燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究
燃气-蒸汽联合循环发电效率分析
燃气-蒸汽联合循环发电效率分析摘要：目前，世界范围内的能源危机与环境危机不断加重，且尚无较好的解决对策，而社会发展与经济发展对于能源资源的需求量却在不断增加，这也会导致能源问题将在未来较长一段时间成为社会发展的主要问题之一。
在此背景下，清洁能源发电技术得到了人们的重视，且已经在多个行业中得到了较好应用，在清洁能源发电技术当中，燃气-蒸汽联合循环发电是主要构成，若想确保该技术的合理应用，就需要不断提高其发电效率，本文将对燃气-蒸汽联合循环发电技术进行概述，并探讨提高发电效率的主要措施。
关键词：循环发电；蒸汽；燃气；效率；措施；联合伴随我国社会经济的不断发展，我国能源危机与环境污染问题则较为严峻，目前，我国政府已经针对能源与环境问题提出了环境保护以及节能减排的相关要求，相关行业与企业需要切实响应这一号召，对于传统的燃煤发电系统进行革新、更换等。
在工业生产等领域，联合循环发电技术是一项高效运营技术，燃气-蒸汽联合循环发电是一种清洁能源发电技术，对于环境有较好的保护，且这一技术在国际领域的发电量占比也较高。
因此，对这一发电技术的效率进行有效提高十分必要，这也是该项技术未来深入发展的关键所在。
一、联合循环发电的意义联合循环发电技术需要使用燃气轮机与蒸汽轮机，与常规类型的燃气炉相比，清洁程度更高。
联合循环发电的效率较高，污染较少，所以在国外受到较高认可，国际领域很多生产发电的企业，应用联合循环发电技术的占比超过50%。
对于我国而言，可以将多余的热量用于水资源的加热，以满足工业生产与用户的取暖需求，能源得到循环利用之后，效率可超过八成。
绝大多数火力发电在燃煤过程当中仅能产生电能，大量热量都被浪费，所以火电厂的能源利用率相对较低，很多火电厂仅能达到1/3。
热电厂主要是利用燃煤将水加热，让其通往不同用户处供暖，所以，将两者进行联合，就可以在火力发电的同时，将冷凝水用于供暖，以实现能源节约。
二、我国燃气-蒸汽联合循环发电目标效率图1 燃气-蒸汽联合循环发电系统热循环示意图对于我国燃气-蒸汽联合循环发电的目标效率而言，我国目前最为先进的燃气轮机多为F型，这类燃气轮机的制造技术较为优秀，进气与排气温度都较高，上限温度分别为1288℃与589℃，且排放的废气很少，GE公司也生产出212MW，效率达到35%的9F燃气轮机。
燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究
燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究摘要:以燃气-蒸汽联合循环系统为基础,根据黑箱子原理和热力学能量平衡定律考虑系统进入的总能与输出的总能,建立分析模型,给出燃气-蒸汽循环系统各设备的能量平衡和热效率的估算方法,并与精确计算相比较,得出估算方法是可行的｡关键词:燃气-蒸汽联合循环;热效率;估算Efficiency Estimation Method of Gas-steam Combined Cycle Thermal Efficiency Abstract: With gas and steam combined cycle system as the foundation, according to the black box principle and thermodynamic energy balance principle, a analysis model was built and a estimation method involved in energy balance and thermal efficiency of gas and steam combined cycle system unit was given in the paper. Compared with precise calculation, the estimation method is feasible.Key words: gas and steam combined cycle; thermal efficiency; estimation燃气-蒸汽联合循环是目前世界上供电效率最高的发电方式之一,其最高的供电效率已接近60%,较之传统的蒸汽发电方式供电效率提高近20个百分点[1,2]｡燃气-蒸汽联合循环是将天然气(包括焦炉煤气和高炉煤气)在燃气轮机的燃烧室中进行燃烧,产生的高温烟气在燃气透平中做功,燃气轮机排气的热量进入余热锅炉加热水产生蒸汽,然后蒸汽在蒸汽轮机做功｡整体循环系统利用了烟气和蒸汽两种工质,将勃莱敦循环和朗肯循环联系在一起,提高了整个系统的热效率｡燃气-蒸汽联合循环系统主要是由压气机､燃气轮机､余热锅炉､蒸汽轮机等设备组成[3,4],其结构示意图如图1所示｡对采用燃气-蒸汽联合循环发电电厂的能量的平衡计算和热效率的精确计算是十分困难的｡但是在实际工程中又需要了解联合循环系统中能量被转化和利用的份额,以便可以找到提高循环热效率的有效途径,这就需要一种估算循环热效率的方法｡研究以整体循环系统为基础,把整个循环系统作为一个黑匣子[5,6],根据热力学能量平衡定律考虑能量进入的总能与能量输出的总能,建立分析模型,给出燃气-蒸汽循环系统的能量平衡和热效率的估算方法｡1分析模型的建立以进入燃烧室的天然气为基准,建立模型计算循环热效率｡将系统进行简化,简化后的系统如下:能量在燃气轮机中只有做功和进入余热锅炉;余热锅炉内能量部分产生蒸汽,其余全部以烟气排向大气;进入蒸汽轮机的能量只有做功与经冷凝器损失到环境中去;并且忽略设备间能量传递的损失｡整个系统中输入的能量只有燃烧的天然气所含有的能量以及这些天然气完全燃烧所需要的空气携带的能量,输出的能量为余热锅炉中排烟携带的能量､经冷凝器损失的能量和做功输出的能量｡分析模型如图2所示｡设进入燃烧室的天然气含有的能量为Q入,天然气完全燃烧所需空气所携带的能量为Qa,燃气轮机的循环效率为ηgt,余热锅炉的效率为ηh,蒸汽轮机的效率为ηst,则能量在各设备中的分布如下｡在燃烧室中的能量分布为:Q入×ηr+Qa=Qs (1)式中Qs为进入燃气轮机的总能量;ηr为燃烧室的效率｡在燃气轮机中的能量分布为:(Q入×ηr+Qa)×ηgt+Qh=Qs(2)式中Qh为进入余热锅炉的能量｡在余热锅炉中的能量分布为:Qh=Qh×ηh+Q烟(3)式中Q烟为在余热锅炉中经烟气排向环境的能量｡在蒸汽轮机中的能量分布为:Q1=Q1×ηst+Q冷(4)式中Q1为进入蒸汽轮机中的能量;Q冷为蒸汽轮机中经冷凝器冷却所损失的能量｡在循环系统中输入的总能量为Q入+Qa,输出的能量只有余热锅炉排烟而损失的热量Q烟,蒸汽轮机经冷凝器损失的热量Q冷､燃气轮机和蒸汽轮机产生的电能(Q入+Qa)×ηgt+Q1ηst｡则该循环系统中损失的能量之和为Q冷+Q烟,利用的能量之和为(Q入+Qa)×ηgt+Q1ηst,循环的热效率为:ηcc= (5)2实例计算与分析有某一燃气-蒸汽联合循环系统,环境温度为30℃,其各设备的利用效率:燃气轮机燃烧室的效率为ηr1=0.98,燃气轮机的循环效率为ηgt=0.37,余热锅炉的热效率为ηh=0.75,蒸汽轮机的循环效率为ηst=0.33,燃料为四川纳溪天然气,其组成成分如表1｡则天然气完全燃烧所需的空气量为:VK=0.5H2*+0.5CO*+2CH4*+1.5H2S*+m+CmHn*(6)式中:H2*,CO*,CH4*,H2S*,CmHn*表示燃料中各种可燃成分的容积百分比｡空气在30℃时的焓值为373.01 kJ/Nm3则总能量Q总=Q入+Qa=3 504.5 kJ+35 588 kJ=39 092.5 kJ｡由公式(1)~(4),可以得出循环系统中各设备中能量利用和损失的情况,如表2所示｡由表2可知,系统做功的热能总量是20 185.39 kJ,损失的总能为18 907.12 kJ,循环的热效率为ηcc=51.63%,其中在循环的热效率中,燃气轮机做功的热效率为36.33%,蒸汽轮机做功的热效率为15.30%,在循环效率中燃气轮机与蒸汽轮机作功之比约为2∶1｡在能量的损失分布中燃烧室损失的热效率为1.82%;余热锅炉损失的热能为15.46%;蒸汽轮机损失的热能为29.43%｡在燃气-蒸汽循环系统的设备中能量的损失大小依次为蒸汽轮机､余热锅炉､燃烧室､燃气轮机｡在联合循环中燃气轮机的热效率高于蒸汽轮机,所以提高燃气轮机ηgt的作用将比同样程度的提高蒸汽轮机的ηst对于改善循环效率ηcc的效果更明显｡而提高燃气轮机燃烧室出口温度(亦即燃气轮机进气温度)T3､降低大气环境温度。
燃气—蒸汽联合循环技术经济指标计算
实际使用公式：
3.4.8
公式：
其中：
ηcyd——联合循环机组厂用电率，%
Pcyd——联合循环机组厂用电功率，MW
Plh——联合循环机组发电功率，MW
3.4.9
公式：
其中：
b1_dx——等效发电煤耗率，g/(kWh)
qlh——联合循环热耗率，kJ/(kWh)
Qbmdw——标准煤的低位发热量，kJ/kg，一般取值29307.6
图1燃气—蒸汽联合循环机组示意图
如图1所示，燃气—蒸汽联合循环机组的主要设备有：燃气透平（燃气轮机有两种语义，一种是仅指涡轮机，另一种语义是包括涡轮机、燃烧室、压气机的一个整体，注意区分，本文提到的燃气轮机指后一种语义，用燃气透平指前一种语义），压气机，燃烧室，余热锅炉，汽轮机，发电机，凝汽器，给水加热器等。当燃气轮机工作时，压气机从外界大气中吸入空气，并把它压缩到某一压力，同时空气温度也相应提高，然后将空气送入燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，进入燃气透平中膨胀做功，直接带动发电机发电。燃气轮机的排气导入余热锅炉，用以产生高温高压蒸汽驱动汽轮机带动发动机发电。汽轮机排汽再进入凝汽器中放热，凝结水又送入余热锅炉，形成蒸汽动力循环。这样既增加了总输出功率，又利用了燃气轮机和汽轮机各自的优点，使整个循环的热效率提高。
3.4.10
公式：
其中：
b2_dx——联合循环等效供电煤耗率，g/(kWh)
b1_dx——联合循环等效发电煤耗率，g/(kWh)
ηcyd——联合循环机组厂用电率，%
3.4.11
公式：
其中：
Bdxbm——机组等效标煤耗量，kg/h
Gf——燃料的流量，kg/h或m3/h
燃气_蒸汽联合循环系统的能量分析及火用分析
( 4)
( 3) 由蒸汽轮机的能量平衡关系
Q 3 = W2 + QW + Q5
( 5)
得到汽轮机的效率为:
ST =
W2 Q3 - QW
( 6)
( 4) 燃气蒸汽联合循环的热效率:
CC =
W 1 + W2 Qnet
=
Q net
GT + ( Q 3 Qnet
QW )
ST
( 7)
由余热锅炉能量平衡关系、燃气轮机的能量
应用[ J] . 煤气与热力 , 2003, 23, ( 9) : 559- 561. [ 2] 薛智, 党力. 燃气- 蒸汽联合循环电站建设初探 [ J] .
西北电力技术, 2003, ( 2) : 37- 38. [ 3] 杨秀奇, 柴琨. 火用分析理论发展综述[ J] . 昆明理工大
学学报( 理工版) , 2004, 29, ( 2) : 158- 162. [ 4] 甄志, 崔 晓钢, 陈鸿 伟, 等. 火用 分析 方法 及在 工程 领
1 燃气蒸汽联合循环动力装置及其 工作原理
燃气轮机排气温度高( 一般 400~ 600 ) 且流 量大( 一般 300kg s 以上) , 由于受到材料耐温、耐 压程度的限制, 汽轮 机进汽温度一般 在 540 左 右, 但 蒸汽动 力循环 装置平 均放热 温度 一般在 35 左右。
22
应用能源技术
机组的效率有影响。实际结果表明, 燃气轮机对机 组循环效率的影响最大, 因此, 提高燃气轮机的效 率比同程度的提高余热锅炉或蒸汽轮机的效率对
改善循环机组效率更为明显。 2. 2 燃气 - 蒸汽联合循环的火用分析
参照图 1( b) , 计算得到联合循环各部位火用损 失: [ 7- 8]
燃气-蒸汽联合循环机组性能分析研究
燃气-蒸汽联合循环机组性能分析研究摘要：从工程热力学出发，建立了大容量燃气-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。
并计算各参数变化对机组性能的影响系数，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。
关键词：燃气轮机；蒸汽轮机；联合循环机组燃气－蒸汽联合循环发电具有热效率高、三废排放少、占地面积小、水资源消耗少、运行维护方便、适于调峰等优点。
近年来，节能环保、低碳发展、PM2.5监测治理等问题受到社会广泛关注，大中城市投产了越来越多的供热联合循环机组，以缓解环境污染的问题。
本文以F级燃气－蒸汽联合循环机组为研究对象，通过运行试验和数学建模等方法得到了联合循环机组在各种运行模式下的供热能力及调峰性能，为电网和热网更好的协调调控提供了数据支撑。
一、联合循环机组的重要性燃气-蒸汽联合循环发电装置的主要设备由三大主要部分组成，即燃气轮发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机组。
其中燃气轮机是联合循环中的关键部件，其性能对联合循环的热效率十分关键。
余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数主要取决于燃气轮机的排气参数，受到燃机排气条件的限制，要使联合循环具有较高的效率，首先要在机组配置上达到最佳。
燃气-蒸汽联合循环电站的机组选型工作，首先要确定燃气轮机，在选定燃机的情况下，对蒸汽系统进行合理选择和优化，最大限度利用燃气轮机的排气余热，使蒸汽系统取得较高的效率，从而使整个电站的性能更好。
二、联合循环机组配置分析1、轴系布置联合循环装置的轴系布置可分为单轴和多轴联合循环。
单轴是指燃气轮机和汽轮机共同拖动一台发电机运行。
多轴是指燃气轮机和汽轮机分别拖动发电机运行。
单轴布置机组从工艺系统到厂房布置，都完全独立自成系统，控制简单、运行操作简单。
但是部分负荷效率大幅度下降，NOx 排放物大幅增加，适合于带基本负荷。
燃气蒸汽联合循环效率计算
燃气蒸汽联合循环效率计算哎呀，说起燃气蒸汽联合循环效率计算，这可真是个技术活儿，得有点耐心和细心才能搞定。
不过别担心，我尽量用大白话给你讲讲，咱们就像聊天一样，慢慢来。
首先，咱们得知道燃气蒸汽联合循环是个啥玩意儿。
简单来说，就是用燃气轮机和蒸汽轮机一起发电的一种方式。
燃气轮机先烧天然气，产生高温高压的气体推动涡轮转动，然后这些气体再用来加热水，产生蒸汽，推动蒸汽轮机转动发电。
这样，同一份燃料就能发两次电，效率自然就高了。
好了，现在咱们来聊聊怎么计算这个效率。
效率嘛，就是输出的能量和输入的能量之比。
在燃气蒸汽联合循环中，输出的能量就是发电量，输入的能量就是烧掉的天然气。
咱们先说说发电量。
这个好算，就是燃气轮机和蒸汽轮机发的电加起来。
但是，这个发电量是按照电能来算的，单位是千瓦时（kWh）。
所以，咱们得知道燃气轮机和蒸汽轮机各自的发电量。
然后是输入的能量，也就是烧掉的天然气。
这个也好算，就是天然气的热值乘以烧掉的天然气量。
天然气的热值就是单位体积的天然气能产生多少热量，单位是焦耳/立方米（J/m³）。
烧掉的天然气量就是体积，单位是立方米（m³）。
有了这两个数据，咱们就可以计算效率了。
公式就是：效率 = （发电量 / 输入的能量）× 100%。
注意，发电量和输入的能量单位要统一，都是千瓦时（kWh）。
举个例子，假设燃气轮机发电100万千瓦时，蒸汽轮机发电50万千瓦时，总共就是150万千瓦时。
同时，烧掉的天然气是10万立方米，热值是35兆焦耳/立方米。
那么，输入的能量就是10万立方米× 35兆焦耳/立方米 = 350万兆焦耳。
然后，咱们把发电量和输入的能量都转换成千瓦时。
1兆焦耳 = 0.2778千瓦时，所以350万兆焦耳 = 350万× 0.2778 = 97.23万千瓦时。
最后，咱们就可以计算效率了：效率 = （150万千瓦时 / 97.23万千瓦时）× 100% ≈ 154.6%。
燃气—蒸汽联合循环机组中余热锅炉蒸汽参数的估算方法
燃气—蒸汽联合循环机组中余热锅炉蒸汽参数的估算方法摘要介绍了利用T-Q图估算余热锅炉蒸汽参数的方法，该方法可以直观的反映余热锅炉受热面与燃机排气烟温之间的关系，误差小，适用于设计前期及运行参考。
关键词T-Q图；热端温差；窄点温差；估算方法0引言本文将以无再热、无补燃、双压蒸汽余热锅炉为例，介绍利用T-Q图推算锅炉的蒸汽参数的估算方法，并结合实例对估算方法的有效性进行验证。
1T-Q图及其重要参数T—Q图由烟气放热曲线、工质（蒸汽和给水）吸热曲线组成，反映了余热锅炉运行时，烟气温度变化及焓值变化，工质（给水或蒸汽）温度和吸热量变化，以及烟气温度变化与各受热面工质吸热量的关系，典型的T—Q图见图1，它包括了1）烟气放热曲线，它反映了燃机出口的高温烟气将热量传递给工质后变成低温烟气的过程；2）过热蒸汽吸热曲线，它反映了过热蒸汽吸收的热量，对应锅炉的过热段；3）饱和蒸汽吸热曲线，它反映了饱和水吸热相变为饱和汽吸热量，对应锅炉的蒸发段。
吸热过程是在蒸发器中完成的，此过程中工质温度不发生变化；4）给水吸热曲线，它反映了凝结水被加热到锅筒压力下饱和水温度的吸热量，它的受热面有给水加热器、除氧器及省煤器。
利用T—Q图需要了解余热锅炉运行中的一些重要参数，这些参数在估算方法中非常有用。
1.1热端温差余热锅炉主汽温度取决于燃气轮机的排烟温度，热端温差指燃机排烟温度与主蒸汽温度的温差，一般在20℃～50℃。
1.2窄点温差余热锅炉的窄点温差△Tp是指余热锅炉中的蒸发器入口处烟气的温度与工质饱和温度之间的差值[1]。
窄点温差越小，余热的利用率越高。
但是为了减少窄点温差必须提高蒸发器的换热量，就必须增加余热锅炉的换热面积，这样余热锅炉的投资较大；同时燃气侧的流动损失也会增加，导致燃气轮机的功率有所减小。
因此选择合适窄点温差非常重要，是决定余热锅炉受热面积的关键因素，一般取8℃～20℃，最低可以取7℃。
1.3接近点温差余热锅炉的接近点温度，是指省煤器出口的水温与对应压力下的饱和水温度之间的差值[2]。
燃气-蒸汽联合循环机组中余热锅炉蒸汽参数的估算方法
２１年第４ ０ ２ 期
燃 一 汽 循环 中 热 蒸 数的 算 法 气 蒸 联合 机组 余 锅炉 汽参 估 方
熊建 文 ， 晓玲 ， 郭 陈云芬 ， 自华 任
（ 中机 国能电力工程有限公司 ， 上海 ２０ ６ ） ０ ０ １
摘
要： 介绍 了利用Ｔ Ｑ — 图估算余热锅 炉蒸 汽参数 的方法 ， 该方法可以直观的反映余热锅 炉受热面与燃机排气 烟温
表１ 烟气的比焓 ｉ
烟 温 ／ 气 度℃
Ｃ 魄
ｋ／ ｍ ＪＮ ３
２ ０ ０
３７ ５
度之间的差僵 。 如果接近点温差过大， 表面省煤
器 的强 化换 热 的特点 没 有得 到充 分 的利用 ，为 了
６ ０ ０
１２ ２２
５ ０ ｏ
９ ９ ６
４ ０ ０
７２ ７
３ ０ ０
之间的关 系， 误差小 ， 适用于设计前期及运行参考 。 关键词 ： — Ｔ Ｑ图； 热端温差 ； 窄点温差 ； 估算方法
中 图分 类号 ：Ｋ ２ ． Ｔ ２ ３２ ７ 文 献 标 志 码 ： Ｂ
０ 引言
燃气一 蒸汽联合循环机组的主要设备有燃气 轮 机 、 热 锅 炉 和 蒸 汽 轮 机 ， 组 在 燃 机 内做 功 余 机 后排出的烟气一般在５ ０ 一 ０ ℃左右 ， ０ ℃ ６０ 通过余 热锅炉回收燃气轮机排气中的余热 ， 再利用余热 产 生蒸 汽推 动蒸 汽 轮机 发 电 ， 以大大 提 高机 组 可 的出力和效率。 在机组 的设计和运行时需要对余 热锅 炉 的蒸 汽参 数 进行 估算 ， 要求 利用 已知 的燃 气轮机排气参数推算出锅炉蒸汽参数 。 本文将以 无再热 、 无补燃 、 双压蒸汽余热锅炉为例 ， 介绍利 用 ｐ 图推算锅炉的蒸汽参数的估算方法 ，并结 合实例对估算方法的有效性进行验证 。
燃气-蒸汽联合循环机组估价分析
轴机组。尽管单轴机组可 以通过离合器使燃气循环
数（ 比、 比和压气机 空气流量 ） 温 压 对造 价 的影 响。
收稿 日期 ：０５０－ ２０ ，６２ ９
维普资讯
３ ４
燃气轮 机技 术
第 １ 卷 ９
过去采用数理统计 回归分析方法 ， 从大量数据 中寻 求变量之间的相关关系， 得到公式 （） １。另外采用最 小二乘法 ， １９ 年 的美 国产品数据进行拟合 ， 对 ９１ 得 到最终的计算公式 （） ２： （ ＝Ａ＋Ｂｉ（ ＋Ｃ （一 ） Ｐ） ｎ Ｎ） ｅ７ 。
文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：０９ ８９２０ ）１ ０３— ４ １０ —２８ ｛０６ ０ —０３ ０
中图分类号 ：４ ７２ Ｆ０ ．
１ 前言
在最近的两年中 ， 大规模商用联合循环 电站的
和蒸汽循环在必要的时候分开 ， 但是由于添加 了额
外的复杂部 件 ， 其价 格仅 仅 比多轴 系统 便宜 ３～
将会 增加 ５ ％之 多 。 ７
赫兹燃气轮机的购买高潮开启 了价格回升 的趋势 。
在 ２０ 年底 由于经济的低迷和天然气价格高涨 ， ０３ 设 备原产商过多建造的结果 引发 了大量 的 ６ ｏ赫兹电 站项 目的推迟和取消。总的来说 ， 一些设计先进的 ６ 赫兹的机组价格大概滑落 ２ —３ ％， 比而言， Ｏ ０ ０ 相 ５ 赫兹的机组只降 了几个百分点 。但是对 于与这 Ｏ 两种机组相关的工程费用 ， 比如保 险、 技术服务 、 建 设和初装费用在过去几年中没有太大 的变化。
２０ ０６年 ３ 月
Ｖ０ ． ９ Ｎ ． １１ ｏ １ Ｍａ ． ２ ｏ ｒ ．０ ６
燃 气 一蒸 汽联 合 循 环机 组 估 价分 析
燃气_蒸汽联合循环设计研究_张杨
燃气-蒸汽联合循环设计研究张 杨,王振芳(内蒙古科技大学,内蒙古包头 014010) 摘 要:本文利用自行编写的燃气热力性质程序,针对余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环的热经济性指标进行了详细计算,主要分析了温比、压比等影响燃气轮机(Bray to n)循环性能的因素,并对该系统的热力特性作了简要分析。
关键词:联合循环;热经济性指标;温比;压比 近几十年来,我国电力工业的发展取得了举世瞩目的伟大成就,但与国外电力工业相比,还存在很大差距。
人均装机容量、人均发电量等均落后于世界平均值,而且单机容量小,煤耗高。
在发电能源构成中,煤电比例大。
烟气除尘效率低,SO2排放处于失控状态,酸雨面积已占国土面积的1/3。
因此,要改变这些现状。
目前常采用的方案是发展超临界或高超临界大容量火电机组,提高机组的热效率。
然而,众所周知,目前制约超临界或高超临界发展的一重大问题是金属材料的性能。
在超临界或高超临界下,金属材料所经受的压力和温度有一定的限制。
因此,要提高发电效率,节约能源和减少污染,必须再寻求另一途径,即推行燃气-蒸汽联合循环(GTCC)。
目前,燃气轮机技术和蒸汽轮机技术发电机组发电效率都已达到或者超过40%,为了充分利用燃气轮机的排气,发展联合循环技术会带来更高的效率。
1 总述本次设计利用编写的程序——燃气热力性质V C++源程序;和程序——燃气在不同压力和燃空比下的定压比热源程序,进行联合循环性能分析。
在常规不补燃的燃气-蒸汽联合循环中,影响发电效率的最主要因素是燃气轮机的循环效率。
下面我们就大气参数对燃气轮机及其联合循环特性的影响做出分析。
1.1 大气温度t a的影响大气对于简单循环燃气轮机及其联合循环的功率和效率有相当大的影响,这是因为:1.1.1 随着大气温度的升高,空气的密度变小,致使吸入压气机的空气的质量流量减少,机组的作功能力随之变小;1.1.2 压气机的耗功量是随着吸入的空气量的热力学温度成正比变化的,即大气温度升高时,燃气轮机的净出力减小;1.1.3 当大气温度升高时,即使机组转速和燃气轮机进口燃气初温保持恒定,压气机的压缩比将有所下降,这导致燃气透平的作功量的减小而燃气轮机的排气温度却有所增高。
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燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究
摘要:以燃气-蒸汽联合循环系统为基础,根据黑箱子原理和热力学能量平衡定律考虑系统进入的总能与输出的总能,建立分析模型,给出燃气-蒸汽循环系统各设备的能量平衡和热效率的估算方法,并与精确计算相比较,得出估算方法是可行的｡
关键词:燃气-蒸汽联合循环;热效率;估算
Efficiency Estimation Method of Gas-steam Combined Cycle Thermal Efficiency Abstract: With gas and steam combined cycle system as the foundation, according to the black box principle and thermodynamic energy balance principle, a analysis model was built and a estimation method involved in energy balance and thermal efficiency of gas and steam combined cycle system unit was given in the paper. Compared with precise calculation, the estimation method is feasible.
Key words: gas and steam combined cycle; thermal efficiency; estimation
燃气-蒸汽联合循环是目前世界上供电效率最高的发电方式之一,其最高的供电效率已接近60%,较之传统的蒸汽发电方式供电效率提高近20个百分点[1,2]｡燃气-蒸汽联合循环是将天然气(包括焦炉煤气和高炉煤气)在燃气轮机的燃烧室中进行燃烧,产生的高温烟气在燃气透平中做功,燃气轮机排气的热量进入余热锅炉加热水产生蒸汽,然后蒸汽在蒸汽轮机做功｡整体循环系统利用了烟气和蒸汽两种工质,将勃莱敦循环和朗肯循环联系在一起,提高了整个系统的热效率｡
燃气-蒸汽联合循环系统主要是由压气机､燃气轮机､余热锅炉､蒸汽轮机等设备组成[3,4],其结构示意图如图1所示｡对采用燃气-蒸汽联合循环发电电厂的能量的平衡计算和热效率的精确计算是十分困难的｡但是在实际工程中又需要了解联合循环系统中能量被转化和利用的份额,以便可以找到提高循环热效率的有效途径,这就需要一种估算循环热效率的方法｡
研究以整体循环系统为基础,把整个循环系统作为一个黑匣子[5,6],根据热力学能量平衡定律考虑能量进入的总能与能量输出的总能,建立分析模型,给出燃气-蒸汽循环系统的能量平衡和热效率的估算方法｡
1分析模型的建立
以进入燃烧室的天然气为基准,建立模型计算循环热效率｡将系统进行简化,简化后的系统如下:能量在燃气轮机中只有做功和进入余热锅炉;余热锅炉内能量部
分产生蒸汽,其余全部以烟气排向大气;进入蒸汽轮机的能量只有做功与经冷凝器损失到环境中去;并且忽略设备间能量传递的损失｡整个系统中输入的能量只有燃烧的天然气所含有的能量以及这些天然气完全燃烧所需要的空气携带的能量,输出的能量为余热锅炉中排烟携带的能量､经冷凝器损失的能量和做功输出的能量｡分析模型如图2所示｡
设进入燃烧室的天然气含有的能量为Q入,天然气完全燃烧所需空气所携带的能量为Qa,燃气轮机的循环效率为ηgt,余热锅炉的效率为ηh,蒸汽轮机的效率为ηst,则能量在各设备中的分布如下｡
在燃烧室中的能量分布为:
Q入×ηr+Qa=Qs (1)
式中Qs为进入燃气轮机的总能量;ηr为燃烧室的效率｡
在燃气轮机中的能量分布为:
(Q入×ηr+Qa)×ηgt+Qh=Qs(2)
式中Qh为进入余热锅炉的能量｡
在余热锅炉中的能量分布为:
Qh=Qh×ηh+Q烟(3)
式中Q烟为在余热锅炉中经烟气排向环境的能量｡
在蒸汽轮机中的能量分布为:
Q1=Q1×ηst+Q冷(4)
式中Q1为进入蒸汽轮机中的能量;Q冷为蒸汽轮机中经冷凝器冷却所损失的能量｡
在循环系统中输入的总能量为Q入+Qa,输出的能量只有余热锅炉排烟而损失的热量Q烟,蒸汽轮机经冷凝器损失的热量Q冷､燃气轮机和蒸汽轮机产生的电能(Q入+Qa)×ηgt+Q1ηst｡则该循环系统中损失的能量之和为Q冷+Q烟,利用的能量之和为(Q入+Qa)×ηgt+Q1ηst,循环的热效率为:
ηcc= (5)
2实例计算与分析
有某一燃气-蒸汽联合循环系统,环境温度为30℃,其各设备的利用效率:燃气轮机燃烧室的效率为ηr1=0.98,燃气轮机的循环效率为ηgt=0.37,余热锅炉的热效率为ηh=0.75,蒸汽轮机的循环效率为ηst=0.33,燃料为四川纳溪天然气,其组成成分如表1｡
则天然气完全燃烧所需的空气量为:
VK=
0.5H2*+0.5CO*+2CH4*+1.5H2S*+m+CmHn*
(6)
式中:H2*,CO*,CH4*,H2S*,CmHn*表示燃料中各种可燃成分的容积百分比｡
空气在30℃时的焓值为373.01 kJ/Nm3
则总能量Q总=Q入+Qa=3 504.5 kJ+35 588 kJ=
39 092.5 kJ｡
由公式(1)~(4),可以得出循环系统中各设备中能量利用和损失的情况,如表2所示｡
由表2可知,系统做功的热能总量是20 185.39 kJ,损失的总能为18 907.12 kJ,循环的热效率为ηcc=51.63%,其中在循环的热效率中,燃气轮机做功的热效率为36.33%,蒸汽轮机做功的热效率为15.30%,在循环效率中燃气轮机与蒸汽轮机作功之比约为2∶1｡在能量的损失分布中燃烧室损失的热效率为1.82%;余热锅炉损失的热能为15.46%;蒸汽轮机损失的热能为29.43%｡在燃气-蒸汽循环系统的设备中能量的损失大小依次为蒸汽轮机､余热锅炉､燃烧室､燃气轮机｡
在联合循环中燃气轮机的热效率高于蒸汽轮机,所以提高燃气轮机ηgt的作用将比同样程度的提高蒸汽轮机的ηst对于改善循环效率ηcc的效果更明显｡而提高燃气轮机燃烧室出口温度(亦即燃气轮机进气温度)T3､降低大气环境温度。
3小结
在对燃气-蒸汽联合循环做了简化,构建分析模型的基础上,对其整体效率的计算分析和系统中各设备的能量利用分析与文献[4]介绍的基本相同｡其能量在各子设备中的损失大小也是相吻合的,但是计算方法却简单了许多｡应用此方法,可计算燃气-蒸汽循环各部分能量损失的大小､分布和薄弱环节,进而得出改进措施｡发展联合循环发电技术,研制和开发新型发电机是提高发电效率､改善经济效益､有利于可持续发展的根本所在｡此方法是一种近似的计算方法,与精确计算有差距,但是比较适合在施工现场应用｡
参考文献:
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[5] 李汝辉,刘德彰,李世武. 能量有效利用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1992.
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