来减少燃气轮机负荷 燃气轮机的排气流量因此降低 同时由于维持燃气轮机初温 t3不变 燃气轮机的排气温度 t4升高 在这两个因素影响下高压蒸汽的蒸发量有所减少 但变化不大 另外由于燃气轮机所需的燃料减少 在废锅中的蒸发量呈线性减少 由于此时在高压汽包和废 热锅炉内的产汽量依然很大 高压给水的流量也就很大 使得在余热锅炉内的低压蒸汽产量也 随着燃气轮机负荷的降低而降低 当燃气轮机低于 70 负荷时 燃气轮机的负荷减少是通过降 低 t3来实现的 此时燃气轮机的排气温度 t4开始下降 同时由于燃料量的减少 燃气轮机的排 气流量也有所减少 但减少幅度比 100 70 负荷范围内要平缓 在 t4降低和燃气轮机排气流 量减少的作用下 高压汽包和废热锅炉的蒸汽蒸发量减少幅度加快 造成高压给水流量减少 使得高压给水在余热锅炉内的吸热量减少 这样留给低压蒸汽的热量相对升高 低压蒸汽的产 量也有所增加 图 4 定压运行时燃气轮机负荷率与蒸汽蒸发量的关系 100000 110000 120000 130000 140000 150000 160000 170000 180000 190000 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽轮机功率 kW 定压运行蒸汽轮机功率 kW 滑压运行蒸汽轮机功率 kW 80 90 100 110 120 130 140 150 160 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 燃料量 kg s 燃气轮机燃料量 kg s 6 图 5 滑压运行时燃气轮机负荷率与蒸汽蒸发量的关系 从图 4 和图 5 中还可以看到 在 IGCC 蒸汽系统中 由于废热锅炉的蒸发量很大 高压汽 包和废热锅炉的产汽量要远大与低压汽包的产汽量 由于高压汽包和废热锅炉给水量大 使得 高压给水在余热锅炉内吸收了大部分的热量 而留给低压给水的热量只占余热锅炉热量的少部 分 因此在 IGCC中 通常情况下采用双压蒸汽系统 在汽轮机采用定压运行方式时 高压蒸汽需要达到比滑压运行方式高的参数 此时高压汽 包的蒸汽产量比滑压运行方式时蒸汽产量低 相应的高压给水量也较滑压运行时低 由于高压 给水流量低 使得定压运行方式时高压给水的吸热量比滑压运行方式时低 相应的低压汽包的 蒸发量比滑压运行时低压蒸汽的蒸发量要高 这个规律同常规联合循环电站相似 2 2 5 汽轮机运行方式对蒸汽参数的影响 图 6 是根据变工况计算结果绘出的汽轮机运行方式对高压蒸汽压力的影响的趋势图 从图 中可以看到 在汽轮机采用定压运行方式时 高压蒸汽的压力维持不变 而当汽轮机采用滑压 运行方式运行时 高压蒸汽的压力随着燃气轮机负荷率的降低而降低 滑压方式对汽轮机的运行是十分有利的 调节汽门全开避免了局部节流损失 蒸汽流量比 定压方式者大 对提高汽轮机的级效率有利 凝汽式汽轮机的排汽干度不会明显降低 可以防 止对末级叶片的浸蚀 延长叶片工作寿命 但滑压运行也有对热经济性不利的一面 当蒸汽压力过低时 蒸汽系统的循环效率下 降 这正是对滑压运行方式的压力下限进行限制的原因所在 在燃气轮机负荷率低于 40 30 时 汽轮机通常采用定压运行方式运行 图 7 绘出了燃气轮机部分负荷时再热 低压蒸汽压力变化趋势图 由于汽轮机变负荷运行时再 热蒸汽的压力与再热热端下游的汽轮机通流量有关 所以在图中可以看到汽轮机采用滑压运行 方式时再热蒸汽压力高于采用定压运行方式时的压力 而低压蒸汽均采用滑压调节 从图中可 以看到两者的压力差别不大 图 8 图 9 绘出了燃气轮机部分负荷时汽轮机各段蒸汽温度变化趋势图 从图中可以看 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽蒸发量 kg s 低压汽包蒸发量 kg s 废热锅炉蒸发量 kg s 高压汽包蒸发量 kg s 7 到 当燃气轮机负荷降低时 主蒸汽温度升高 当主蒸汽温度高于额定温度时 开始投入减温 喷水 以保持主蒸汽温度不变 负荷降低到 50 以下 主蒸汽温度低于额定值 并随负荷减少 而进一步降低 再热蒸汽温度随燃气轮机负荷变化的关系与上述规律类似 而低压蒸汽温度随 燃气轮机负荷的下降变化不大 图 6 燃气轮机部分负荷时高压蒸汽压力变化趋势图 图 7 燃气轮机部分负荷时再热及低压蒸汽压力变化趋势图 0 5 10 15 20 25 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽压力 bar 定压运行蒸汽轮机再热蒸汽压力 bar 定压运行蒸汽轮机低压蒸汽压力 bar 滑压运行蒸汽轮机再热蒸汽压力 bar 滑压运行蒸汽轮机低压蒸汽压力 bar 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽压力 bar 定压运行蒸汽轮机高压蒸汽压力 bar 滑压运行蒸汽轮机高压蒸汽压力 bar 8 图 8 燃气轮机部分负荷时高压蒸汽温度变化趋势图 图 9 燃气轮机部分负荷时再热及低压蒸汽温度变化趋势图 如何选择汽轮机的运行方式 不能只从汽轮机本身的运行性能考虑 应当根据热力系统 及其参数以及燃气轮机的调节方式 从燃气和蒸汽系统的总体效率出发来确定 对于多压余热 锅炉这样很复杂的系统 变工况计算要考虑到余热锅炉和汽轮机等设备的参数及流量匹配 在 什么负荷范围采用何种运行方式只有通过方案计算 比较甚至优化才能确定其最佳的运行方 式 505 510 515 520 525 530 535 540 545 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 高压蒸汽温度 C 定压运行蒸汽轮机高压蒸汽温度 C 滑压运行蒸汽轮机高压蒸汽温度 C 200 250 300 350 400 450 500 550 600 30405060708090100110 燃气轮机负荷率 蒸汽温度 C 定压运行蒸汽轮机再