CN106682322A - 单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法：首先基于工程热力学原理，利用电厂在线监测的数据分别计算对应不同环境工况下的压气机耗功以及燃气透平输出功，进而计算出燃气轮机功率；其次利用thermoflex仿真计算软件仿真计算不同环境工况下的燃气轮机耗功机燃气透平输出功及燃气轮机功率；第三步，将仿真计算结果与热力学原理计算出的结果进行对比，得出压气机耗功和燃气透平输出功的修正曲线。最后利用实际监测的运行数据，结合压气机耗功修正曲线和燃气透平输出功的修正曲线，通过迭代计算燃气轮机的功率。通过本发明可以方便快捷而且准确的计算燃气轮机功率，进而提高燃气‑蒸汽联合循环发电机组的经济性。

Description

单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机功率剥离的计算方法，特别是单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法。

背景技术

目前，燃气-蒸汽联合循环发电技术在我国发电领域的应用越来越广泛，尤其是在东部沿海等发达地区，通过三次“打捆招标”以及后续项目的建设，燃气-蒸汽联合循环发电机组装机容量逐步增多。随着燃机轮机装机容量的增加，燃气轮机发电机组运行稳定性得到保证的前提下，最大程度的提高燃气-蒸汽联合循环机组的经济性，是目前燃气发电企业的重要目标。

提高燃气-蒸汽联合循环发电机组的经济性的最重要的一步就是实现对燃气-蒸汽联合循环发电机组的性能指标的计算和监测。除了要分析厂用电率、供(发)电气耗以外，还要对燃气轮机、蒸汽轮机的性能指进行的计算和分析，但是这要建立在燃气轮机功率和蒸汽轮机功率明确的基础上。对于单轴燃气-蒸汽联合循环来说，压气机、燃气透平、蒸汽轮机同在一根轴上，燃气轮机和蒸汽轮机共同拖动一台发电机，测量出来的输出功率只有整个燃气-蒸汽联合循环的功率，无法得知燃气轮机功率、蒸汽轮机的功率，这样就无法单独对燃气轮机、蒸汽轮机的性能进行分析和计算，这样不利于运行人员监测和掌握燃气-蒸汽联合循环各个部件的性能。因此，研究开发符合单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组实际情况的燃气轮机功率计算方法具有重要的现实意义。

燃气轮机功率主要是通过运行参数计算压气机的耗功率、燃气透平的输出功率进行计算，但是由于燃气轮机中基本依靠进口，国内掌握的技术资料有限，因压气机抽气及燃气透平及燃烧室冷却空气的存在而使得压气机耗功及燃气透平输出功很难计算准确，造成燃气轮机功率无法准确计算。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是对于单轴燃气-蒸汽联合循环来说，压气机、燃气透平、蒸汽轮机同在一根轴上，燃气轮机和蒸汽轮机共同拖动一台发电机，测量出来的输出功率只有整个燃气-蒸汽联合循环的功率，无法得知燃气轮机功率、蒸汽轮机的功率，这样就无法单独对燃气轮机、蒸汽轮机的性能进行分析和计算。本发明提出了单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法。

首先，基于工程热力学原理，利用电厂可在线监测的数据分别计算对应不同环境工况下的压气机耗功以及燃气透平输出功，进而计算出燃气轮机功率；其次，利用thermoflex仿真计算软件仿真计算不同环境工况下的燃气轮机耗功机燃气透平输出功及燃气轮机功率；第三步，将仿真计算结果与热力学原理计算出的结果进行对比，得出压气机耗功和燃气透平输出功的修正曲线，该修正曲线涵盖燃气轮机不同负荷率、不同环境温度下的运行工况。最后，利用实际监测的运行数据，结合压气机耗功修正曲线和燃气透平输出功的修正曲线，通过迭代计算燃气轮机功率，本发明内容整体结构如图2所示。

本发明包括如下步骤：

S1：根据热力学原理，计算对应不同环境工况下的压气机耗功率以及燃气透平输出功率，并计算出燃气轮机功率和蒸汽轮机功率W_st-js；

S2：利用仿真计算软件仿真计算不同环境工况下的压气机耗功率和燃气透平输出功率；

S3：将S2中仿真计算压气机耗功率、燃气透平输出功率与S1热力学原理计算出的压气机耗功率、燃气透平输出功率分别进行对比，得出压气机耗功率和燃气透平输出功率的修正曲线；

S4：利用实际监测的运行数据，结合压气机耗功率修正曲线和燃气透平输出功率的修正曲线，计算燃气轮机功率和蒸汽轮机功率W_stx。

进一步的，所述步骤S1中：

(1)燃气轮机功率

W_gt-js＝(W_t-js-W_c-js)η_m

式中：W_gt——燃气轮机功率，kW；

W_t-js——燃气透平输出功率，kW；

W_c-js——压气机耗功率，kW；

η_m——机械效率，％；

(2)压气机耗功率

W_c-js＝G_aw_c-js

式中：G_a——压气机进口空气流量，kg/s；

w_c-js——压缩1kg空气所耗用的比功，kW/kg；

压气机压缩比功：

式中：——空气平均定压比热容，kJ/kg·K；

T₁——压气机进口空气温度，K；

π_c——压气机压缩比；

k_c——压气机等熵压缩系数；

η_c——压气机等熵压缩效率；

式中：T₂——压气机排气温度，K；

(3)燃气透平输出功率

W_t-js＝G_gw_t-js

式中：G_g——燃气透平排气流量，kg/s；

w_t-js——燃气透平输出比功，kW/kg。

式中：——烟气平均定压比热容，kJ/kg·K；

T₃——燃气透平进口燃气温度，K；

π_t——燃气透平膨胀比；

k_t——燃气透平膨胀系数；

η_t——燃气透平等熵膨胀效率；

式中：T₄——燃气透平排气温度，K；

(4)蒸汽轮机功率

W_st-js＝W_cc-W_gt-js

式中：W_st-js——联合循环蒸汽轮机功率，MW；

W_cc——联合循环总输出功率，工程实际测量值，MW。

燃气轮机的工作原理为：空气经过压气机压缩后进入燃烧室，与喷入的天然气混合后燃烧产生的高温、高压燃气，高温高压燃气进入燃气透平膨胀做功，压气机耗功由燃气透平带动，燃气轮机对外做功为燃气透平输出功扣除压气机耗功之后的功量，因此计算燃气轮机功率就是要分别计算压气机耗功及燃气透平的输出功。

进一步的，所述步骤S2中，仿真在不同环境温度下、不同燃气轮机负荷率下的燃气轮机运行特性，得出不同工况下的压气机耗功率W_c-tf和燃气透平输出功率W_t-tf。

由于燃烧室燃烧后的燃气温度很高，燃气透平的动静叶需要大量的冷却空气冷却才能忍受如此高温度的燃气。现有的燃气轮机中，通过从压气机中的第9级、13级和16级出抽出空气来对燃气透平的动静叶部分进行冷却。由于国外技术保密的限制，这部分抽气的准确参数很难得到，目前国内有些研究还是通过热力学原理进行估算，但是准确度很难保证。为了消除这部分冷却空气对压气机耗功和燃气透平输出功计算的影响，本发明采用汇集不同厂家、不同燃机型号详细参数的thermoflex仿真计算软件进行仿真计算出压气机耗功和燃气透平输出功，并对热力学计算模型进行修正，燃气轮机仿真计算模型如图3所示。

根据机理分析，影响燃气轮机运行特性的主要因素为燃气轮机负荷、环境因素，而环境因素中的大气压力和空气相对湿度对燃气轮机的影响很小，几乎可以忽略不计。因此本发明在仿真计算过程中主要仿真在不同环境温度下、不同燃气轮机负荷率下的燃气轮机运行特性，得出不同工况下的压气机耗功和燃气透平输出功。

进一步的，所述步骤S3中：

(1)压气机耗功率修正系数

式中：——为燃气轮机压气机耗功率修正系数；

W_c-tf——thermoflex仿真计算的压气机耗功率，MW；

W_c-js——热力学原理计算的压气机耗功率，MW；

(2)燃气透平输出功率修正系数

式中：——燃气轮机燃气透平输出功率修正系数；

W_t-tf——thermoflex仿真计算的燃气透平输出功率，MW；

W_t-js——热力学原理计算的燃气透平输出功率，MW；

影响燃气轮机运行特性的外界因素主要有燃气轮机负荷率以及环境温度，因此压气机耗功率修正系数和燃气透平输出功率修正系数是燃气轮机负荷率及环境温度的函数：

式中：N_gt——为燃气轮机的负荷率；

T_a——环境温度，℃。

进一步的，所述步骤S4中：

压气机耗功率可表示为：

式中：W_cx——引入修正系数后计算的压气机耗功率，MW；

燃气透平输出功率可以表示为：

式中：W_tx——引入修正系数计算的燃气透平输出功率，MW；

燃气轮机功率为：

W_gtx＝(W_tx-W_cx)η_m

式中：W_gtx——为引入修正系数后计算的燃气轮机功率，MW；

蒸汽轮机功率为：

W_stx＝W_cc-W_gtx

式中：W_cc——联合循环总输出功率，工程实际测量值，MW。

Thermoflex仿真计算的压气机耗功和燃气透平输出功是考虑压气机抽气和燃气透平冷却空气的计算结果，将thermoflex计算结果与热力学计算模型计算的结果进行对比，得出压气机耗功的修正系数及燃气透平输出功的修正系数。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、通过本发明能方便的计算出燃气轮机的功率，实现对燃气-蒸汽联合循环发电机组的性能指标的计算和监测；

2、本发明计算结果准确率高。

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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单轴燃气-蒸汽联合循环热系统示意图。

图2为本发明内容整体结构。

图3为燃气透平thermoflex仿真计算模型。

图4为燃气透平输出功修正曲线图。

图5为压气机耗功修正曲线图。

图6为燃气轮机功率计算流程图。

图7为环境温度为17.4℃时，压气机耗功和燃气透平输功的修正系数。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本专利：

在机组实际运行过程中，在DCS系统中可以监测到压气机和燃气透平等的运行参数，利用这些运行参数以及拟合的修正系数，实现对燃气轮机功率的计算，计算流程图如图6所示。

以燃气轮机性能保证工况为基准，通过thermoflex平台，分别计算燃气轮机100％负荷工况，90％负荷工况，80％负荷工况，70％负荷工况，60％负荷工况，50％负荷工况下燃气轮机的参数，如表1所示，拟合的修正曲线如图7所示。

表1环境温度为17.4℃，燃气轮机运行参数

以燃机75％负荷下的燃气轮机的运行参数为例进行计算，运行参数如下表2所示：

表2某工况下燃气轮机功率计算

可以看出，本专利提供的方法计算的燃气轮机功率与燃气轮机实际功率偏差只有0.05MW，计算精度很高。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据热力学原理，计算对应不同环境工况下的压气机耗功率W_c-js以及燃气透平输出功率W_t-js，并计算出燃气轮机功率W_gt-js和蒸汽轮机功率W_st-js；

S2：利用仿真计算软件仿真计算不同环境工况下的压气机耗功率W_c-tf和燃气透平输出功率W_t-tf；

S3：将S2中仿真计算压气机耗功率W_c-tf、燃气透平输出功率W_t-tf与S1热力学原理计算出的压气机耗功率W_c-js、燃气透平输出功率W_t-js分别进行对比，得出压气机耗功率和燃气透平输出功率的修正曲线；

S4：利用实际监测的运行数据，结合压气机耗功率修正曲线和燃气透平输出功率的修正曲线，计算燃气轮机功率W_gtx和蒸汽轮机功率W_stx。

2.根据权利要求1所述的单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中：

(1)燃气轮机功率

W_gt-js＝(W_t-js-W_c-js)η_m

式中：W_gt-js——燃气轮机功率，kW；

W_t-js——燃气透平输出功率，kW；

W_c-js——压气机耗功率，kW；

η_m——机械效率，％；

(2)压气机耗功率

W_c-js＝G_aw_c-js

式中：G_a——压气机进口空气流量，kg/s；

w_c-js——压缩1kg空气所耗用的比功，kW/kg；

压气机压缩比功：

$w_{c-js}=\stackrel{\‾}{C_{pa}}{T}_1\left({{\mathrm{\π}}_c}^{\frac{k_c-1}{k_c}}-1\right)/{\mathrm{\η}}_c$

式中：——空气平均定压比热容，kJ/kg·K；

T₁——压气机进口空气温度，K；

π_c——压气机压缩比；

k_c——压气机等熵压缩系数；

η_c——压气机等熵压缩效率；

${\mathrm{\η}}_c=\frac{{\mathrm{\π}}_c^{\frac{k_c-1}{k_c}}-1}{\frac{T_2}{T_1}-1}$

式中：T₂——压气机排气温度，K；

(3)燃气透平输出功率

W_t-js＝G_gw_t-js式中：G_g——燃气透平排气流量，kg/s；

w_t-js——燃气透平输出比功，kW/kg；

$w_{t-js}=\stackrel{\‾}{C_{pg}}{T}_3\left(1-{{\mathrm{\π}}_t}^{\frac{1-k_t}{k_t}}\right){\mathrm{\η}}_t$

式中：——烟气平均定压比热容，kJ/kg·K；

T₃——燃气透平进口燃气温度，K；

π_t——燃气透平膨胀比；

k_t——燃气透平膨胀系数；

η_t——燃气透平等熵膨胀效率；

${\mathrm{\η}}_t=\frac{1-T_4/T_3}{1-{\mathrm{\π}}_t^{1-k_t/k_t}}$

式中：T₄——燃气透平排气温度，K；

(4)蒸汽轮机功率

W_st-js＝W_cc-W_gt-js

式中：W_st-js——联合循环蒸汽轮机功率，MW；

W_cc——联合循环总输出功率，工程实际测量值，MW。

3.根据权利要求1所述的单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，仿真在不同环境温度下、不同燃气轮机负荷率下的燃气轮机运行特性，得出不同工况下的压气机耗功率W_c-tf和燃气透平输出功率W_t-tf。

4.根据权利要求1所述的单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中：

(1)压气机耗功率修正系数

式中：——为燃气轮机压气机耗功率修正系数；

W_c-tf——thermoflex仿真计算的压气机耗功率，MW；

W_c-js——热力学原理计算的压气机耗功率，MW；

(2)燃气透平输出功率修正系数

式中：——燃气轮机燃气透平输出功率修正系数；

W_t-tf——thermoflex仿真计算的燃气透平输出功率，MW；

W_t-js——热力学原理计算的燃气透平输出功率，MW；

影响燃气轮机运行特性的外界因素主要有燃气轮机负荷率以及环境温度，因此压气机耗功率修正系数和燃气透平输出功率修正系数是燃气轮机负荷率及环境温度的函数：

式中：N_gt——为燃气轮机的负荷率；

T_a——环境温度，℃。

5.根据权利要求1所述的单轴燃气蒸汽联合循环机组燃气轮机功率剥离的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中：

压气机耗功率可表示为：

式中：W_cx——引入修正系数后计算的压气机耗功率，MW；

燃气透平输出功率可以表示为：

式中：W_tx——引入修正系数计算的燃气透平输出功率，MW；

燃气轮机功率为：

W_gtx＝(W_tx-W_cx)η_m

式中：W_gtx——为引入修正系数后计算的燃气轮机功率，MW；

蒸汽轮机功率为：

W_stx＝W_cc-W_gtx

式中：W_cc——联合循环总输出功率，工程实际测量值，MW。