进气加热对燃气轮机能效的影响研究.pdf

欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟第 卷第 期 年 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟月上海电力大学学报 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 ，：收稿日期：通信作者简介：应雨龙（），男，博士，副教授。主要研究方向为燃气轮机总体性能。：。基金项目：国家自然科学基金（）；上海市自然科学基金（）；上海市“科技创新行动计划”启明星项目（）。进气加热对燃气轮机能效的影响研究王新友，应雨龙，李靖超，崔在兴（上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 ；上海电机学院 电子信息学院，上海 ）摘要：为了进一步提高燃气轮机及其联合循环效率，采用某 级燃气 蒸汽联合机组的燃气轮机作为研究对象，在控制环境温度及燃气轮机负荷工况的基础上，研究进气加热对燃气轮机整体性能的影响。首先，利用仿真软件 对燃气轮机进行系统建模，选取燃气 蒸汽联合循环机组中余热锅炉端所产生的热量作为热源加热给水，进而通过冷热交换器对燃气轮机压气机进口空气进行预热；其次，在模型基础上对不同负荷情况下的燃气轮机进气温度以及进口导向叶片（）开度进行调整。最后，通过仿真模拟得出结论：在一定负荷及环境条件下，随着进气温度的提升，燃气轮机的最佳进气温度与燃气轮机功率最大值相对应，且恰当的进气温度能够提高燃气轮机效率，降低能源消耗。关键词：燃气轮机；进气加热；总体性能；进口导向叶片；效率分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，；，（），王新友，等：进气加热对燃气轮机能效的影响研究 ，：；燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动金属叶轮高速旋转，并将燃料的化学能转变为机械能的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机 。其中，作为能源转换装备制造业的高端产品，重型燃气轮机已被广泛应用于燃气 蒸汽联合循环电厂，并已被我国列为优先发展的重大装备 。现阶段，燃气轮机已在航空航天、船舶制造、天然气输送以及能源发电等众多行业领域得到广泛应用 ，成为当下热门的清洁发电设备之一。另外，采用燃气 蒸汽联合循环、中间再热复杂循环、中间冷却复杂循环、间冷回热复杂循环、回注蒸汽的燃气轮机循环、燃气轮机燃煤技术等先进技术后，燃气轮机技术的开发和实践应用进入了一个全新的阶段 。燃气轮机主要由进气系统、压气机、燃烧室、透平以及排气系统等部分构成。其中，进气系统主要给压气机抽气提供辅助，压气机主要是将大气中的空气进行压缩，传递给燃烧室，在燃烧室内高压空气与燃气混合燃烧，产生高温高压烟气到透平内进行膨胀做功。目前国内常见的燃气 蒸汽联合循环机组中，排气系统通常后接余热锅炉，对透平的热排气进行二次利用。进气加热（，）系统通过热源驱动设备预先加热压气机进口空气，以调节压气机进口温度，从而对重型燃气轮机以及燃气 蒸汽联合循环机组产生影响。进气加热系统不仅能够在恶劣天气下有效防止机组产生结霜以及湿堵等问题 ，同时还能够在低负荷运行下提高机组效率。目前，对于联合循环机组中燃气轮机总体性能分析的研究相对较少，但针对燃气 蒸汽联合循环机组，国内外研究机构和学者已开展了大量的研究工作。等人 分析了环境条件对燃气轮机效率的影响；张涛等人 利用 进行热力建模，分析了进气冷却与进气加热对燃气 蒸汽联合循环的影响；王树成等人 依据热平衡方程通过 进行物理建模，系统分析了进气加热对联合循环性能的影响；等人 通过平衡运行线分析了燃气轮机效率的影响因素，并提出了一种新型的加热技术；陈仁贵等人 通过对进气结霜的研究，分析了进气加热对燃气轮机的保护作用；范雪飞等人 采用 进行了进气冷却或进气加热前后的热力计算；诸多学者也在实际燃气 蒸汽联合循环 机 组 研 究 中 分 析 了 进 气 加 热 的 相 对 意义 。本文选取 级燃气 蒸汽联合机组燃气轮机为研究对象，利用一款可应用于不同机组的燃气 蒸汽联合循环机组进气空调系统对燃气轮机进行进气加热。将燃气轮机出气端与联合循环机组中余热锅炉连通，利用联合循环机组内余热锅炉尾部烟道热量加热给水。对环境温度与燃气轮机部分负荷工况性能变化规律进行分析，利用 软件建立燃气轮机模型，结合电厂实际运行数据分析进气温度控制对燃气 蒸汽联合循环机组内燃气轮机效率参数及其工况性能的影响。进气加热系统技术原理进气加热系统是燃气轮机进气端的重要辅助系统，用于在不同环境温度条件下调节压气机的进气温度，以达到保护燃气轮机安全运行并有效提高发电效率的目的 。根据热源的不同，通用进气加热技术可以分为余热锅炉余热加热、压气机抽气式加热、翅片管换热式加热、电加热等 。进气加热装置利用余热锅炉尾部烟气余热加热给水，经过加热后的水通过管道输送到换热器，这些热水被用于加热来自压缩空气管道的高压空气。换热后的高压空气变得更热，并通过热空气管道进入进气管道。热空气与进气管道中的冷空气混合后被输送至压气机入口，从而达到节省大量能量、提高机组热效率的目的。上海电力大学学报 年 研究对象及模型分析 燃气轮机模型构建本文研究对象为三菱 型燃气 蒸汽联合循环供热机组燃气轮机，采用 及 仿真软件构建燃气轮机热力模型，模型由进气系统、压气机、燃烧室、透平及排气系统构成。进气系统数学模型为 （）式中：系统阻力损失；沿程阻力损失；局部阻力损失；沿程阻力摩擦系数；管段当量直径；管段长度；密度；速度；局部阻力损失系数。压气机数学模型为，（，）（），（，）（）式中：，压气机相对折合流量；函数；，压气机相对折合转速；，压气机相对压比；，压气机相对等熵效率。燃烧室数学模型为（）（）式中：燃烧室等熵效率；燃气轮机的功率。透平数学模型为，（，）（），（，）（）式中：，透平相对折合流量；，透平相对折合转速；，透平相对压比；，透平相对等熵效率。进气加热系统优化设计本文对一种重型燃气轮机进气空调系统进行了优化。优化后的进气空调系统结构如图 所示 。其中，、和 分别代表蒸汽轮机的高压缸、中压缸和低压缸。图 优化后的进气空调系统结构王新友，等：进气加热对燃气轮机能效的影响研究环境温度与燃气轮机及其联合循环电厂的运行性能有着密切且直观的联系。当环境温度升高，空气密度减小，而比容升高，压气机吸入的空气量随之减少，使得燃气轮机及其联合循环的发电功率随环境温度的升高而降低。这将导致在某些特殊运行期间（例如夏季工况、冬季工况或者部分负荷工况下），机组性能与用户需求不匹配的问题。由图 可以看出，优化系统在原系统基础上增加了进气过滤装置，能够有效清除进气中大部分固体颗粒，提高进气质量。模型系统作为适用于燃气轮机及其联合循环机组的进气温度控制系统，包含进气加热系统及进气冷却系统，能够实现对于温度的准确控制，选用该系统对燃气轮机及其联合循环机组进行进气加热分析。该系统能够改善燃气轮机冬季工况和部分负荷工况下的机组效率，以缓解机组在不同运行阶段电厂与电网供需不匹配的问题。同时，还能够提升燃气 蒸汽联合循环电厂的运行经济性和灵活性。进气加热对燃气轮机整机性能影响分析基于上述三菱 型燃气 蒸汽联合循环供热机组燃气轮机构建热力模型，结合燃气电厂实际运行数据分析进气加热对重型燃气轮机的影响 。进气加热对燃气轮机功率和热耗率的影响为确保实验数据的准确性和实际可用性，本文选取燃气轮机负荷分别在 、情况下，通过调节压气机进气温度，并结合相关参数对比分析进气加热给燃气轮机整机运行状况带来的影响。压气机进气温度与燃气轮机功率、热耗率关系曲线 如图 所示。由图 可以看出，燃气轮机功率与压气机进气温度成反比关系，即在不考虑其他因素条件下，随着压气机进气温度的升高，燃气轮机的功率降低，效率下降。进气加热对燃气轮机运行参数的影响不同负荷条件下，压气机进气温度变化与燃气轮机运行参数的关系如图 所示。其中，为图 压气机进气温度与燃气轮机功率、热耗率关系曲线压气机入口空气质量流量，为压气机出口空气质量流量，为燃烧室出口燃气质量流量，为压气机入口压力，为压气机出口压力，为燃烧室出口燃气压力，为透平出口压力，为压气机出口空气温度，为燃烧室入口空气温度，为燃烧室出口燃气温度，为透平出口燃气温度，为天然气质量流量。图 压气机进气温度与燃气轮机运行参数的关系图 中，采用控制变量法确保燃气轮机其他入口边界参数保持不变，通过提高燃气轮机压气机进气温度，分析进气加热对燃气轮机运行参数的影响。当进气温度由 升高至 时，压气机入（出）口空气质量流量、燃烧室出口燃气质量流量、压气机出口压力、燃烧室出口燃气压力均呈现下降趋势；燃烧室出口燃气温度和透平出口燃气温度均呈现上升趋势，说明压气机入口空气温度直接影响到燃气轮机的燃烧温度；而压气机入口压力、透平出口压力、压气机出口空气温度、燃烧室入口空气温度和天然气质量流量则受影响相对较小或不受进气温度升高的影响。上海电力大学学报 年 进气加热对 开度的影响不同负荷条件下，压气机进气温度与 开度的关系曲线如图 所示。图 不同负荷条件下压气机进气温度与 开度的关系曲线由图 可知，在不同负荷条件下，当进气温度升高时 开度的变化趋势基本相似。负荷情况下，开度由 扩大至 ；负 荷 情 况 下，开 度 由 扩 大 至 ；负荷情况下，开度由 扩大至 ；负荷情况下，开度由 扩大至 。进气加热对压气机效率和透平效率的影响不同负荷下，进气温度与压气机效率、透平效率的关系曲线如图 所示。图 （）中，在 负荷条件下，进气温度由 升至 时，压气机效率显现出微弱的衰退，下降了 ；在由 升至 时，压气机效率保持稳定上升，由 提高至 ，提升了 。在 和 负荷条件下，进气加热对压气机效率所带来的影响与 负荷情况基本一致。另外，和 负荷条件下，对应进气温度由 升至 时，压气机效率分别提升了 和 ；在负荷 条件下，压气机效率始终保持增长，由初始的 提高至 ，增长了 。由图 （）可知，在不同负荷条件下，进气温度由 升高至 的过程中，透平效率变化相对较小。这说明在控制其他条件不变的情况下，进气温度对透平效率的影响较小。图 不同负荷下进气温度与压气机效率、透平效率的关系曲线 进气加热对燃气轮机整体效率的影响不同负荷条件下，压气机进气温度与燃气轮机整体效率（归一化）的关系曲线如图 所示。由图 可以看出，随着进气温度的升高，不同负荷条件下燃气轮机整体效率呈现出不同的变化情况。图 （）中，负荷条件下，进气温度由 升至 ，燃气轮机整体效率呈先降后增的变化趋势，并且在进气温度为 时，燃气轮机整体效率比进气温度 时降低了 。在进气温度为 时，整体效率达到了 ，比进气温度 时低 。图 （）至图（）中，、负荷条件下，燃气轮机整体效率呈现出 型变化，且在进气温度达到一定温度时整体效率达到最佳。图 （）中，负荷条件下，燃气轮机进气温度为 时，整体效率达到了 ，为全部进气温度中的最高效率。王新友，等：进气加热对燃气轮机能效的影响研究图 不同负荷条件下进气温度与燃气轮机整体效率（归一化）的关系曲线 结论本文提出了一种可以通用于燃气 蒸汽联合循环机组的进气加热系统，通过余热锅炉的热源对压气机前端进气温度进行加热，以达到提高燃气轮机整体效率的目的。以 级燃气 蒸汽联合循环机组作为研究对象，在 、负荷条件下，进气温度由 提高至，对 开度、压气机效率、透平效率以及燃气轮机整体效率进行了分析。（）在不同负荷条件下，随着进气温度的升高，开度相应扩大。（）进气温度的变化对于透平效率的影响较小，但对于提升压气机效率能够起到显著效果，且在不同负荷条件下通过对进气温度的调节都能使压气机处于更好的运行状态。（）进气温度对燃气轮机整体效率的影响在不同负荷条件下呈现出不同趋势，且随着燃气轮机负荷的增大，整体效率的曲线呈 型，即在不同负荷条件下，总有一个最优进气温度能够使燃气轮机整体效率到达最佳。参考文献：李清，郭洋，田策，等 不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响 科学技术与工程，（）：靳尧飞，应雨龙，李靖超，等 基于模型与数据混合驱动的燃气轮机气路故障诊断方法 热力发电，（）：，：赵宁波，吴森，闻雪友 燃气轮机异常检测技术研究进展 热能动力工程，（）：吉桂明，刘长和 燃气轮机的技术和应用：现状和展望 热能动力工程，（）：张涛，刘志坦，干雪，等 进气加热对燃气 蒸汽联合循环性能影响 中国电力，（）：，（）：张涛，付忠广，刘志坦，等 进气温度对燃气 蒸汽联合循环机组性能的影响 化工进展，（）：上海电力大学学报 年 王树成，付忠广，宋学博，等 型燃机进气加热对联合循环性能影响分析 汽轮机技术，（）：，（）：陈仁贵，陶月 燃气轮机进气系统结霜分析及对策 热能动力工程，（）：范雪飞，蒋俊，刘网扣，等 基于进气温度调节的燃气 蒸汽联合循环机组热力性能优化分析 动力工程学报，（）：郝洪亮，孙国斌，刘军，等 级燃气轮机部分负荷进气加热提效技术研究与工程应用 燃气轮机技术，（）：卢伟明 燃气轮机进气加热系统的控制 制冷空调与电力机械，（）：俞立凡，冯宜 燃机进气加热系统的经济性和安全性初探 电力建设，（）：王文飞，朱鸿飞，严志远 级燃气电厂进气加热提效技术应用项目经济可行性研究 燃气轮机技术，（）：王曙光，朱本刚 公司 燃气轮机进气加热系统控制分析 燃气轮机技术，（）：应雨龙 船用燃气轮机气路诊断技术研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，左德权，于兰兰，虎煜，等 燃气蒸汽联合循环电厂的进气空调系统及其使用方法：杨勇平，和彬彬，段立强 进气冷却在微型燃气轮机冷、电联供系统中的应用 动力工程，（）：孙衍锋，姚挺生 压气机进气温度对联合循环机组性能影响的探讨 燃气轮机技术，（）：（责任编辑白林雪櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅）（上接第 页）由图 （）可知，当负载发生变化时，直流母线电压经过小幅度的波动后能够迅速恢复至稳定值，全程基本保持在 。图 （）中电流大于零的部分表示电池处于放电状态，电流小于零的部分表示电池处于充电状态。由图 （）可以看到，当外界发生变化时，系统所采用的双闭环控制能够迅速做出反应，使电池的输出电流趋于稳定。实验仿真结果验证了所提出的控制算法的正确性与可行性。该算法跟踪速度快、稳态精度高，保证了电池充放电控制过程的快速性与稳定性。结论（）电池端电压与电池荷电状态的仿真波形变化与理论设定相一致，验证了本文所构建模型的正确性。（）仿真实验结果表明，当负载发生变化时，电池储能系统相关参数经过短暂波动后能迅速恢复至稳定值，表明了本文所提出的控制算法动态响应速度快、控制性能好。（）本文所采用的控制策略能够满足储能电池充放电过程中对控制系统性能的需求。参考文献：何泽皓，陆远清，薛杨，等 计及环境效益的风光储联合规划 电工技术，（）：付玉，高强，田禾，等 独立式风光储系统联合控制策略 能源工程，（）：黄鹏，郑则炯 电源设计分析 电子技术，（）：孙熙晨 变换电路的仿真研究 电子测试，（）：唐玉红 控制方法研究 电子世界，（）：，（）：，（）：周讯杰 电路及双闭环 控制仿真实验分析 光源与照明，（）：（责任编辑桂金星）