燃气-蒸汽联合循环机组性能分析算法的研究

第52卷第4期2010年8月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVO152NO4AUG2010燃气一蒸汽联合循环机组性能分析算法的研究崔凝，陆海荣，赵文升1华北电力大学仿真与控制研究所，保定071003；2华北电力大学能源与动力工程学院，保定071003摘要从工程热力学出发，建立了大容量燃气一蒸汽联合循环机组热力学理论模型。以此为基础，提出了运用线性小偏差法与机组运行数据相结合的方法研究联合循环机组特性，并开发了通用型联合循环机组性能分析算法。以实际机组为例，计算了各参数变化对机组性能的影响系数，定量分析了机组性能与热力参数的依变关系，为联合循环机组出力和热效率的提高提供了理论依据，为机组变工况特性研究提供了详实的计算数据。关键词性能分析；算法；线性小偏差；联合循环机组分类号TK4726文献标识码A文章编号10015884201004028805STUDYONTHEPERFORMANCEANALYSISALGORITHMOFTHEGASSTEAMCOMBINEDCYCLEPOWERUNITCUINING，LUHAIRONG，ZHAOWENSHENG1SIMULATIONCONTROLTECHNOLOGYINSTITUTEOFNOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA；2SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，NOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINAABSTRACTFROMTHEVIEWOFENGINEERINGTHERMODYNAMICSTHEORY，THETHERMODYNAMICMODELFORTHELARGECAPACITYGASSTEAMCOMBINEDCYCLEPOWERUNITSGSCCISBUIHBASEDONTHETHEORYMODEL，THEMETHODTORESEARCHTHEGSCCPERFORMANCEISPUTFORWARDBYCOMBININGTHELINEARSMALLDEVIATIONAPPROACHANDOPERATIONDATA，ANDTHEGENERALGSCCPERFORMANCEANALYSISALGORITHMISDEVELOPEDUSINGTHEREALPOWERUNITASANEXAMPLE，THEIMPACTCOEFFICIENTSONTHEGSCCPERFORMANCEARECALCULATEDWHENTHEPRIMARYPARAMETERSVARYTHEVARIATIONALRELATIONBETWEENTHEGSCCPERFORMANCEANDTHERMODYNAMICPARAMETERSAREQUANTITATIVELYANALYZEDTHETHEORYBASISISPROVIDEDFORINCREASINGTHEOUTPUTANDTHERMALEFFICIENCYOFGSCC，ANDTHEVALUABLECALCULATIONDATAAREPROVIDEDFORTHERESEARCHOFTHEGSCCOFFDESIGNPERFORMANCEKEYWORDSPERFORMANCEANALYSIS；ALGORITHM；LINEARSMALLDEVIATION；COMBINEDCYCLEUNIT0前言从改变电力能源结构、改善环境、提高电网调峰灵活性以及逐步取得重型燃气轮机自主研发能力的国家战略出发，自2003年开始，我国通过打捆招标的方式先后从GE、SIE。MENS和MITSUBISHI公司引进了51台套F级重型燃气轮机及其联合循环机组设备9FA型、V943A型和M701F型。随着重型燃机的大量引进和联合循环机组的陆续投运，了解掌握联合循环机组变工况特性及其运行规律成为我国科研人员与运行人员亟待解决的问题。本文以引进的F级燃气一蒸汽联合循环机组为研究对象，深入分析机组中变几何轴流压气机、燃烧室、燃气透平、无补燃型三压再热自然循环余热锅炉、蒸汽汽轮机、凝汽器等主要部件的热力学特性，提出了与其它相关研究“不同的机组变工况特性分析的新思路利用线性小偏差法与机组运行数据相结合的方法研究机组特性，并以实际机组为例，定量分析了各热力参数变化对机组性能的影响程度。1顶循环系统热力学模型目前发电用联合循环机组一般是由顶循环与底循环两大系统组成的总能系统，它体现了“温度对口，梯级利用”原则，充分利用各品位的热能，以求最大程度地提高整个系统的热效率。顶循环系统是指由变几何轴流压气机、燃烧室和燃气透平三大部件组成的工作于高温区的单轴重型燃气轮机的热力系统。在建立顶循环系统热力学模型时，作以下简化因气流速度很高，假定工质的压缩和膨胀过程是绝热的，空气和燃气可视为理想气体。根据上述简化，深入研究重型燃机各部件工作机理和热力学特性，可得以下热力方程。压气机实际压缩比功盟压气机出口气温收稿日期20091123作者简介崔凝1969，男，汉族，河北省保定市人，高级工程师，博士，从事热力系统数学模型的研究以及联合循环机组的动态特性分析等研究工作。第4期崔凝等燃气一蒸汽联合循环机组性能分析算法的研究289盟12天然气与空气质量比厂赢燃气透平实际膨胀比功，一1叼4透平排气温度一一古叼5透平工质流量每嘉2去2等4G一PGIOPTG、N。、U燃机压力平衡方程汀占PALPPRG2一。PA7燃机工质流量平衡方程GO一11一8燃机比功等11_T一9忽略燃料显热，则燃机效率务，TF；1,等；NU、分别为压气机与透的气、进气焓；、RG分别为压气机与透平的进气温度；CPA、CPG分别为空气及燃气平均比热；G、GG、G。分别为压缩空气、天然气、燃气及冷却空气质量流量，RL、RL、RL，分别为等熵压缩效率、等熵膨胀效率及燃烧室燃烧效率，8、丌分别为压比和膨胀比；P。、PP分别为大气压力与压气机的进气、排气压力；PP分别为透平的进气与排气压力；P噼为燃烧室出口压力；、F、分别为压气机进气、透平排气及燃烧室总压保持系数；、分别为卒气及燃气等熵I寸程指数2底循环系统热力学模型及机组指标方程21底循环系统热力学模型在联合循环机组中，通常与F级重型燃机配套的底循环系统是指由无补燃型三压再热自然循环余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器、水泵等主要部件组成的工作于中低温区的蒸汽轮机热力系统。在底循环系统中，作为工质的水蒸汽距离液态不远，不能作为理想气体来看待，其状态参数、热力过程均无法用简单的数学式表达出来”。为了便于建立联合循环机组小偏差方程组，本文根据与F级重型燃机配套的底循环系统汽水流程，推导底循环系统的能量和质量平衡方程来表征其热力特性。非补燃型三压再热自然循环余热锅炉热平衡方程底循环有效吸热量QGGHBGL一日6叼CPBG一77培G咖1一21L一ZM一11汽轮机输出功率却帅咖G却如L一怛L一G0HSNHIGALL12汽轮机质量平衡方程FGG却GGR13P定义蒸汽流量系数分为1睾11XAS一L十M十_一1XXL汽轮机循环效率RL14VBG式中，G为进入余热锅炉的烟气流量；H岵。、H与、分别为烟气入口和出口的热焓与温度；CPBG为烟气的平均比热；为高过出口焓高压缸入口焓；IT,HP2为高压缸排汽焓；为再热器出口焓；1T,为低过出口焓；为对应凝汽器压力下的饱和水焓；。、分别为中、低压缸入LI和出口焓；G、G、G咖分别为高、中、低压缸入LI蒸汽流量；、分别为中、低压系统蒸发量；AL、分别为高、中、低压缸有效焓降；G为高压再热蒸汽量；忽略再热器喷水和轴封漏汽，则G等于高压主汽流量G。22联合循环机组性能指标方程根据顶循环和底循环系统热力学模型，可得联合循环机组功率15忽略燃料显热，联合循环机组热效率仉GLQL仉C一3联合循环机组热力小偏差方程组31线性小偏差方程线性小偏差法是一种近似计算方法，当系统中热力参数之间存在函数关系，并在基值。，XMO的邻域内存在N1阶的连续偏导数，则该函数可在基值的邻域内按泰勒级数展开，略去一阶以上导数项，可得其增量形式Y蔷上式即为线性小偏差方程的基本形式，它表示函数增量与自变量微增量之间的关系，其实质是当自变量与基值偏差290汽轮机技术第52卷不大时，把函数关系线性化，利用已知的微分方程可以相当准确地求出这些偏差量之间的相互关系，简化了复杂方程的求解和分析，并在一定范围内具有足够的精确度。用小偏差法定量计算各参数对联合循环机组性能的影响系数和相互关系，具有清晰的物理意义。32顶循环系统小偏差方程根据31节所述，首先将式1取对数后得LNWLNC|NTLN一1一LM7将上式小偏差化得DCN，DCN1D1NSN2861。A1NS。一一D1NRL为简化方程，可将上式改写为相对增量形式，则压气机比功小偏差方程DWDTLLDEDR17，等一等，DE1，1生生，D卵。RV1LV采用类似的方法可以得到表征燃气轮机特性的小偏差化方程组由式2得压气机出口温度DTO2DTL】K2DEKD叼，18由式4得燃气透平比功DWDI3DRRDR19由式5得燃气透平出口温度D，J一O，仃一D20设透平排气压力P等于常数，由式6得燃气流量DGD仃一寺D2由式7得压比平衡D丌D，JDDE22假设一0，由式8得燃料量DD一忽略燃料显热，由式3得DG，DGKG,SC,L一1D一D叩23由式9得燃机比功和功率DWKE61DW一DW24DDWDG25将式17、19、22、24代入上式，整理得DDGK1DJD叼一KDLD叼，1D1，26将式18代入式23，整理得，DGD一K一1DT一一1K舭“DF512D叼YD叩，27由式10得燃机热效率DRD一DGR28将式26、27代入式28，整理得DR1一口一1一DTS一11一NDS一一12D叩D叼1129以上各式中的系数分别为譬，一_一“一11一IX。1W一田仃。一1一旦二GT47R0一叼一1。33底循环系统小偏差方程采用32节类似的方法。将式11式14整理后小偏差化，可推导出影响汽轮机功率和循环热效率的主要因素和影响系数。定义R为余热锅炉当量吸热量，令RBGH1XHRHLHXTHLH根据上式定义，将式11小偏差化后得DQDGDR30DRDH】一HCD一0DX一D一，R一DXD。一H将DR代入式30，整理得DQBGDGPKBDHHKH。DH州一H、D一DXDLHCDX,F31定义H为汽轮机当量有效焓降，令HHXPHXLH根据上式定义，将式12小偏差化后得DDGD32DHHHPDZH,HPT1XHPDHT1XXT厶HDHIFF十XTHIAHDXSXLHDH将D代入式32，整理得DWNDGHUKIDAHKND厶HKD日如K蚪DXKDX33将式14小偏差化后得汽轮机组循环效率DRD一DQ妇将式31、33带人上式并整理得DQNK1【1一KBDHSKDHK8DAHDXK5一K4DXF一62矗D一HC一K鼢DM一34第4期崔凝等燃气一蒸汽联合循环机组性能分析算法的研究291以上各式中的系数分别为H等，一“一1IGDSK11D叼LK腼一51K2D，咖1，1DGCIDA2DADDDX,DX“36系数说明，煮。，。4机组性能分析算法34联合循环机组性能指标小偏差方程将式15小偏差化得DWK。IDW|KDW将式26、33带入上式，整理得DLDG。K1DLD叼1D一“DIG。1DD，D一DLD叼K以DGKSLDGKDGDDGDDX,F35将式16小偏差化得DR。D一DG，将式27、35带入上式并整理后得DRL一1DG。KL1一DL一1一。OTOTIG，1通过编程将上述计算过程转化为子程序，建立通用联合循环机组性能分析算法。算法的输入主要是机组运行数据，系数是与对象机组热力系统相关的一些参数如叼、叼、等，输出则是各参数的影响系数和关键热力参数的计算结果。计算过程中，无法从机组运行数据直接获取的必要的热力参数如空气流量、压气机效率、燃气初温、流量、焓值、排汽参数、汽机内效率等，可借助文献所建立的动态仿真模型计算对应机组工况下的各个热力参数。以深圳广前电力有限公司的M701F型联合循环机组1号机组为对象，利用本文所研发的性能分析算法计算分析该机组在某一稳定工况下各主要热力参数变化对顶循环、底循环和整个联合循环机组出力和热效率的影响系数见表1表3。表1联合循环机组运行数据292汽轮机技术第52卷汽机功率的影响系数汽机效率町的影响系数GHH呷HXXLHHL,H唧HXMXIHHH,TPLHO啊GHPAHPXMTG11、E厶H|PXL033360121900434041210214702512034430067101446002315计算结果分析51顶循环系统各参数变化对影响程度依次为和20684、和叩10684、G。1、，与05166、S一0035，其中。的影响为负向，G。与燃机功率成正比变化。各参数变化对的影响程度依次为720684、1、町06076、，与05166、与TOL02779、02031，其中叩，与无关，仅与叼成正比，不象叼与叼那样对R的影响起“放大或缩小”作用；TO对77的影响也是反向的，的变化对的影响最小。由此可知为了增加和，首先应提高叼和，其次是叩和，并尽量减少压气机进气、燃烧室和透平排气等环节的压降；而对功率和效率的影响均为负值。52底循环系统从底循环系统热功转换的角度而言，对的影响程度最大的是G，其影响系数为1，而X和则最小，影响系数只有01302与0039；在焓降方面，对影响最大，次之，最小，其影响系数分为04336、03653和02001，这与常规火电机组中各缸有效焓降对汽机出力的贡献程度不同。在联合循环机组中，汽机侧通常不设抽汽回热系统，所有蒸汽均通过低压缸膨胀做功后排入凝汽器，加之低压缸的比焓降较高，因而其性能的好坏对影响最大。对77的正向影响程度中，也是AH,最大、AH,次之、最小；各参数对Q的影响程度依次为G“一、一与、，这取决于余热锅炉中高、中、低压系统对流受热面的布置结构和汽水系统的流程。由此可知在燃气轮机排气放热量一定酌情况下，为了提高和77一方面应增加高压与再热系统的吸热量，提高高压蒸汽的流量和热力参数，另一方面应提高低压缸的性能，增加低压缸的焓降和内效率。通过计算可以证明汽机高、中、低压缸的内效率对和的影响系数与有效焓降对两者的影响系数相同。53联合循环机组对的影响程度依次为，7和，最大13784，其次为、L0712、一0712和G。06664，再次之为、03443，底循环系统参数的影响系数最小，其中的影响为负值。底循环系统是利用燃机排气的余热做功，并未直接消耗燃料，因而底循环系统的参数对和。的影响均是正向的。对比各参数变化对77的影响系数，叩仍是最大，叼次之，。再次之，但其影响系数为负值，因为增加1，G，将增大17905，而只增加13784，在其它条件不变的情况下，致使田降低了04121。，的影响系数最小00785，但对叼的影响是正向的，因为当升高时，也相应地增加，在保持。不变的情况下，G，可适当减小，其减小的程度大于减小的程度，因而吼反而略有升高。由上述定量分析可知为了增加联合循环机组出力，应首先提高叼和。，其次是叼和G。；而为了提高联合循环机组的热效率，在增加町、，和7的前提下，应适当降低_2。增加汽机侧高压系统的吸热量和低压缸的有效焓降，减少压气机进气、燃烧室和透平排气等环节的压损，对于提高联合循环机组出力和循环热效率均有一定益处。由于燃气余热被底循环系统充分利用，变化对联合循环机组出力的影响明显减弱，而对联合循环机组热效率反而具有微弱的正向影响U。6结论本文所研发的联合循环机组性能分析算法计算结果符合机组的热力学理论和运行规律，可定量分析机组在不同负荷工况下各参数变化对机组性能的影响系数以及各参数之间的相互关系，为机组变工况特性的研究提供详实的计算数据，为机组变工况特性分析开辟了新的途径。由本文的计算推导过程可知，该算法以联合循环机组热下转第296页296汽轮机技术第52卷4总结图10自动诊断界面本文开发的远程故障诊断系统，对旋转机械的远程振动监测和故障诊断进行了进一步探索。充分发挥了VC一和ORACLE数据库技术的长处，方便地实现振动数据的读取、分析、绘图和故障诊断，也使得系统的开发成本大为降低。诊断方面采用模糊关系矩阵和诊断规则库两种形式加以描述，运用模糊关系方程，把错综复杂的振动诊断知识简易化，实现了一种新的提高故障诊断效率的方法。另外，程序的开发周期短，兼容性高，易于维护等优势使其在工程实际中的应用越来越广泛。实践证明，该项技术对旋转机械远程故障诊断提供了一个良好的技术解决方案，具有较大的实用价值和经济价值。参考文献1张正松，傅尚新，冯冠平，等旋转机械振动监测及故障诊断M北京机械工业出版社，199121IIMAMETA1DEVELOPMENTOFANONLINEROTORCRACKDETECTIONANDMONITORINGSYSTEMJASMEJOURNALOFVIBRATION，ACOUSTICS，STRESS，ANDRELIABILITYINDESIGN，1989，11132412503马林联汽轮机振动监测系统的设计与实现J工业仪表与自动化装置，2009，14姚领田精通MFC程序设计M北京人民邮电出版社，20065霍倡，程向东，张军大型旋转机械的状态监测与保护J北京电子工业出版社，20066姚天任，江太辉数字信号处理第二版M武汉华中科技大学出版社，20007张涵埒，何正嘉模糊诊断原理及应用M西安西安交通大学出版社，L9928牛学玲汽轮发电机组现场高速动平衡试验J华电技术，2009，39赵庆海测试技术与工程应用M北京化学工业出版社，200510屈梁生，等机械故障诊断学M上海上海科学技术出版社1986上接第292页力学理论模型为基础，采用线性小偏差法与机组运行数据相结合进行机组性能研究分析，适用于计算不同类型的以单轴重型燃机为基础组成的联合循环机组在不同运行工况下各热力参数变化对机组性能的影响程度，具有较强的通用性。参考文献SCGULEN，PRGRIINSPAOLUCCIREALTIMEONLINEPERFORMANCEDIAGNOSTICSOFHEAVYDUTYINDUSTRIALGASTURBINESJTRANSASME，JENGNGGASTURBINESANDPOWER，2002，12410910921段立强，林汝谋，蔡睿贤，等整体煤气化联合循环IGCC底循环系统变工况特性J_1_中国电机工程学报2002，222263O徐玉杰，林汝谋，蔡睿贤无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法J动力工程，2005，253437442刘尚明，王纯燃气一蒸气联合循环的神经网络变工况模拟J燃气轮机技术，2006，1942024KIMTSCOMPARATIVEANALYSISONTHEPARTLOADPERFORMANCEOFCOMBINEDCYCLEPLANTSCONSIDERINGDESIG