CN101699046A - 单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法及系统，方法包括(a)建立压气机、燃烧室和燃气透平的数学模型；(b)获取发电机组的实时生产参数；(c)根据步骤(a)和(b)的结果计算得出燃气透平的功率和压气机的耗功；(d)从燃气透平发出功率中扣除压气机的耗功，得到燃气轮机的出力；(e)对余热锅炉列出物质平衡方程和能量平衡方程；(f)建立蒸汽轮机的数学模型，对余热锅炉列出热平衡方程，通过蒸汽轮机的数学模型，计算蒸汽轮机的出力。可以实时掌握燃气透平和蒸汽轮机对机组总出力的贡献以及各关键部件的性能，以便根据机组的实际情况进行有效地调节和控制。

Description

单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法

技术领域

本发明涉及发电机组的性能监测与控制，尤其涉及一种单轴燃气-蒸汽联合循环机组总出力的分割方法及系统。

背景技术

在世界范围内，燃气轮机及燃气-蒸汽联合循环发电已成为火力发电的主要发展方向之一。在中国，特别是东部地区，经济发展迅速，燃气-蒸汽联合循环发电以其具有的热效率高、污染物排放低、建设周期短、负荷适应能力好的优点，也成为今后火力发电鼓励发展和最有前途的方向之一。

随着燃气-蒸汽联合循环理论和技术的发展，机组的功率和设备复杂程度都在提高，因此对机组的稳定性也有了更高的要求，另一方面，为了提高电厂在市场中的竞争力，机组运行的经济性也尤为重要。

在现有的单轴燃气-蒸汽联合循环机组中，压气机、燃气透平、蒸汽轮机和发电机联接在同一根轴上，只在发电机出线端安装功率表，以测量整根轴的出力。因此，在单轴燃气-蒸汽联合循环机组发出的总功率中，燃气透平和蒸汽轮机对出力的贡献是多少？压气机的耗功又是多少？更进一步，单轴燃气-蒸汽联合循环机组中，压气机、燃气透平、余热锅炉和蒸汽轮机等关键部件的效率更无从知晓。在这种情况下，不利于机组的运行人员掌握单轴燃气-蒸汽联合循环机组各关键部件的性能，使机组的控制操作具有盲目性；也不利于提高单轴燃气-蒸汽联合循环机组运行的可靠性和经济性。从工厂管理、运行人员的角度看，十分希望在线、实时掌握燃气透平和蒸汽轮机对机组总出力的贡献以及各关键部件的性能，以便根据机组的实际情况进行有效地调节和控制。因此，研究开发符合运行和管理实际情况的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组在线性能计算系统，在线、自动、科学合理地计算分析机组各关键部件和整体的性能，提高可靠性和经济性，就有了紧迫的现实性和重大的理论意义。

发明内容

本发明提供一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组在线性能计算的系统，以及一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力(包括联结在同一根轴中的燃气透平发出的功率、压气机的耗功和蒸汽轮机的出力)的分割方法，把一根轴上的总出力科学、合理、符合机组实际情况地进行分割，分别得到同一根轴上联结的燃气透平的功率、压气机的耗功和蒸汽轮机的出力。

一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法，所述的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组包括：

燃气轮机，所述的燃气轮机带有压气机、燃烧室、与压气机同轴的燃气透平；

用于回收利用燃气轮机排气余热的余热锅炉；

与燃气轮机的压气机、燃气透平同轴的汽轮机；

与燃气轮机的压气机、燃气透平和汽轮机同轴的，并在此轴驱动下发电的发电机；

所述的出力分割计算方法包括如下步骤：

(a)建立压气机、燃烧室和燃气透平的数学模型；

所述的压气机的数学模型包括以下几部分：

进口滤网压损Δp_InletFilter＝(p_air-p₁)/p_air

式中p_air为大气压力，p₁为压气机进口压力。

压气机压比ε_cp＝p₂/p₁

式中p₂为压气机出口压力，p₁为压气机进口压力。

压气机等熵效率η_cp＝(h_2s-h₁)/(h₂-h₁)

式中h_2s为压气机理论出口焓，h₁为压气机进口焓，h₂为压气机出口焓。

压气机耗功w_cp＝1000×GM_air×(h₂-h₁)/3600

式中GM_air为空气摩尔流量，h₁为压气机进口焓，h₂为压气机出口焓。

所述的燃烧室的数学模型为：

GM_air·h₂+GM_fuel·Q_l·η_cb＝(GM_air+GM_fuel)·h₃

式中：

GM_air      -    燃烧室的空气摩尔流量

h₂         -    压气机出口空气焓

GM_fuel     -    燃烧室的燃料摩尔流量

Q_l         -    燃料的低位发热量

η_cb       -    燃烧室的燃烧效率

h₃         -    燃气透平进口燃气焓

在确定了GM_air、h₂、GM_fuel、Q_l和根据制造厂提供的资料假设η_cb后，通过以上公式便可以得到燃气透平进口燃气焓h₃，然后就可以根据燃气的热力性质与温度的关系得到燃气透平入口温度t₃。

所述的燃气透平的数学模型包括以下几部分：

燃气透平压比ε_gt＝p₃/p₄

式中p₃为燃气透平进口压力，p₄为燃气透平出口压力。

燃气透平相对内效率η_gt＝(h₃-h₄)/(h₃-h_4s)

式中h₃为燃气透平进口焓，h₄为燃气透平出口焓，h_4s为燃气透平理论出口焓。

燃气透平功率w_gt＝1000×(GM_air+GM_fuel)×(h₃-h₄)/3600

式中GM_air为燃烧室的空气摩尔流量，GM_fuel为燃烧室的燃料摩尔流量，h₃为燃气透平进口焓，h₄为燃气透平出口焓。

(b)获取发电机组的实时生产参数；

即实时生产过程中的步骤(a)中的参数。

(c)根据步骤(a)和(b)的结果计算得出燃气透平的功率和压气机的耗功；

(d)从燃气透平发出功率中扣除压气机的耗功，得到燃气轮机的出力；

(e)对余热锅炉列出物质平衡方程和能量平衡方程，可以得到以下关系：

G_gash_gasIn＝G_bhp(h_bhp-h_fw)+G_brh(h_brhOut-h_brhIn)+G_bip(h_bip-h_fw)

               |G_blp(h_blp h_fw)|G_fhw(h_fhw h_fw)|G_gash_gasOut

式中：

G_gas    -    余热锅炉烟气流量

             余热锅炉进口烟气

h_gasIn  -

             焓

             余热锅炉出口烟气

h_gasOut -

             焓

G_bhp    -    高压蒸汽流量

h_bhp    -    高压蒸汽焓

h_fw     -    给水焓

G_brh    -    再热蒸汽流量

h_brhIn  -    再热器进口蒸汽焓

h_brhOut -    再热器出口蒸汽焓

G_bip    -    中压蒸汽流量

h_bip    -    中压蒸汽焓

G_blp    -    低压蒸汽流量

h_blp    -    低压蒸汽焓

             天然气加热蒸汽流

G_fhw-

             量

h_fhw    -    天然气加热蒸汽焓

然后进一步计算可以得到锅炉的正平衡效率和反平衡效率。

余热锅炉的正平衡效率η_boilerPos＝Q_s×G_gas/h_gasIn

式中Q_s为锅炉的吸热量，G_gas为余热锅炉烟气流量，h_gasIn为余热锅炉进口烟气焓。

余热锅炉的反平衡效率η_boilerRev＝1-h_gasOut/h_gasIn

式中h_gasOut为余热锅炉出口烟气焓。

(f)建立蒸汽轮机的数学模型，对余热锅炉列出热平衡方程，通过蒸汽轮机的数学模型，计算蒸汽轮机的出力。

所述的蒸汽轮机的数学模型包括以下几部分：

蒸汽轮机高、中或低压缸的相对内效率：

$\mathrm{\η}=\frac{h_1-h_2}{h_1-h_{2s}}$

式中：

η-汽轮机高、中或低压缸效率

h₁-汽轮机高、中或低压缸进口蒸汽焓

h₂-汽轮机高、中或低压缸出口蒸汽焓

h_2s-汽轮机高、中或低压缸理论出口蒸汽焓

蒸汽轮机的功率：

$W_{\mathrm{st}}=[G_{\mathrm{bhp}}\×(h_{\mathrm{bhp}}-h_{\mathrm{sthpOut}})+G_{\mathrm{brh}}\×(h_{\mathrm{brhOut}}-h_{\mathrm{stipOut}})+(G_{\mathrm{brh}}+G_{\mathrm{blp}})\×(h_{\mathrm{stlpIn}}-h_{\mathrm{stipOut}})]\×\frac{1000}{3600}$

式中G_bhp为高压蒸汽流量，h_bhp为高压蒸汽焓，h_sthpOut为高压缸出口蒸汽焓，G_brh为再热蒸汽流量，h_brhOut为再热器出口蒸汽焓，h_stipOut为中压缸出口蒸汽焓，G_blp为低压蒸汽流量，h_stlpIn为低压缸进口蒸汽焓，h_stlpOut为低压缸出口蒸汽焓。

通过步骤(d)和步骤(f)的计算，分别得到燃气轮机的出力与蒸汽轮机的出力，即完成了分割单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中燃气轮机和蒸汽轮机对总出力的贡献。

为了实施所述的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法，尤其是建立在线性能计算系统，除所述的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组外，还需设置：

单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的分布式控制系统DCS，通过测量传感器用于测量各设备的运行参数；

与分布式控制系统DCS相连的接口机，用于转发测量得到的运行参数；

实时数据库服务器，用于存储测量得到的运行参数和在线性能计算结果；

计算服务器，用于运行应用服务进行性能计算；

WEB服务器，用于提供WEB服务，将运行参数和性能计算结果，采用图形、曲线、列表等形式进行发布。

所述的在线性能计算系统运行时：

(1)单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的运行参数由传感器测量，送入分布式控制系统DCS；

(2)接口计算机通过网络把控制系统中的传感器测量参数和过程控制数据转发给SIS系统(监控信息系统)，存贮在实时数据库服务器中；

(3)SIS系统的计算服务器中运行的应用服务查询实时数据库中的传感器测量参数和过程控制数据，根据数学模型进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组总出力的分割计算，分别得到燃气透平的功率、压气机的耗功和蒸汽轮机的出力；

(4)进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算，然后把计算结果存贮在实时数据库；

(5)WEB服务器进行WEB服务，将传感器测量参数和过程控制数据，以及通过应用服务计算得到的计算结果，采用图形、曲线或列表形式进行发布，以便发电厂的运行控制人员通过网络浏览器及时掌握单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的运行状态。

以下对本发明技术方案作进一步讨论：

第一，为了获得压气机和燃气透平的相对内效率，必须知道压气机进行等熵压缩终了点和燃气透平进行等熵膨胀终了点的温度，而这两个状态点是假设的理想状态点，实际运行中并不存在，因而它们的温度自然不能通过传感器进行实际测量，而只能通过传感器测量压气机的进气温度和经过压气机压缩后的压力，根据等熵压缩或等熵膨胀过程温度与对数相对压力的关系通过计算求取。

第二，进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算的另一个难点在于燃气透平入口燃气温度t₃的确定。t₃是整个燃气轮机循环乃至联合循环中的温度最高点，代表了整个联合循环的的温度水平。随着t₃的升高，燃气轮机组和联合循环的效率也会随之升高，因此提高燃气透平入口温度t₃也是燃气轮机和联合循环的发展方向之一。由于t₃温度很高，一般的燃气轮机组不直接通过仪器对它进行测量。本发明通过测量其它较易测量的参数，对燃烧室列出物质平衡和能量平衡关系来计算t₃，也就是说对燃烧室列出物质平衡方程和能量平衡方程，通过求解计算得到燃气透平进口的燃气焓h₃，然后根据燃气的热力性质与温度的关系计算得到燃气透平入口温度t₃。

第三，获得了压气机、燃烧室和燃气透平的参数和性能以后，再通过热力计算，计算得到燃气透平的出力和压气机的耗功，进一步得到燃气轮机的出力以及燃气轮机组整体的效率等性能参数。

第四，通过测量传感器测量相应的热力参数，对余热锅炉列出物质平衡方程和能量平衡方程，可以得到余热锅炉的正平衡效率和反平衡效率。

第五，汽轮机排汽焓的确定。因为汽轮机低压缸的排汽已经是湿蒸汽，排汽焓不能单独由压力与温度来确定，必须考虑湿度的影响，而在线测量湿蒸汽湿度目前尚有一定困难，而且精度也不高。为了较准确地确定汽轮机低压缸排汽的比焓采用过程线按趋势外延假定状态点的方法。即根据已知的过热抽汽状态点作出做功膨胀线曲线，然后将此曲线按趋势外推到湿蒸汽区，得出处于湿蒸汽区的排汽焓。

第六，通过测量传感器测量相应的热力参数，分析汽轮机高压缸、中压缸和低压缸中蒸汽的热力膨胀过程，计算出理想的等熵膨胀和实际的膨胀过程的焓降，得到汽轮机高压缸、中压缸和低压缸的焓降效率。

第七，通过测量传感器测量相应的热力参数，对汽轮机高压缸、中压缸和低压缸列出物质平衡方程和能量平衡方程，可以计算得到汽轮机的出力。

第八，为了从整体上掌握联合循环机组的性能，就需要计算联合循环机组整体的热效率、热耗率和气耗率，这些机组的整体性能指标是衡量整套机组能量利用程度和经济性的重要指标。通过测量传感器测量相应的热力参数，和以上已经获得的燃气轮机的出力、汽轮机的出力，可以计算出这些整体的性能指标。

此外，因为联合循环机组的出力受大气环境的影响很大，根据GE提供的资料，在冬季(大气温度4℃，大气压力102.2kPa，大气湿度75％)机组的基准负荷能够达到412MW，而到了夏季(大气温度28.5℃，大气压力100.0kPa，大气湿度79％)机组的基准负荷只能达到355MW，两者绝对差值达到57MW，相对差值达到13.8％。因此应该把实时计算得到的联合循环机组的关键参数进行大气温度、压力和湿度的修正，把它们修正到设计工况，得到修正后的性能指标，从而可以综合比较不同时期联合循环的机组性能和运行水平，提高机组的经济性。除了大气环境的影响之外，发电机频率、天然气低位发热量和总运行小时数都对联合循环机组的功率有影响，所以要分别对每个因素进行修正。

利用本发明方法可以实时掌握燃气透平和蒸汽轮机对机组总出力的贡献以及各关键部件的性能，以便根据机组的实际情况进行有效地调节和控制。

附图说明

图1为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的结构示意图。

图2为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组在线性能计算系统硬件系统结构示意图。

图3为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中的燃气轮机工作热力循环T-s图。

图4为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中的余热锅炉性能计算模型示意图。

图5为水蒸汽在9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中的汽轮机缸内膨胀的热力过程h-s图。

具体实施方式

以下参考附图根据9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算系统和单轴机组的出力分割方法的实施例更具体地说明本发明。

在本实施例中，尽管说明的是在9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组中使用的在线性能计算和单轴机组的出力分割方法的例子，但是，这个系统和所使用的计算方法也可以应用到其它联合循环机组中。

参考图1，9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机和发电机组成，燃气轮机、汽轮机和发电机联结在一根轴上。其工作过程为新鲜空气经滤网过滤后，进入压缩机压缩升压，在燃烧室中与喷入的天然气混合，天然气燃烧放出大量的热量，使燃气的温度迅速升高，炽热的高温、高压的燃气进入燃气透平膨胀做功，燃气透平作出的功由轴输出，一方面，驱动压缩机工作，压缩新鲜空气；另一方面，剩余的功由轴输出到发电机，发出电能，燃气透平的排气通过排气管排出，完成燃气循环。

燃气透平的排气通过排气管排出后进入余热锅炉，把热量传递给进行蒸汽循环的工质水和水蒸汽，使它的温度提高，燃气放出热量温度降低后，由烟囱排出到大气中。

在余热锅炉中，进行蒸汽循环的工质水和水蒸汽吸热后，高温、高压的水蒸汽进入蒸汽轮机的高压缸，膨胀做功，高压缸的排汽重新回到余热锅炉，在余热锅炉中再热后，进入蒸汽轮机的中压缸，继续膨胀做功，中压缸的排汽会同余热锅炉的低压蒸汽，进入蒸汽轮机的低压缸，继续膨胀做功，低压缸的排汽进入凝汽器，重新凝结成凝结水，进行下一个蒸汽循环，汽轮机的高、中和低压缸中作出的功，通过轴传递给发电机，发出电能。

图2为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组在线性能计算系统硬件结构示意图。9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的运行参数由传感器测量，送入控制系统，发电过程由控制系统控制，具体地燃气轮机、汽轮机由MARK VI控制系统控制，余热锅炉由OVATION控制系统控制。接口计算机通过网络把DCS中的传感器测量参数和过程控制数据转发给SIS系统，存贮在实时数据库服务器中。SIS系统的计算服务器中运行的应用服务查询实时数据库中的传感器测量参数和过程控制数据，根据数学模型进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组总出力的分割计算，分别得到燃气透平的功率、压气机的耗功和蒸汽轮机的出力；在此基础上，进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算，然后把计算结果存贮在实时数据库中。WEB服务器进行WEB服务，将传感器测量参数和过程控制数据，以及通过应用服务计算得到的计算结果，采用图形、曲线、列表等形式进行发布，以便发电厂的运行控制人员及时掌握9FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的运行状态。

图3为燃气轮机工作的热力循环T-s图。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平组成。空气首先压气机中被压缩到一定的压力后送入燃烧室，在燃烧室中与喷射进来的天然气进行混合燃烧，燃烧后产生的燃气进入燃气透平，把其带有的热能部分转换为转子的动能，从而输出机械功。1-2s-3-4s为燃气轮机在理想情况下的由四个可逆过程组成的理想循环，其中1-2s的热力过程为在压气机中的等熵压缩过程，2s-3的热力过程为在燃烧室中的等压燃烧加热过程，3-4s的热力过程为在燃气透平中的等熵膨胀过程，4s-1的热力过程为在余热锅炉中的等压放热过程；1-2-3-4为燃气轮机在实际情况下的考虑到不可逆性后的实际循环，其中1-2的热力过程为在压气机中的实际压缩过程，2-3的热力过程为在燃烧室中的燃烧加热过程，3-4的热力过程为在燃气透平中的实际膨胀过程，4-1的热力过程为在余热锅炉中的放热过程。

为了求得压气机的压缩效率和燃气透平的效率，必须知道2s点和4s点的温度，而这两点的温度是不可能通过实际传感器进行测量的，只能根据等熵过程温度与对数相对压力的关系求取。首先根据t₁通过燃气热力性质计算得到1点的对数相对压力lnπ₁，再根据公式

$\ln {\mathrm{\π}}_{2s}=\ln {\mathrm{\π}}_1+\ln \frac{p_2}{p_1}$

得到2s点对数相对压力lnπ_2s以后，再通过燃气热力性质计算得到t_2s。4s点温度的计算方法与此类似。

燃气轮机组中的压气机、燃烧室和燃气透平的性能计算既相互联系，但又具有独立性。表1详细列出了燃气轮机组中的压气机的性能计算的方法。

表1压气机性能计算方法

进行单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算的另一个难点在于燃气透平入口燃气温度t₃的确定。t₃是整个燃气轮机循环乃至联合循环中的温度最高点，代表了整个联合循环的的温度水平。随着t₃的升高，燃气轮机组和联合循环的效率也随之升高，因此提高燃气透平入口温度t₃也是燃气轮机和联合循环的发展方向之一。由于t₃温度很高，一般的燃气轮机组不直接通过仪器对它进行测量。本发明通过燃烧室的物质平衡和能量平衡关系来计算t₃，通过对燃烧室列出物质平衡方程和能量平衡方程，便可以得到燃气透平进口的燃气焓h₃，然后根据燃气的热力性质与温度的关系得到燃气透平入口温度t₃。

燃烧室的物质平衡和能量平衡联合方程为

GM_air·h₂+GM_fuel·Q_l·η_cb＝(GM_air+GM_fuel)·h₃

式中：

GM_air     -    燃烧室的空气摩尔流量

h₂        -    压气机出口空气焓

GM_fuel    -    燃烧室的燃料摩尔流量

Q_l        -    燃料的低位发热量

η_cb      -    燃烧室的燃烧效率

h₃        -    燃气透平进口燃气焓

在确定了GM_air、h₂、GM_fuel、Q_l和根据制造厂提供的资料假设η_cb后，通过以上公式便可以得到燃气透平进口燃气焓h₃，然后就可以根据燃气的热力性质与温度的关系得到燃气透平入口温度t₃。

表2详细列出了燃烧室的性能计算的方法。

表2燃烧室性能计算方法

根据燃气透平进口温度t₃和等熵过程中温度与对数相对压力的关系来求取燃气透平理论出口温度t_4s，从而计算燃气透平的效率，表3详细列出了燃气透平性能的计算的方法。

表3燃气透平性能计算方法

得到压气机、燃烧室和燃气透平的参数和性能以后，就可以计算燃气轮机组整体的功率、效率等性能参数。因为是单轴布置的燃气-蒸汽联合循环机组，燃气轮机和蒸汽轮机各自的功率不能直接用传感器测量，因此本发明通过燃气透平的出力和压气机的耗功推算出了燃气轮机组的功率。

表4详细列出了燃气轮机组性能计算方法。

表4燃气轮机组性能计算方法

图4为余热锅炉性能计算模型示意图。把余热锅炉看成一个整体进行建模和计算。联合循环机组采用的是三压余热锅炉，余热锅炉同时产生高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸汽，高压蒸汽进入汽轮机的高压缸做功，汽轮机高压缸出口的蒸汽进入余热锅炉再热器再热，再热后与中压蒸汽一起进入汽轮机的中压缸做功，中压缸的排汽和低压蒸汽进入汽轮机的低压缸做功。对余热锅炉列出物质平衡方程和能量平衡方程，可以得到以下关系：

G_gash_gasIn＝G_bhp(h_bhp-h_fw)+G_brh(h_brhOut-h_brhIn)+G_bip(h_bip-h_fw)

               +G_blp(h_blp-h_fw)+G_fhw(h_fhw-h_fw)+G_gash_gasOut

式中：

G_gas    -    余热锅炉烟气流量

             余热锅炉进口烟气

h_gasIn  -

             焓

             余热锅炉出口烟气

h_gasOut -

             焓

G_bhp    -    高压蒸汽流量

h_bhp    -    高压蒸汽焓

h_fw      -    给水焓

G_brh     -    再热蒸汽流量

h_brhIn   -    再热器进口蒸汽焓

h_brhOut  -    再热器出口蒸汽焓

G_bip     -    中压蒸汽流量

h_bip     -    中压蒸汽焓

G_blp     -    低压蒸汽流量

h_blp     -    低压蒸汽焓

              天然气加热蒸汽流

G_fhw     -

              量

h_fhw     -    天然气加热蒸汽焓

然后进一步计算可以得到锅炉的正效率和反效率。

图5为水蒸汽在汽轮机缸内膨胀的热力过程h-s图。蒸汽在汽轮机高、中和低压缸膨胀作功的热力过程线为从如错误！未找到引用源。5所示的1点膨胀做功到2点，2_S点为假设的等熵膨胀过程终点。根据水和水蒸汽的热力性质可以知道，对于任意一点，只要知道它的两个热力参数，就能得到其他的参数，因此根据1点的温度和压力计算得到1点的比熵。又因为2_S点的比熵与1相同，再根据2_S点的比熵和P₂查取2_S点的比焓。得到点1、2和2_S的比焓之后就能计算汽轮机高、中和低压缸各个缸的相对内效率。

$\mathrm{\η}=\frac{h_1-h_2}{h_1-h_{2s}}$

式中：

η    -    汽轮机高(中、低)压缸效率

h₁    -    汽轮机高(中、低)压缸进口蒸汽比焓

h₂    -    汽轮机高(中、低)压缸出口蒸汽比焓

h_2s   -    汽轮机高(中、低)压缸理想出口蒸汽比焓

进一步对汽轮机高压缸、中压缸和低压缸列出物质平衡方程和能量平衡方程，可以计算得到汽轮机的出力。

通过9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算系统的计算分析，得到包括压气机、燃烧室和燃气透平在内的燃气轮机性能。性能指标包括：压气机的压缩效率、压气机的耗功、压气机压缩终了的压力、温度、理想的压气机压缩终了的温度、燃气透平前燃气温度、燃气透平的效率、燃气透平发出的功率、燃气透平排气的压力、温度、理想的燃气透平排气的温度等。表5为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下在线性能计算系统计算得到的燃气轮机性能指标。

表59FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下燃气轮机性能指标

性能指标名称	单位	值
			压气机的压缩效率	％	86.48
压气机的耗功	MW	249.39
			压气机压缩终了的压力	kPa	1510.00
压气机压缩终了的温度	℃	393.95
			理想的压气机压缩终了的温度	℃	344.24
燃气透平前燃气温度	℃	1241.70
			燃气透平的效率	％	90.02
燃气透平发出的功率	MW	512.86
			燃气透平排气的压力	kPa	104.71
燃气透平排气的温度	℃	604.80
			理想的燃气透平排气的温度	℃	529.77
燃气轮机组的功率	MW	263.47
			燃气轮机组的热效率	％	38.36
燃气轮机组的热耗率	kJ/kWh	9385.21
			燃气轮机组的气耗率	m3/kWh	0.26924

通过9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算系统的计算分析，得到余热锅炉正平衡效率和反平衡效率。表6为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下在线性能计算系统计算得到的余热锅炉性能指标。

表69FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下余热锅炉性能指标

性能指标名称	单位	值
			余热锅炉正平衡效率	％	90.449
余热锅炉反平衡效率	％	89.026

通过9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算系统的计算分析，得到汽轮机高压缸效率、中压缸效率和低压缸效率，以及汽轮机发出的功率。表7为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下在线性能计算系统计算得到的蒸汽轮机性能指标。

表79FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在某一工况下蒸汽轮机性能指标

性能指标名称	单位	值
			汽轮机高压缸效率	％	85.184
汽轮机中压缸效率	％	90.426
			汽轮机低压缸效率	％	91.300
汽轮机发出的功率	MW	139.818

通过9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组在线性能计算系统的计算分析，得到燃气-蒸汽联合循环机组整体性能。性能指标包括：燃气-蒸汽联合循环机组整体的热耗率、燃气-蒸汽联合循环机组整体的理论计算功率、燃气-蒸汽联合循环机组整体的热效率、燃气-蒸汽联合循环机组整体的气耗率、燃气-蒸汽联合循环机组整体的修正功率、燃气-蒸汽联合循环机组整体的修正热耗率。表8为9FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组某一工况下在线性能计算系统计算得到的燃气-蒸汽联合循环机组整体性能指标。

表89FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组某一工况下燃气-蒸汽联合循环机组整体性能指标。

性能指标名称	单位	值
			燃气-蒸汽联合循环机组整体的热耗率	kJ/kWh	6267.27
燃气-蒸汽联合循环机组整体的理论计算功率	MW	403.292

性能指标名称	单位	值
			燃气-蒸汽联合循环机组整体的热效率	％	57.441
燃气-蒸汽联合循环机组整体的气耗率	m3/kWh	0.17977
			燃气-蒸汽联合循环机组整体的修正功率	MW	389.137
燃气-蒸汽联合循环机组整体的修正热耗率	kJ/kWh	6268.52

Claims (7)

1.一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割方法，所述的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组包括：

燃气轮机，所述的燃气轮机带有压气机、燃烧室、与压气机同轴的燃气透平；

用于回收利用燃气轮机排气余热的余热锅炉；

与燃气轮机的压气机、燃气透平同轴的汽轮机；

与燃气轮机的压气机、燃气透平和汽轮机同轴的，并在此轴驱动下发电的发电机；

其特征在于，所述的出力分割计算方法包括如下步骤：

(a)建立压气机、燃烧室和燃气透平的数学模型；

(b)获取发电机组的实时生产中的步骤(a)中的参数；

(c)根据步骤(a)和(b)的结果计算得出燃气透平的功率和压气机的耗功；

(d)从燃气透平发出功率中扣除压气机的耗功，得到燃气轮机的出力；

(e)对余热锅炉列出物质平衡方程和能量平衡方程；

(f)建立蒸汽轮机的数学模型，对余热锅炉列出热平衡方程，通过蒸汽轮机的数学模型，计算蒸汽轮机的出力。

2.如权利要求1所述的分割方法，其特征在于，步骤(a)中压气机的数学模型包括以下几部分：

进口滤网压损Δp_InletFilter＝(p_air-p₁)/p_air

p_air为大气压力；

p₁为压气机进口压力；

压气机压比ε_cp＝p₂/p₁

p₂为压气机出口压力；

p₁为压气机进口压力。

压气机等熵效率η_cp＝(h_2s-h₁)/(h₂-h₁)

h_2s为压气机理论出口焓；

h₁为压气机进口焓；

h₂为压气机出口焓；

压气机耗功w_cp＝1000×GM_air×(h₂-h₁)/3600

GM_air为空气摩尔流量；

h₁为压气机进口焓；

h₂为压气机出口焓。

3.如权利要求1所述的分割方法，其特征在于，步骤(a)中燃烧室的数学模型为：

GM_air·h₂+GM_fuel·Q₁·η_cb＝(GM_air+GM_fuel)·h₃

式中：

GM_air为燃烧室的空气摩尔流量；

h₂为压气机出口空气焓；

GM_fuel为燃烧室的燃料摩尔流量；

Q₁为燃料的低位发热量；

η_cb为燃烧室的燃烧效率；

h₃为燃气透平进口燃气焓。

4.如权利要求1所述的分割方法，其特征在于，步骤(a)中燃气透平的数学模型包括以下几部分：

燃气透平压比ε_gt＝p₃/p₄

p₃为燃气透平进口压力；

p₄为燃气透平出口压力。

燃气透平相对内效率η_gt＝(h₃-h₄)/(h₃-h_4s)

h₃为燃气透平进口焓；

h₄为燃气透平出口焓；

h_4s为燃气透平理论出口焓；

燃气透平功率w_gt＝1000×(GM_air+GM_fuel)×(h₃-h₄)/3600

GM_air为燃烧室的空气摩尔流量；

GM_fuel为燃烧室的燃料摩尔流量；

h₃为燃气透平进口焓；

h₄为燃气透平出口焓。

5.如权利要求1所述的分割方法，其特征在于，步骤(e)中余热锅炉的物质平衡方程和能量平衡方程为：

G_gash_gasIn＝G_bhp(h_bhp-h_fw)+G_brh(h_brhOut-h_brhIn)+G_bip(h_bip-h_fw)+G_blp(h_blp-h_fw)+G_fhw(h_fhw-h_fw)+G_gash_gasOut

式中：

G_gas为余热锅炉烟气流量；

h_gasIn为余热锅炉进口烟气焓；

h_gasOut为余热锅炉出口烟气焓；

G_bhp为高压蒸汽流量；

h_bhp为高压蒸汽焓；

h_fw为给水焓；

G_brh为再热蒸汽流量；

h_brhIn为再热器进口蒸汽焓；

h_brhOut为再热器出口蒸汽焓；

G_bip为中压蒸汽流量；

h_bip为中压蒸汽焓；

G_blp为低压蒸汽流量；

h_blp为低压蒸汽焓；

G_fhw为天然气加热蒸汽流量；

h_fhw为天然气加热蒸汽焓；

然后计算得到余热锅炉的正平衡效率和反平衡效率；

余热锅炉的正平衡效率：η_boilerPos＝Q_s×G_gas/h_gasIn

Q_s为锅炉的吸热量；

G_gas为余热锅炉烟气流量；

h_gasIn为余热锅炉进口烟气焓；

余热锅炉的反平衡效率：η_boilerRev＝1-h_gasOut/h_gasIn

h_gasOut为余热锅炉出口烟气焓。

6.如权利要求1所述的分割方法，其特征在于，步骤(f)中蒸汽轮机的数学模型包括以下几部分：

蒸汽轮机高、中或低压缸的相对内效率：

$\mathrm{\η}=\frac{h_1-h_2}{h_1-h_{2s}}$

式中：

η为汽轮机高、中或低压缸效率；

h₁为汽轮机高、中或低压缸进口蒸汽焓；

h₂为汽轮机高、中或低压缸出口蒸汽焓；

h_2s为汽轮机高、中或低压缸理论出口蒸汽焓；

蒸汽轮机的功率 $W_{\mathrm{st}}=$

$[G_{\mathrm{bhp}}\×(h_{\mathrm{bhp}}-h_{\mathrm{sthOut}})+G_{\mathrm{brh}}\×(h_{\mathrm{brhOut}}-h_{\mathrm{stipOut}})+(G_{\mathrm{brh}}+G_{\mathrm{blp}})\×(h_{\mathrm{stlpIn}}-h_{\mathrm{stipOut}})]\×\frac{1000}{3600}$

式中：G_bhp为高压蒸汽流量；

h_bhp为高压蒸汽焓；

h_sthpOut为高压缸出口蒸汽焓；

G_brh为再热蒸汽流量；

h_brhOut为再热器出口蒸汽焓；

h_stipOut为中压缸出口蒸汽焓；

G_blp为低压蒸汽流量；

h_stlpIn为低压缸进口蒸汽焓；

h_stlpOut为低压缸出口蒸汽焓。

7.一种单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组总出力的分割系统，所述的单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组包括：

燃气轮机，所述的燃气轮机带有压气机、燃烧室、与压气机同轴的燃气透平；

用于回收利用燃气轮机排气余热的余热锅炉；

与燃气轮机的压气机、燃气透平同轴的汽轮机；

与燃气轮机的压气机、燃气透平和汽轮机同轴的，并在此轴驱动下发电的发电机；

其特征在于，所述的分割系统包括：

单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组的分布式控制系统DCS，通过测量传感器用于测量各设备的运行参数；

与分布式控制系统DCS相连的接口机，用于转发测量得到的运行参数；

实时数据库服务器，用于存储测量得到的运行参数和在线性能计算结果；

计算服务器，用于运行应用服务进行性能计算；

WEB服务器，用于提供WEB服务，将运行参数和性能计算结果进行发布。

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