无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法

1、第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005文章编号：1000-6761 （2005） 03-0437-06无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005徐玉杰,林汝谋,蔡睿贤第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005（中国科学院工程热物理研究所，北京100080）摘 要：通过理论推导得出联合循环与燃气轮机的相对性能随燃气轮机热力参数变化的函数关系 及描述不同蒸汽流程的系数关联公式，然后应用大量有关数据统计拟合出对理论公式

2、计算结果的 修正系数进行修正提出了一种基于燃气轮机性能参数的无补燃余热锅炉型联合循环性能简捷估算 方法。实例验证表明：该公式具有较好的实用性和较高的精度。图4表3参10。关键词：动力机械工程；联合循环；热力性能；简捷算法；比较法 中图分类号：X750 文献标识码：AA Simple Way for Calculating the Performanee of Combined Cycleswith Non-Additionally Fired Waste Heat BoilersXU Yu-jie , LIN Ru-mou , CAI Rui-xian(Institute of Enginee

3、ring Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, Cina)Abstract: A correlating coefficient formula of combined cycles is theoretically derived for different steam application processes which expresses the functional performance dependence of the combined cycle and of the gas turbine o

4、n changes of the gas turbine' s thermal parameters Then, by making use of a large number of relevant statistical data, correction factors were found, which can be used to correct the theoretical calculation results< Practical examples show that this method is quite serviceable and featured by

5、 relatively high precision.Figs 4, tables and refs 10.Key words: power and mechanical engineering; cycle power generation; thermal performance; simple way of calculation; comparison method第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005通常理解的常规联合循环是指以各种方式把布补燃的余热锅炉型联合循环是将所有的热量都从循第25卷

6、第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005雷顿（Brayton ）循环和朗肯（Rankine）循环结合起来的 燃气蒸汽联合循环。从热力循环系统中能量转换利 用的组织形式来分，常规的联合循环有五种基本类型方案2】：无补燃的余热锅炉型联合循环、补燃的余热锅炉型联合循环、排气全燃型联合循环、增压锅 炉型联合循环以及给水加热型联合循环。其中，无环的燃气轮机部分加入的联合热力循环（如图1所 示），它是一种以燃气轮机为主的联合循环，是目前 各种联合循环中效率最高、应用最多的联合循环形 式。在这种联合循环中汽轮机只是燃气轮机的余热 利用设备，汽轮机功率占的比例较小。显然,燃气侧 参数对联合循

7、环系统性能的影响较大，而汽轮机功 率和蒸汽参数将取决于燃气轮机的排气参数。一第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005收稿日期:2004-05-10 修订日期:2005-02-31基金项目：国家S863计划项目（2002AA525012）与国家基金项目般,这种循环系统的汽轮机与燃气轮机功率比Rsg第25卷第3期2005年6月Vol.25 No3June 2005(50246003)作者简介：徐玉杰（1979-）,女，内蒙通辽人，中国科学院工程热 物理研究所博士研究生，目前主要从事能源动力系统应用基础 等方面研究。=Pst / 约为1：2（0.450.77）,联合循环效率

8、对相 应的简单循环燃气轮机效率的效率比（均=%/%） 比较大，为1.45- 1.77 o 438 动力工程第25卷 439 动力工程第25卷图1无补燃的余热锅炉型联合循环Fig 1 Combined cycle without additionally fueled waste heat boiler1-余热锅炉2 -压气机3 -燃烧室4-透平5-负荷对性能随燃气轮机热力参数变化的函数关系，然后应用大量有关数据统计拟合出对理论公式计算结果的修正系数进行修正。本文提岀的方法将通用于蒸汽系统采用所有流程（单压、双压、三压及有无再热）的无补燃的余热锅炉型联合循环性能估算。1基于燃气轮机参数的联合循环

9、相对性能估算模型无补燃余热锅炉型联合循环是以燃气轮机为主的，其整体性能主要取决于燃气轮机的性能参数，而蒸汽系统只不过把燃气轮机排气余热再加以回收利7 -凝汽器一泵用。所以，若以燃气轮机的性能参数为基础，借助相 # 动力工程第25卷关的经验数据，来推算联合循环装置的相对性能（即 441 动力工程第25卷通常，联合循环的热力性能计算是分成两大模 块分别进行,并通过两块迭代计算来完成的，故正常 的联合循环热力计算是比较麻烦的，许多学者寻求能简单快捷估算热力循环性能的方法，并取得了一 定的进展。而且,许多情况下常常是很需要的，如现 有燃气轮机电站进行联合循环更新改造时，或选定 燃气轮机机型进行联合循环

10、方案设计时等。文献3提出一个系数修正的估算方法，它以理想的埃里克森循环（极限回热卡诺循环特例）为基准，用压气 机、透平、燃烧室以及回热设备等完善系数来考虑实 际设备与理想设备的差别而加以修正后估算出某一 循环的性能。但是，燃气轮机部件性能参数很难从 公开的文献中获得，因而估算各设备完善系数有较 大误差，导致该方法计算出的循环效率也有较大误 差。文献4采用联合循环性能与燃气轮机性能比 较的方法来估算联合循环性能，它根据热力学基本 方程推导出基于燃气轮机性能参数的理想联合循环 性能近似理论公式，并收集大量有关数据来统计拟 合修正系数进行修正，物理概念明确，规律性清楚且 使用简单方便。但是，当时得出

11、的公式只对单压流 程蒸汽系统组成的联合循环具有足够高的精度，而 用于双压、多压及再热蒸汽系统组成的联合循环时 则有较大误差。文献5运用文献4的比较法，建 立了燃气轮机和蒸汽系统都采用再热的理想热力学 模型，推导出双再热燃气蒸汽联合循环的性能估算 公式。但是,联合循环中燃气轮机很少采用再热，且 该模型中建立的再热蒸汽系统模型不具有普遍性。本文在文献4,5的基础上，探讨基于燃气轮机性能参数来推算由它组成的联合循环相对性能的比 较法，这也是一种理论推导与实际数据统计拟合相 结合的估算法，即先通过理论推导得出联合循环相 联合循环装置功率和效率与纯燃气轮机部分相应值 的增大比值），不仅是可行的，而且有足

12、够高的精度。198SFig 2 Quasi-thermodynamic analysis model1.1联合循环相对性能估算模型框架下面以复杂的三压无再热和三压再热蒸汽系统组成的无补燃的余热锅炉型联合循环为例，建立热 力学模型和推导相对性能估算公式。类似于文献4的做法，将燃气轮机部分和汽轮 机部分都设为理想循环，气态工质认为理想气体。 如图2所示，燃气侧与蒸汽侧的压缩与膨胀过程均 为等爛过程，加热和冷却过程均为等压过程,并且循 环中没有任何压力损失和流量变化，所有传热过程 # 动力工程第25卷439徐玉杰，等：无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法(8)(5)(8)(5)(1)(2) 设

13、：你为蒸汽流程的温度系数(孔= 1,2),化1 =(几一人"(八一仇)，化2二(厶一笃"(A -几)；饥卩 为蒸汽流程的流量系数5二1,2),亦=Gsm/Gsh,kG2 =Gsl/ Gsh o无再热时，有：亚 _(1 + 犒 + kG2) GshC/m (1 + 忍 1 + 饥 2 一 k 讥饥亿 2 G2 )(丁5一许)+ (1+ 61 +)厂(6a)(6b)如/?都是无热阻的。忽略水泵的压缩功，蒸汽排热过程 的两端正好都在饱和线上，即无再热时：许=r8 = t9；t4=几；有再热时：r1 = r8 = r9 ； t4 = r5 =几，。根据前述假设的理想热力学模型，可导

14、得下列 联合循环的性能估算公式。从理想燃气轮机循环可得：燃气轮机循环加热量：9i = CpgTiO - em)式中Cpg燃气定压比热容,kJ/(kg-K)r1压气机进口空气温度，kr燃气轮机温比£压气机压比m比热比系数9 m = (k - I)/k燃气轮机循环放热量：他=cPgTS r/em - 1)式中：如一流程综合系数，：一蒸汽流程的压力 级数:1单压流程,2双压流程，3三压流程;- 蒸汽流程采用再热或无再热：0无再热,人一再热。故有：仏。一单压无再热流程综合系数皿协一单 压再热流程综合系数；A?。一双压无再热流程综合系 数；仏尺一双压再热流程综合系数；仏。一三压无再热 流程综合

15、系数；厶&一三压再热流程综合系数。从式(5),并把有关系数饥和唸代入,可得： _ 1 + %G1 + 叽2 一 k讥一化2 k&2八FT kGl + kG21 + kGi + kG2 + kt2 kG21 + “Gi + %G2公式(5)是根据理想假定推导得的，计算得出的 效率和功率会比实际的偏大，但联合循环与燃气轮 机的效率和功率的理想值都比实际值大，故他们相 对性能值的误差将比较小。为了更加准确地反映实 际情况，还可在公式前面加个修正系数民，其数值 将通过大量的有关数据统计拟合确定(详见第3.2 节)。这样，基于燃气轮机的性能参数的联合循环相 对性能估算公式为：”CC3 C

16、C(8)(5)- 1)cpgT (1 + kGX + kG2) ( r/em - 1)(8)(5)(4)(3a) 式中：Gg4燃气轮机排气流量，kg/s; c严一水蒸 汽的定压比热容,kJ/(kg-K);r水的汽化潜热，kJ/ kgo再热时，有：(1 + 饥1 + 耘2 ) Gsh弓(1 + kG + kC2 + k 讥k a k G2)( T§ T+ (14- kC +) rCpg7(l + kGX 4- kC2)( r/em - 1)(3b)联合循环(或蒸汽循环)排热量：亚(1 + kGl kG2) Gsh利用、(4)式，从燃气轮机效率(论=1- qjqd和联合循环效率( = 1

17、 - qjq"的定义岀 发，不难推得：Vec %i张-叫/如吟 &-1) +1(7)式中：5对相对性能理论值的修正系数；,一 蒸汽流程的压力级数：1单压流程，2双压流程, 3三压流程o式中的m与CpsTJL可取常用的平均值1/4。 1.2蒸汽流程的综合系数人歹表达式由于单压和双压的蒸汽流程模型都可以从三压 的蒸汽流程模型简化推导得出，因此相对性能估算 公式(7)对所有蒸汽流程组成的联合循环都是普遍 通用的。流程综合系数Aij的表达式(6a)、(6b)也是 普遍适用的，只不过蒸汽流程的温度或流量系数 (饥或忍“)的取值不同而已。还可以把式(6a).(6b) 改写为不同流程通用形

18、式：彳 _ 化 1 %G1化2 kG2'1 + “G21 + 饥 1 +C .(1 + 饥1)鶴1 + %G1 + 饥 2式中，无再热时:C=0；再热时:C = lo把式(8)代入式(7),可推得不同蒸汽流程的流 程综合系数如的表达式，如表1所示。(8)(5)(8)(5) 440 动力工程第25卷 445 动力工程第25卷表1不同蒸汽流程的流程综合系数的表达式Table 1 Formulized comprehensive coefficient Ay for the combined cycle without addionally fired waste heat boiler无再

19、热（c：o）再热(c = l)流程kg kg单压io = 1双压三压G1 > 0, kc2 = 0IR = 1 + 10< 幅 < 1人1 >0,G1局2 %G22各种流程综合系数关联与系数 统计拟合2.1各种流程综合系数值的关联关系实际上，公式（8）描述了蒸汽流程综合系数£ 的物理意义,它表示£值为余热锅炉所有蒸汽（包 括高、中、低压及再热的蒸汽）在余热锅炉中的吸热 量，与不包括再热的所有蒸汽（包括高、中、低压等级 的蒸汽）都被加热到燃气轮机的排烟温度（图2中4 点）时基准吸热量。切的比值。具体地说，公式（8） 等号右边第一项“1”表示余热锅炉所有

20、压力等级的 蒸汽（不包括再热）都被加热到了燃气轮机的排烟温 度时综合系数的基准值（如=1）;第二项表示当余 热锅炉中压蒸汽出口温度与燃气轮机排烟温度偏离 （虬= （r5- “）心-"）时，无再热的中压蒸汽少 吸收的热量与基准吸热量 乞。的比值；第三项表示 当余热锅炉低压蒸汽出口温度与燃气轮机排烟温度 偏离- £7）/（" - ）时s无再热的低压蒸 汽少吸收的热量与基准吸热量Q。的比值；第四项 （C二1时）表示再热蒸汽出口温度加热到燃气轮机 排烟温度时在再热器中吸收的热量与基准吸热量 Qe的比值。在相同的燃气轮机排气条件下,并假定各蒸汽 流程的相应的温度与流量系数（

21、饥和紜»为流程优 化时的优化值（此时对应的系数将相差不大），从表 1中不同流程综合系数如定义式可推导出它们之 间的关联关系如下： A io 二 r - kj ； A 44（1 + 如）化 I30 =沖_ 1 +阳+忍2III(11)0< ha <1,2R + _% 如 2_ +(1 + % 丛 11 + kGA + kc2 1 + kci + kc2 1 + kci + %kCi ktl 血 + rrv(1 + kGi + kG2 ) 30G2 + %G2 化21 + G1A %G1 化 1A2R + TTX?;（1 + %G1 + %G2 ）人3/? 一 + 耘2 化2

22、1 +饥1(12)(13)由以上的关联式可看出：若已知某一蒸汽流程 的综合系数血和有关的温度与流量系数虬和耘n， 则可方便地推导出在相同燃气轮机排气条件下的其 他蒸汽流程的综合系数血值。如已知三压流程综 合系数4为和蒸汽流程的温度与流量系数饥和kGn9 则可推算岀双压流程综合系数彼和单压流程综合 系数儿j。再如已知再热（或无再热）流程综合系数 AiR（4j和有关的蒸汽流程温度与流量系数亿n和 饥n，则可推算出无再热（或再热）流程综合系数Ai0 （尙）等。2.2各系数的统计值（1）蒸汽流程的温度与流量系数饥和紜n与综 合系数£的统计值对各种蒸汽流程组成的联合循环装置的大量有 关数据go

23、】的统计整理分析表明，同一类型蒸汽流 程的相应温度与流量系数枕和紜变化范围比较 窄，而且从每一类型蒸汽流程的温度与流量系数虬 和饥n推算相应的综合系数盅时，发现一个更有价 值的规律，即每一流程的流程综合系数如在某一确 定平均值附近浮动。表2给出了各蒸汽流程的温度 与流量系数虬和饥n的变化范围与综合系数生的 统计平均值。IIIIIIIII第3期 446 徐玉杰，等：无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法由表可见，无再热流程的综合系数如均小于或 等于1,因为除了高压蒸汽之外的其他压力等级的 蒸汽温度都没有加热到燃气轮机的排气温度，根据 （8）式，如值都将小于1;而有再热流程的综合系数 鱼均大于

24、1,这是因为余热锅炉中产生的高压蒸汽 流量比中、低压蒸汽流量都大，当高压蒸汽再热时吸 收的热量（反应在（8）式中第4项）多于中、低压蒸汽 从出口温度升高到燃气轮机排烟温度所需的热量 （反应在（8）式中第2、3项）。有无再热时流程综合 系数血都随着蒸汽流程级数的增加而减小，这是由 于高压蒸汽流量相对于总的蒸汽流量随着蒸汽流程 级数的增加而减小。表2蒸汽流程的温度流量系数 趾和耘”与流程综 合系数的统计值Table 2 Statistical values of the coefficients and压蒸汽流程的修正系数平均值与文献4中的数值 相同（Q = 1.096）,双压和三压蒸汽流程的修正

25、系数OUIII= 1.153。可以看到，拟合出来的修正系数B.均大于1,这是因为实际的 %受部件性能的影响相对于实际的受部件性能的响更大，所以/%二闪cc/叫的理论值会比实际值偏小。还可看到，修正系数Bi随着蒸汽循环压力级III数的增多而增大，这主要因为随着蒸汽流程压力级 数的增多，叫c/%t比值（无论实际的还是理论的值） 将增大。把上述有关的如的统计平均值和B.的拟合值 代入公式（7）,可得到联合循环相对性能Vcc/V& （叫丿叫t）随温比r和压比e的变化曲线，图3和图4 分别对应于双压和三压蒸汽流程（包括无再热和再 热）的联合循环装置。kGn for temperature and

26、 flow volume of steam and the comprehensive coefficient Ay of the process饥和耘尺的变化范围0.28 < ktl < 035;0 24 v kt2 < 0.4;0 J < kGX < 0.4;0.1 << 0.2A10 = 10;4尺二 1.33;A20 =0.95;釘的统计平均值A2r = 1 24; A30 = 0.90M3R = 1-1图4三压流程 沧/%(%/%)随£和1变化(无再热时:;再热时：)Fig 4 rjcJ % ( wcJ ) varying with

27、 e andr for the triple pressure process(without reheating; 一 一一亠 - with)3实例验证20图3双压流程仏/%（%/叫J随£和疋变化（无再热时;再热时）Fig 3/ “门（劭8 / wgt ） varying with e and r for the dual pressare process（without reheating; 一 一一一 - with）（2）联合循环相对性能的修正系数艮拟合本文从文献1,6-10等收集大量有关数据进行修正系数艮拟合。结果表明，不同压力级数蒸汽流程的修正系数艮值分别落在各自的小范围内

28、，即可拟合出分散度很小的平均艮值。因此，分别取不同压力级数蒸汽流程的修正系数平均艮值代入（7）式，来计算联合循环相对性能的误差就比较小。单首先，以目前应用最多的三压再热蒸汽流程的 联合循环为实例，来验证公式（7）的可行性与精确 度。图5为典型无补燃的三压再热流程余热锅炉型 联合循环特性曲线簇，它表示联合循环的效率和比 功率随燃气轮机的温比和压比变化的关系，图中等 温比线和等压比线是按本文提出的估算公式（7）计 算结果绘画，而图中实例点（）是按目前常用的三 压再热的联合循环装置实例的实际值点出，与其相连的点（）是根据该装置燃气轮机的热力参数按公式（7）计算结果。实例验证分析表明，所有实例的计 算

29、值与实际值的差别都不太大，从而表明本文提出 的估算公式是可行的、并有足够精度。 447 动力工程第25卷表3若干联合循环装置相对性能的估算值与实际值比较Table 3Brief comparison of calculated relative performance with actual ones for some combined cycle installations型号V94.2W501D5AV94.3W501G双压无再热双压再热PG6541BPG7111EAPG9231 ECV94 3A三压无再热三压再热 # 动力工程第25卷 450 动力工程第25卷r5.032e11.10.34

30、4157估算值仏0-51实际值%0.515相对误差0.005估算值Pcc236 645实际值Pcc232.5相对误差0,01785.03214.20.347120.50.4980.5020.0082172.91720.00525.42516.10.3622220.5410.5360.0093331.7653210.03355-9019.20.392530.57620.580.0066373.759365002394.7811.80.31438.340.47320.4650.017757 78356.80.01734.785.135.5112.414.2170.32603490.3840.486

31、60.54180.58710.4840.540.57183.5169.2250.0054000340 0282124.634262 692394 4630.62124.1259.3385.0.00430.01310.02330.60 -0.58 0.56 -0.54 0.52 系数值。这样,可使不同蒸汽流程的有关系数数据 共享，并使得有关流程系数的数据拟合和统计值更 为准确。(3)实例验证表明，本文提出的联合循环性能估算公式具有较好的实用性和较高的精度(相对误差一般不超过3.5%)。0.50 -0480 46I1IIIIIII350 400 450 500 550 600 650 700 75

32、0 800wcc(kJ/kg)参考文献:2图5无补燃的三压再热流程余热锅炉型联合循环装置性能图Fig 5 Performance of the combined cycle installotion with a triple reheatwaste heat boiler without additional fueling3 表3表示了各种蒸汽流程联合循环实例运用公 式(7)估算结果与相应的性能实际值比较情况。可4以看到，本文提出的估算方法对这些蒸汽流程组成的联合循环性能估算也是非常适用的，他们相对误差都不超过3.5%。6林汝谋，金红光，等编著.燃气轮机发电动力装置及 应用M.北京：中国电力出版社,2004.中华人民共和国国家标准.燃气轮机词汇S