CN106682259B - 一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，包括以下步骤：获取联合联产机组中燃机的热力学参数和燃机的发电量；再利用求解方程，得到数据结果；再获取所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；根据燃机能量平衡关系式，得到燃机的能量损失值；根据天然气带入的热量值、燃机的排烟热量值和燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。本发明提供的方法，通过获取联合联产机组中燃机的相关热力学参数以及发电量，建立燃机的能量平衡关系式，最终测算出燃机的能量损失率。该测算方法准确、简单方便，解决目前还未有燃机能量损失率的测算方法，影响联合联产机组的热耗分摊及发电与供热分项指标的测算的问题。

Description

一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法

技术领域

本发明涉及软测量技术领域，特别涉及一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法。

背景技术

联合联产为燃气蒸汽联合循环热电联产的简称，是分布式能源系统中一种典型的系统形式，包含燃气轮机组的勃雷登循环和余热锅炉及热电联产汽轮机的朗肯循环两个部分。在勃雷登循环中，天然气与压缩空气在燃气轮机内燃烧并作功，除了驱动压气机耗功外还对外做功；在朗肯循环中，燃机排放的烟气在余热锅炉内换热产生蒸汽并在热电联产汽轮机内作功，同时汽轮机的抽汽或排汽用于供热。这种分布式能源系统既具备使用天然气清洁燃料的环保优势，又具有燃气蒸汽联合循环及热电联产过程中能量转换效率高的优点。因此，在燃机循环工作过程中，测算燃气蒸汽联合循环及热电联产过程中的能量转换量具有十分重大的意义，通过测算能量损失率来体现燃机的工作性能。

目前，对于蒸汽轮机的朗肯循环过程中，已有标准的能量平衡测算方法以及相关的效率测算方法，但是还未有联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，影响了联合联产机组的热耗分摊及发电与供热分项指标的测算，因此开发出联合联产机组中燃机的能量平衡与能量损失率的测算方法成为软测量技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，以解决目前还未有联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，影响联合联产机组的热耗分摊及发电与供热分项指标的测算的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，包括以下步骤：

S1、获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；其中，所述热力学参数包括输入燃机的天然气量、输入所述燃机的空气量、所述燃机的排烟温度和所述燃机的排烟量；

S2、根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果；其中所述数据结果包括天然气带入的热量值、输入空气带入的热量值、所述燃机的排烟焓值和所述燃机的排烟热量值；

S3、根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；

S4、根据所述燃机能量平衡关系式，得到所述燃机的能量损失值；

S5、根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。

优选地，所述步骤S2中，所述根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果的过程包括：

获取输入所述燃机中的天然气量，根据第一热量计算方程，得到所述天然气带入的热量值；

获取输入所述燃机中的空气量，根据第二热量计算方程组，得到所述输入空气带入的热量值；

获取所述燃机的排烟温度，根据排烟焓计算方程，得到所述燃机的排烟焓值；

获取所述燃机的排烟量，根据所述燃机的排烟焓计算方程和排烟热量计算方程，得到所述燃机的排烟热量值。

优选地，所述第一热量计算方程为：

BQ_ar＝B·Q_ar；

式中，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，B表示所述天然气量，Q_ar表示天然气的低位热值。

优选地，所述第二热量计算方程组为：

H_air＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)；

Q_air＝B_air·H_air；

式中，d表示空气含湿量，P表示环境气压，t表示环境温度，P_s表示水蒸气在温度t时对应的饱和压力，

表示环境相对湿度，H_air表示输入空气的焓值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，B_air表示输入所述燃机的空气量。

优选地，所述排烟焓计算方程为：

H_gas＝∑N_i(cυ)_iV_m/M；

式中，H_gas表示所述燃机的排烟焓值，N_i表示烟气中各成分i的物质的量，M表示排烟的摩尔质量，γ表示所述燃机的排烟温度，V_m表示气体的摩尔体积，(cυ)_i表示i成分在温度γ时的焓值。

优选地，所述排烟热量计算方程为：

Q_gas＝B_gas·H_gas；

式中，Q_gas表示所述燃机的排烟热量值，Q_ar表示所述天然气的低位热值，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值。

优选地，所述步骤S3中，所述燃机能量平衡关系式为：

BQ_ar+Q_air＝Q_gas+3600P_gt/η_mg+dQ_gas；

式中：BQ_ar表示所述天然气带入的热量，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，P_gt表示所述燃机的发电量，η_mg表示所述燃机内的机械效率与发电机效率的乘积。

优选地，所述步骤S4中，所述根据所述燃机能量平衡关系式，得到能量损失值包括：

利用所述燃机能量平衡关系式，对转换方程进行求解，得到所述能量损失值；其中，所述转换方程为：

dQ_gas＝BQ_ar+Q_air-Q_gas-3600P_gt/η_mg；

式中，dQ_gas表示所述燃机的能量损失值，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，P_gt表示所述燃机的发电量，η_mg表示所述燃机内的机械效率与发电机效率的乘积，d表示所述空气含湿量，Q_gas表示所述燃机的排烟热量值。

优选地，所述步骤S5中，所述根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率的过程包括：

利用所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，对所述能量损失率计算方程进行求解，得到燃机能量损失率；其中，所述能量损失率计算方程为：

式中，ζ_g表示所述燃机能量损失率，dQ_gas表示所述燃机的能量损失值，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供了一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，包括以下步骤：获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果；根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；根据所述燃机能量平衡关系式，得到所述燃机的能量损失值；根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。本发明提供的方法，通过获取联合联产机组中燃机的相关热力学参数以及发电量，建立燃机的能量平衡关系式，最终测算出燃机的能量损失率。该方法分别取用输入燃机的天然气量，天然气低位热值；输入燃机的空气量，环境气压、环境温度、环境相对湿度；燃机的排烟量、排烟温度和排烟各成分组成；燃气轮机组的发电量；通过计算得到输入空气带入的热量值、天然气带入的热量值、燃机的排烟焓值和排烟热量值。再根据上述数据建立燃机的能量平衡关系式，计算得出燃机的能量损失值，最终测算出燃机的能量损失率。本发明提供的方法简单方便，可准确测算出燃机的能量损失率，解决目前还未有联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，影响联合联产机组的热耗分摊及发电与供热分项指标的测算的问题，并为后续提出联合联产机组的热量分摊及发电与供热分项指标奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例示出的联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法的流程图；

图2为本发明实施例示出的联合联产机组中燃机的能量平衡图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，包括以下步骤：

S1、获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；

S2、根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果；

S3、根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；

S4、根据所述燃机能量平衡关系式，得到所述燃机的能量损失值；

S5、根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。

具体地，在步骤S1中，获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；其中，所述热力学参数包括输入燃机的天然气量、输入所述燃机的空气量、所述燃机的排烟温度和所述燃机的排烟量。

在燃气蒸汽联合循环热电联产的系统中，在燃气轮机中注入天然气后，燃气轮机才能正常工作；天然气进入到燃气轮机中时，会将自身的热量和外界的热量带入到燃气轮机中，而改变燃气轮机中的热量平衡，因此需首先计算出天然气燃料注入到燃气轮机过程中带入的热量值。

第一步，计算输入燃气轮机中天然气带入的热量BQ_ar。天然气燃料带入的热量值BQ_ar可由注入燃气轮机的天然气量B和天然气的低位热值Q_ar计算得出；在实际测算时，获取具体工况下的输入燃气轮机的天然气量B和天然气的低位热值Q_ar，二者相乘即可得到天然气燃料带入的热量BQ_ar，如下式所示：

BQ_ar＝B·Q_ar。

第二步，计算带入到燃气轮机的外界的热量，该外界的热量为空气自身的热量，因此要计算出输入空气带入的热量值Q_air。

获取该工况下输入燃气轮机的空气量B_air、环境的气压P、环境温度t和环境相对湿度

通过下式先计算出空气的含湿量d：

式中，P_s为水蒸气在温度t时对应的饱和压力。

再根据湿空气焓值计算公式，计算出输入空气的焓值H_air，湿空气焓值计算公式如下式所示：

H_air＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)；

最终，根据得到的输入空气的焓值H_air和在工况现场获取的输入燃气轮机的空气量B_air，通过计算得到输入空气带入的热量值Q_air。输入空气带入的热量值Q_air的计算公式参照下式：

Q_air＝B_air·H_air。

第三步，计算出燃气机组的排烟热量Q_gas；

燃气机组在工作过程中，不仅会产生热量，也会随着烟气的排出而释放热量，为了精准体现燃气轮机内的热量平衡，要测算出燃气轮机的排烟热量Q_gas。

在计算燃气轮机的排烟热量值Q_gas时，要先计算出燃气轮机的排烟焓值H_gas。燃气轮机的排烟焓值H_gas的计算公式参照下式：

H_gas＝∑N_i(cυ)_iV_m/M；

式中，H_gas表示排烟焓，值N_i表示烟气中各成分i的物质的量，M表示排烟的摩尔质量，γ表示燃机的排烟温度，(cυ)_i表示i成分在温度γ时的焓值，V_m表示气体的摩尔体积。

获取该工况下燃气轮机的排烟温度γ，排烟的摩尔质量M和各成分i(CO₂、H₂O、N₂和O₂)的物质的量N_i；再通过查询相关成分的焓温表，获取i成分在温度γ时的焓值(cυ)_i，气体的摩尔体积，此处，气体的摩尔体积V_m为理想气体的摩尔体积22.4L/mole；将获取到的各参数值带入到上式中，得到燃气轮机的排烟焓值H_gas。

再获取该工况下的燃气轮机的排烟量B_gas，根据下式，计算出燃气轮机的排烟热量值Q_gas。

Q_gas＝B_gas·H_gas；

第四步，获取该工况下燃气轮机的发电量P_gt，以备后序使用。

在步骤S3中，根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；

根据步骤S2中计算得到的数据结果：天然气燃料带入的热量值BQ_ar，输入空气带入的热量值Q_air，燃气轮机组的排烟热量值Q_gas和燃气轮机组的发电量P_gt，建立燃机能量平衡关系式，如下式所示：

BQ_ar+Q_air＝Q_gas+3600P_gt/η_mg+dQ_gas；

式中，dQ_gas表示燃气轮机的能量损失，η_mg表示燃气轮机发电机内机械效率与发电机效率的乘积，此处取为常数0.96。

在步骤S4中，根据所述燃机能量平衡关系式，得到燃机的能量损失值；

由燃机能量平衡关系式进行转换，得到计算燃气轮机的能量损失值dQ_gas的计算公式，如下式所示：

dQ_gas＝BQ_ar+Q_air-Q_gas-3600P_gt/η_mg；

代入由步骤S2计算得到的相关数据结果，得到燃气轮机的能量损失值dQ_gas。

在步骤S5中，根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。

燃气轮机的能量损失率ζ_g的计算公式如下式所示：

将上述各步骤中得到的相关数据结果，代入到上式中，通过计算即可得到燃机能量损失率ζ_g。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供了一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，包括以下步骤：获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果；根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；根据所述燃机能量平衡关系式，得到所述燃机的能量损失值；根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率。本发明提供的方法，通过获取联合联产机组中燃机的相关热力学参数以及发电量，建立燃机的能量平衡关系式，最终测算出燃机的能量损失率。该方法分别取用输入燃机的天然气量，天然气低位热值；输入燃机的空气量，环境气压、环境温度、环境相对湿度；燃机的排烟量、排烟温度和排烟各成分组成；燃气轮机组的发电量；通过计算得到输入空气带入的热量值、天然气带入的热量值、燃机的排烟焓值和排烟热量值。再根据上述数据建立燃机的能量平衡关系式，计算得出燃机的能量损失值，最终测算出燃机的能量损失率。本发明提供的方法简单方便，可准确测算出燃机的能量损失率，解决目前还未有联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，影响联合联产机组的热耗分摊及发电与供热分项指标的测算的问题，并为后续提出联合联产机组的热量分摊及发电与供热分项指标奠定了基础。

下面结合具体实施例来详细说明本发明的技术方案的有益效果。

以测算某厂S109FA型联合联产机组的能量损失率作为示例。

第一步，当燃气轮机发电的热平衡为100％负荷时，获取此工况条件下输入燃气轮机的天然气量B为50.7t/h，天然气的低位热值Q_ar为48686.3KJ/Kg，由此可计算得出，天然气燃料带入的热量BQ_ar＝2468.39541GJ/h。

第二步，再获取100％负荷下输入燃气轮机的空气量B_air为2328.3t/h，环境的气压P为101.35kPa，环境温度t为15℃，环境相对湿度

为60％。

先根据下式计算出空气含湿量d：

式中，水蒸气在温度为15℃时对应的饱和压力P为1.7068kPa。

再根据湿空气焓值计算公式，计算出输入空气的焓值H_air：

H_air＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)＝31.1KJ/Kg；

由以上计算结果，参照下式，计算出输入空气带入的热量值Q_air；

Q_air＝B_air·H_air＝72.41013GJ/h；

第三步，计算燃气轮机的排烟热量；

获取相关参数：在100％负荷的工况下，燃气轮机组的排烟温度θ为604.8℃，排烟的摩尔质量M为28.39g/mole，气体摩尔体积V_m取理想气体的摩尔体积22.4L/mole。各成分i的物质的量N_i，以及i成分在温度θ时的焓值(cυ)_i，分别为：

首先，根据上述数据，计算出燃气轮机的排烟焓值H_gas：

H_gas＝∑N_i(cυ)_iV_m/M＝656.4KJ/Kg；

再获取100％负荷的工况下，燃气轮机的排烟量B_gas为2383.7t/h；根据下式计算燃气轮机组的排烟热量Q_gas：

Q_gas＝B_gas·H_gas＝1564.66068GJ/h；

在100％负荷的工况条件下，燃气轮机组的发电量P_gt为255.52MW。燃气轮机发电机组内机械效率与发电机效率的乘积η_mg，取为常数0.96。

根据上述步骤中得到的天然气燃料带入的热量值BQ_ar＝2468.39541GJ/h，输入空气带入的热量值Q_air＝72.41013GJ/h，燃气轮机组的排烟热量值Q_gas＝1564.66068GJ/h和燃气轮机组的发电量P_gt＝255.52MW，建立燃机能量平衡关系式。

燃机能量平衡关系式如下：

BQ_ar+Q_air＝Q_gas+3600P_gt/η_mg+dQ_gas；

根据此式和上述步骤得到的相关数据结果，计算得到燃气轮机组的能量损失值dQ_gas；

燃气轮机组的能量损失值dQ_gas的计算过程如下：

dQ_gas＝BQ_ar+Q_air-Q_gas-3600P_gt/η_mg＝17.94486GJ/h；

最后，根据上述步骤得到的燃气轮机组的能量损失值dQ_gas、输入空气带入的热量值Q_air和天然气燃料带入的热量值BQ_ar，根据下式，得到燃气轮机的能量损失率ξg：

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种联合联产机组中燃机能量损失率的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取联合联产机组中燃机的热力学参数和所述燃机的发电量；其中，所述热力学参数包括输入燃机的天然气量、输入所述燃机的空气量、所述燃机的排烟温度和所述燃机的排烟量；

S2、根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果；其中所述数据结果包括天然气带入的热量值、输入空气带入的热量值、所述燃机的排烟焓值和所述燃机的排烟热量值；

S3、根据所述数据结果和所述燃机的发电量，建立燃机能量平衡关系式；

S4、根据所述燃机能量平衡关系式，得到所述燃机的能量损失值；

S5、根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率；其中，

所述步骤S2中，所述根据所述热力学参数，利用求解方程，得到数据结果的过程包括：

获取输入所述燃机中的天然气量，根据第一热量计算方程，得到所述天然气带入的热量值；

获取输入所述燃机中的空气量，根据第二热量计算方程组，得到所述输入空气带入的热量值；

获取所述燃机的排烟温度，根据排烟焓计算方程，得到所述燃机的排烟焓值；所述排烟焓计算方程为：H_gas＝∑N_i(cυ)_iV_m/M；式中，H_gas表示所述燃机的排烟焓值，N_i表示烟气中各成分i的物质的量，M表示排烟的摩尔质量，γ表示所述燃机的排烟温度，V_m表示气体的摩尔体积，(cυ)_i表示i成分在温度γ时的焓值；

获取所述燃机的排烟量，根据所述燃机的排烟焓计算方程和排烟热量计算方程，得到所述燃机的排烟热量值；

所述步骤S4中，所述根据所述燃机能量平衡关系式，得到能量损失值包括：

利用所述燃机能量平衡关系式，对转换方程进行求解，得到所述能量损失值；其中，所述转换方程为：

dQ_gas＝BQ_ar+Q_air-Q_gas-3600P_gt/η_mg；

式中，dQ_gas表示所述燃机的能量损失值，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，P_gt表示所述燃机的发电量，η_mg表示所述燃机内的机械效率与发电机效率的乘积，d表示所述空气含湿量，Q_gas表示所述燃机的排烟热量值；

所述步骤S5中，所述根据所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，得到燃机能量损失率的过程包括：

利用所述天然气带入的热量值、所述燃机的排烟热量值和所述燃机的能量损失值，对所述能量损失率计算方程进行求解，得到燃机能量损失率；其中，所述能量损失率计算方程为：

式中，ζ_g表示所述燃机能量损失率，dQ_gas表示所述燃机的能量损失值，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热量计算方程为：

BQ_ar＝B·Q_ar；

式中，BQ_ar表示所述天然气带入的热量值，B表示所述天然气量，Q_ar表示天然气的低位热值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二热量计算方程组为：

H_air＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)；

Q_air＝B_air·H_air；

式中，d表示空气含湿量，P表示环境气压，t表示环境温度，P_s表示水蒸气在温度t时对应的饱和压力，

表示环境相对湿度，H_air表示输入空气的焓值，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，B_air表示输入所述燃机的空气量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排烟热量计算方程为：

Q_gas＝B_gas·H_gas；

式中，Q_gas表示所述燃机的排烟热量值，B_gas表示燃气轮机的排烟量，H_gas表示燃气轮机的排烟焓值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述燃机能量平衡关系式为：

BQ_ar+Q_air＝Q_gas+3600P_gt/η_mg+dQ_gas；

式中：BQ_ar表示所述天然气带入的热量，Q_air表示所述输入空气带入的热量值，P_gt表示所述燃机的发电量，η_mg表示所述燃机内的机械效率与发电机效率的乘积，dQ_gas表示所述燃机的能量损失值。

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