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第1 4卷第1 4期2023年7 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Jul.2023某联合循环系统热力性能研究孙嘉启，刘志焕，李江涛（中国船舶集团有限公司第七0 三研究所，哈尔滨1 5 0 0 7 8）摘要：基于某联合循环系统，分析了蒸汽参数选择对余热锅炉设计及三压再热联合循环整体性能的影响，通过热力计算，结合工程实际，确定主蒸汽压力1 2.6 4MPa，再热蒸汽压力3.33MPa，低压蒸汽压力0.6 6 MPa。在燃气轮机运行工况变化时，对已设计的余热锅炉进行变工况计算，结果表明，主蒸汽压力对联合循环的影响与燃气轮机负荷正相关，而再热蒸汽压力正好相反，低压蒸汽压力的影响十分有限。关键词：联合循环；余热锅炉：热力性能中图分类号：TM611.31Abstract:Based on combined cycle system,the study analyzes the influence of steam parameters on the design of heatrecovery steam generator and the overall performance of triple pressure reheat combined cycle.Through thermodynamiccalculation and actual project,main steam pressure is determined as 12.64 MPa;reheat steam pressure as 3.33 MPa,and Low steam pressure as 0.66 MPa.When the gas turbone operating condition changes,the designed heat recoverysteam generator is calculated.The results indicate that the impact of main steam pressure on the combined cycle ispositively correlated with the load of the gas turbine load,while the reheat steam pressure is the opposite,and the impactof Low steam pressure is quite limited.Key words:Combined cycle;Heat recovery steam generator;Thermal performance燃气-蒸汽联合循环系统具有热效率高、环境污染小、占地面积少、运行灵活、可靠性高、安装周期短等优点。从电力行业发展来看，燃气蒸汽联合循环系统具有十分广阔的推广前景1 ，而余热锅炉作为燃气一蒸汽联合循环系统中的重要组成部分，是系统一体化与各子系统匹配优化的关键因素2 。我国对于余热锅炉的研究基于热平衡与能量守恒原理，建立数学模型3-4,通过公式的数学推导,研究蒸汽参数选择对余热锅炉当量效率及蒸汽轮机循环效率的影响5 ，以提高联合循环系统的经济效益。1联合循环系统热力性能分析本联合循环系统采用燃气轮机，燃气初温约为1400，I S0 工况条件下容量约为30 0 MW。余热锅炉采用三压再热自然循环余热锅炉，蒸汽轮机采用双缸向下排汽超高压级凝汽式蒸汽轮机，蒸汽轮机在ISO工况条件下容量约为1 5 0 MW。收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 746文献标志码：BResearch on Thermal Performance of Combined CycleSun Jiaqi,Liu Zhihuan,Li Jiangtao(No 703 Research Institute of CSIC,Harbin 150078,China)1.1燃气轮机性能参数根据天然气气质条件、气象条件，以冬季条件下纯凝发电工况作为设计工况，具体参数如表1 所示。根据燃气轮机的排气温度与效率最大化目标，决定采用三压再热蒸汽循环的蒸汽系统。表1 工况条件和燃气轮机参数表Tab.1 Conditions and parameters of gas turbine名称环境温度大气压力燃料类型燃料耗量燃料低位热值燃气轮机排气温度燃气轮机排气流量燃气轮机输出功率1.2蒸汽系统性能参数为了提高蒸汽轮机效率，蒸汽温度一般尽可能取较高值，根据实际情况及金属材料使用温度的限制，余热锅炉主蒸汽温度定为5 40，再热蒸汽出口温度定文章编号：1 6 7 4-8 6 46(2 0 2 3)1 4-0 0 46-0 3单位kPaVhLHV(kJ/kg)/hMW数值15101.3天然气66.7646 0895862617.8306.55为5 6 0，中压蒸汽温度30 0 左右，比其在余热锅炉中上游方向的燃气温度低即可，具体数值根据效率计算确定。为了实现能量的阶梯利用，主蒸汽压力一般选在1 0 MPa以上，但出于安全及经济考虑，不能超过15 MPa。2耳联合循环热力性能匹配分析图1 为三压再热余热锅炉的汽水循环系统。主蒸汽5（过热）16再热17蒸汽图1 三压再热自然循环余热锅炉汽水循环系统Fig.1 Steam and water circulation system diagram of triple-pressurereheat natural circulation heat recovery steam generator1-低压省煤器,2-除氧器,3-低压蒸发器,4-给水泵,5-高压省煤器一,6-中压省煤器7-低压过热器,8-中压锅筒,9-中压蒸发器,1 0-高压省煤器二,1 1-中压过热器，1 2-高压省煤器三，1 3-高压锅筒，1 4-高压蒸发器，1 5-减温器，1 6-高压过热器，1 7-再热器根据余热锅炉的具体结构形式，结合热平衡方程式及传热方程式进行余热锅炉的初步热平衡计算。为了计算方便，假设设备的电耗率原则上保持不变，燃气轮机的功率、排烟温度、排气流量保持不变，余热锅炉的保热系数为0.9 9 7，锅炉排污率为0.5%。高压汽缸漏汽量暂定为9 t/h,蒸汽轮机的内效率暂定为0.8 8。1441421401381361348图2 蒸蒸汽轮机发电量、余热锅炉排烟温度与主蒸汽压力的变化关系Fig.2 Relationship between the generating capacity of steam turbine,the temperature of heat recovery steam generatorexhaust gas and the main steam pressure由计算分析可知，随着主蒸汽压力的升高，余热锅炉的排烟温度以0.37 8/MPa的速度逐渐升高，余热锅炉的当量效率逐渐降低，蒸汽轮机发电量以0.834MW/MPa的速度增大。但是，主蒸汽压力并不能无限制提高，一旦主蒸汽压力升高到亚临界压力，余热锅炉受热面及蒸汽轮机必须采用新型材料，前期投及运行成本均会大幅增加，考虑到在极端工况下蒸汽压力还会进一步提高，故主蒸汽压力设定为1 2.6 4MPa左右。144143142141131401391413892.0图3蒸汽轮机发电量、余热锅炉排烟温度冷凝水中压蒸汽低压蒸汽一汽轮机发电量一余热锅炉排烟温度9392910主蒸汽压力/MPa1011009998996一汽轮机发电量一余热锅炉排烟温度95942.53.0再热蒸汽压力/MPa与再热蒸汽压力的变化关系Fig.3Relationship between the generating capacity of steamturbine,the temperature of heat recovery steam exhaustgas and the reheat steam generator pressure1441431421411401391380.2100图4蒸汽轮机发电量、余热锅炉排烟温度与99低压蒸汽压力的变化关系98Fig.4Relationship between generating capacity of steam97turbine,the exhaust gas temperature of heat recovery96steam generator and the low steam pressure95随着再热蒸汽压力的升高，余热锅炉的排烟温度94以1.8 3/MPa的速度下降，余热锅炉的当量效率上升，蒸汽轮机发电量先升高后降低。随着再热蒸汽压力的升高，联合循环的各配套设备造价成倍上升，且较1112133.5一汽轮机发电量余热锅炉排烟温度82800.30.4低压蒸汽压力/MPa14高的运行参数令整个联合循环系统的潜在风险上升，故再热蒸汽压力选择发电量极大值的压力3.33MPa较为合适。随着低压蒸汽压力的升高，余热锅炉的排烟温度以33.7/MPa的速度大幅升高，余热锅炉的当量效率逐渐减小，蒸汽轮机发电量略微增大再略微降低，但总体变化范围不大。虽然在0.4MPa处有发电量极大值，但考虑到热电联产系统中区域供热器的实际运行压力不宜过低,故暂定为0.6 6 MPa。474.010098969492908886840.50.60.70.890利用上述确定的参数对余热锅炉进行最优化设计。余热锅炉采用三压带再热自然循环型式，具体锅炉基本数据见表2。表2 余热锅炉技术规范Tab.2Technical specification for heat recovery steam generator名称1高压过热蒸汽压力2高压过热蒸汽温度3中压过热蒸汽压力4中压过热蒸汽温度5低压过热蒸汽压力6低压过热蒸汽温度7再热蒸汽压力80再热蒸汽温度9锅炉排烟温度10锅炉余热利用率3耳联合循环变工况性能分析根据优化设计得到的余热锅炉结构及燃气轮机变工况数据,进行余热锅炉热力性能的校核计算，得到余热锅炉与蒸汽轮机在滑压运行时蒸汽参数变化对发电量的影响规律。12090300.350.40(0.450.500.550.60低压蒸汽压力/MPa图5 燃机变工况发电量与主蒸汽压力的关系Fig.5Relationship between generating capacity of gas turbineunder variable operating conditions and the main steam pressure在不同工况下，主蒸汽压力提高，蒸汽轮机发电量有不同程度的增大。但随着燃气轮机负荷的下降,高压欠温不断减小，主蒸汽压力的变化范围越来越小，蒸汽轮机发电量变化也趋于稳定，但对各压力等级的蒸汽产量影响趋势却有一定程度的增大，可见主蒸汽压力对联合循环系统的影响随着燃气轮机负荷的减小而减弱。随着燃气轮机负荷的下降，中压欠温也在不断减小，再热蒸汽压力的变化范围同样会越来越小。再热蒸汽压力提高，蒸汽轮机发电量有增大趋势，但在低工48况时，这种趋势尤为明显，可见再热蒸汽压力对联合循环系统的影响随着燃气轮机负荷的减小而增强，120-单位数值MPa12.64539MPa3.6289.7MPa0.662247.5MPa3.3356096.86%86.08燃机7 5%工况燃机5 0%工况燃机2 5%工况+燃机7 5%工况燃机5 0%工况一燃机2 5%工况301.0图6 燃机变工况发电量与再热蒸汽压力的关系Fig.6 Relationship between the generating capacity of gas turbineunder variable operating conditions and the reheat steam pressure12090306图7 燃机变工况发电量与低压蒸汽压力的关系Fig.7 Relationship between generating capacity of gas turbineunder variable operating conditions and the low steam pressure无论燃气轮机的负荷如何改变，随着低压蒸汽压力的提高，余热锅炉的排烟温度始终会大幅升高，在不同工况下，低压蒸汽压力提高，蒸汽轮机发电量有小幅度降低，且随着燃气轮机负荷的下降这种趋势略有加强。在任何时候，低压蒸汽压力的变化都将直接影响余热锅炉的排烟温度。4结论在燃气-蒸汽联合循环系统中，燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的匹配目标是使系统的不可逆损失降到最小,能源的利用效率达到最大。通过相应计算并结合实际情况，确定主蒸汽压力1 2.6 4MPa，主蒸汽温度540，再热蒸汽压力3.33MPa，再热蒸汽温度5 6 0，低压蒸汽压力0.6 6 MPa，低压蒸汽温度2 47.5。提高蒸汽压力有助于提高蒸汽轮机的发电量及联合循环的整体效率,其中主蒸汽压力的影响尤为明显，而再热蒸汽压力与低压蒸汽压力则存在发电量极大值，(下转第5 2 页）1.5789101112主蒸汽压力/MPa2.0再热蒸汽压力/MPa燃机7 5%工况燃机5 0%工况燃机2 5%工况2.53.03.5表4各区域袋外数据混淆矩阵及准确率Tab.4 Confusion matrix and accuracy of out-of-pocket data in each region区域类别0南平10福州宁德10龙岩10泉州莆田三明10厦门漳州1“0表示非降雨，“1 表示降雨。4结论利用随机森林分类算法对福建省降雨进行预测研究,得出了以下结论：随机森林在对是否降雨的分类预测上能够表现出较好的效果,对福建省各区域是否降雨的判断准确率均达到9 6%以上。在是否降雨的预测上,不同区域的特征重要性程度不一,其中中云位总云量、低云位总云量、地表植物冠层地表水3个特征对各个区域是否降雨的影响较重要。参考文献：1】毛颖,刘隽，郑君亮，等.汛期期间福建省山区小时降雨特征分析J.海峡科学,2 0 2 2(0 2)：1 1-1 5.04653944757108512112500775544855166132110211301694840110534590分类误差率0.0140.0660.0210.0870.0030.0130.0080.0640.0060.0852】彭义春，张捷,覃左仕.基于随机森林算法的职位薪资订正J.智能计算机与应用,2 0 2 1,1 1(1 0）：6 7-7 2.3】侯俊雄，李琦，朱亚杰，等.基于随机森林的PM2.5实时预报系统J.测绘科学,2 0 1 7,42(0 1):1-6.【4师彦文，王宏杰.基于新型不纯度度量的代价敏感随机森林分类器J.计算机科学，2 0 1 7,44（S2）：9 8-1 0 1.5】张新蕾,张春蕾.基于随机森林算法的小学生成绩分析与订正研究J.教育观察,2 0 2 2,1 1(1 4)：5 2-5 5.【6 周志华.机器学习M.北京：清华大学出版社，2 0 1 6:2 4-46.7吴兴惠，周玉萍,邢海花.集成学习之随机森林分类算法的研究与应用J.电脑知识与技术,2 0 2 0,1 6(2 1）：2 6-2 7.【8】余胜男，陈元芳，顾圣华，等.随机森林在降水量长期预报中的应用J.南水北调与水利科技,2 0 1 6,1 4(0 1):7 8-8 3.袋外数据误差率/%2.613.440.461.851.45测试集准确率/%97.7596.1799.5198.1097.65(上接第48 页）余热锅炉排烟温度也会相应改变，提高低压蒸汽压力，排烟温度急剧升高，提高再热蒸汽压力，排烟温度显著下降，提高主蒸汽压力，排烟温度则有所升高。提高蒸汽温度对于蒸汽轮机发电量的提升作用有限,余热锅炉排烟温度也是略有升高。出于前期建设成本与运行安全性考虑，各级蒸汽温度取决于相应的过热器烟温，当余热锅炉结构形式确定时，蒸汽温度的优化余地很小。对于结构形式已经确定的余热锅炉，改变燃气轮机工况，其蒸汽参数与设计阶段有着相似的变化规律。主蒸汽压力在燃气轮机负荷越高时，对联合循环的影响就越大，而再热蒸汽压力正好相反，在燃气轮机负荷越低时,对联合循环的影响越显著。低压蒸汽压力对联合循环的影响不大，但对余热锅炉的排烟温度有着举足轻重的影响。52为了计算方便,本研究假设了一些参数在匹配分析中一直保持不变，但这在实际生产中是不可能的,故得出的计算结果与实际情况可能稍有差别，然而这些假设参数在匹配分析过程中对结论的影响不大。参考文献：1】张刚,张怀涛,张玉雷.燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展和研究J.自动化博览，2 0 2 2,39（1 0）：7 3-7 7.2厉剑梁.燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉优化研究D.北京：华北电力大学（北京），2 0 1 7.3焦树建.燃气蒸汽联合循环理论基础M.北京：清华大学出版社,2 0 0 3.4】焦树建.燃气轮机与燃气蒸汽联合循环装置M.北京：中国电力出版社,2 0 0 7.5】何宏，于兰兰，张栋芳.联合循环热力系统优化研究J.热力透平，2013,4(42):236 239.