CN106968796B - 一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法，用于确定回热可调的燃气轮机的最优型号和台套数，包括步骤：根据下游用户的实际用热情况，确定用户的所需余热特征参数根据燃气轮机的运行功率，确定每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i；绘制二维图，根据余热特征参数和每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i，在图中确定燃气轮机的最优型号；根据燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的余热供应随台套数n的变化曲线，结合下游用户的实际用热情况，绘制Q‑n二维图，在图中确定燃气轮机的最优台套数。与现有技术相比，本发明具有充分发挥回热系统的调节作用、燃气轮机的利用率高、节能率高、通用性强、选型效果好以及实用性强等优点。

Description

一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法

技术领域

本发明涉及分布式供能系统设计领域，尤其是涉及一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法。

背景技术

以天然气为一次能源的冷热电三联产系统是分布式供能系统的一种主要形式。它通过原动机(燃气轮机、内燃机等)发电，然后利用原动机排烟余热制冷供热，实现了能量的梯级利用，系统能源利用效率高、污染物排放低，有广阔的应用前景，是国家重点推广的能源利用技术。

但冷热电联产系统目前应用中的一个很大问题就是实际运行中设备利用小时数低、全年运行效率低于设计工况的效率。这主要是因为用户的冷/热负荷在每天的不同时间和每年的不同季节往往变化很大，设计时为满足用户的最大冷/热需求，通常都是按最大需求设计，造成运行时设备(尤其是原动机)低负荷运行或并列运行设备部分停运。

有回热的燃气轮机可以通过回热开度调节向下游提供的余热量，从而满足用户用热的变化，起到调峰的作用。但在系统方案的设计中，如何根据用户的用热变化需要，选择合适的有回热的燃气轮机，目前还没有通用的选型方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法，用于确定回热可调的燃气轮机的最优型号和台套数，所述方法包括下列步骤：

1)根据下游用户的实际用热情况，确定用户的所需余热特征参数

2)根据燃气轮机的特性参数，确定每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i；

3)绘制二维图，根据步骤1)得到的余热特征参数和步骤2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i，在图中确定燃气轮机的最优型号；

4)根据步骤3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的余热供应随台套数n的变化曲线，结合下游用户的实际用热情况，绘制Q-n二维图，在图中确定燃气轮机的最优台套数。

所述下游用户的实际用热情况包括最小用热功率Q_user-min和最大用热功率Q_user-max。

所述用户的所需余热特征参数具体为：

所述燃气轮机的余热供应特征参数θ_i具体为：

其中，Q_sup-min为当前型号的燃气轮机可提供的最小供热功率，Q_sup-max为当前型号的燃气轮机可提供的最大供热功率。

所述步骤3)具体为：

31)绘制二维图，并绘制出函数所对应的曲线A；

32)在步骤31)绘制出的二维图中，分别绘制步骤1)得到的所需余热特征参数对应的曲线B以及步骤2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i对应的曲线C_i，标记出曲线B与曲线C_i的所有交点；

33)通过曲线A对步骤32)得到的所有交点进行筛选，得到的最优交点所对应的燃气轮机的型号即为确定的燃气轮机的最优型号。

所述最优交点具体为：位于曲线A下方且距离曲线A最近的交点。

所述步骤4)具体为：

41)根据步骤3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的最大余热供应随台套数n的变化曲线D₁和最小余热供应随台套数的变化曲线D₂；

42)绘制Q-n二维图，其中Q为热量值，绘制下游用户的最大用热功率Q_user-max对应的曲线E₁和最小用热功率Q_user-min对应的曲线E₂；

43)根据步骤41)得到的曲线D₁和D₂，以及步骤42)得到的曲线E₁和E₂，确定符合要求的台套数n的最小值，即为燃气轮机的最优台套数。

所述符合要求的台套数n具体为同时满足曲线E₁和E₂在曲线D₁和D₂之间的台套数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的方法，可以在分布式用能系统设计时，根据用户负荷的变化，选择合适的有回热调节的燃气轮机，充分发挥回热系统的调节作用，从而使得在所有的季节所有的燃气轮机都可以满负荷运行，从而增加分布式供能系统的全年发电量，提高系统的全年相对节能率。

(2)通过绘图的方法对燃气轮机的数量和型号进行选取，比起通过数学公式进行复杂的运算，这种方法更为简单直观，且得到的结果既符合实际情况，又具有高度的准确性。

(3)先进行燃气轮机型号的选取，之后再对燃气轮机的数量进行限定，这样可以排除部分型号的燃气轮机无论数量为多少都无法满足要求的情况，避免了后续的无用操作，节省了工作时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为实施例中涉及到的二维图；

图3为实施例中涉及到的Q-n二维图，其中，(3a)为用户1的二维图，(3b)为用户2的二维图，(3c)为用户3的二维图；

图4为设有有回热燃气轮机的分布式供能系统的结构示意图；

其中，1为压气机，2为回热装置，3为燃烧室，4为旁路调节阀，5为燃气透平，6为余热利用装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法，用于确定回热可调的燃气轮机的最优型号和台套数，该方法包括下列步骤：

s1)根据下游用户的实际用热情况(包括最小用热功率Q_user-min和最大用热功率Q_user-max)，确定用户的所需余热特征参数具体为：

s2)根据燃气轮机的运行功率，确定每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i，具体为：

其中，Q_sup-min为当前型号的燃气轮机可提供的最小供热功率，Q_sup-max为当前型号的燃气轮机可提供的最大供热功率；

s3)绘制二维图，根据步骤1)得到的余热特征参数和步骤2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i，在图中确定燃气轮机的最优型号，具体为：

s31)绘制二维图，并绘制出函数所对应的曲线A；

s32)在步骤s31)绘制出的二维图中，分别绘制步骤s1)得到的所需余热特征参数对应的曲线B以及步骤s2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i对应的曲线C_i，标记出曲线B与曲线C_i的所有交点；

s33)通过曲线A对步骤s32)得到的所有交点进行筛选，得到的最优交点所对应的燃气轮机的型号即为确定的燃气轮机的最优型号，最优交点即为位于曲线A下方且距离曲线A最近的交点；

s4)根据步骤s3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的余热供应随台套数n的变化曲线，结合下游用户的实际用热情况，绘制Q-n二维图，在图中确定燃气轮机的最优台套数，具体为：

s41)根据步骤s3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的最大余热供应随台套数n的变化曲线D₁和最小余热供应随台套数的变化曲线D₂；

s42)绘制Q-n二维图，其中Q为热量值，绘制下游用户的最大用热功率Q_user-max对应的曲线E₁和最小用热功率Q_user-min对应的曲线E₂；

s43)根据步骤s41)得到的曲线D₁和D₂，以及步骤s42)得到的曲线E₁和E₂，确定符合要求的台套数n的最小值，即为燃气轮机的最优台套数，其中，符合要求的台套数n具体为同时满足曲线E₁和E₂在曲线D₁和D₂之间的台套数。

如图4所示为设有有回热燃气轮机的分布式供能系统的结构示意图，该系统以有回热的燃气轮机为原动机的冷热电联产系统，具体工作流程为：空气进入压气机1升压后进入回热装置2进一步升温，然后进入燃烧室3与天然气混合燃烧后成为高温燃气进入燃气透平5膨胀做功，燃气透平5的输出功一部分输入压气机1给空气升压，另一部分带动发电机发电。燃气透平5的排烟送入回热装置2加热送入燃烧室3的空气，通过旁路调节阀4可以调节回热装置回收的烟气热量。从回热装置2出来的烟气与通过旁路调节阀4的烟气回合后，送入余热利用装置6(烟气型溴冷机)，夏季烟气制冷模式向用户提供冷水，冬季烟气制热模式向用户提供采暖热水。

利用上述方法对该分布式功能系统进行计算验证：

A、已知条件

(1)用户参数

表1给出了三个不同用户在三个典型季节(夏季、冬季和过渡季节)日均用热值，该用热值是根据用户终端的冷热负荷需求和供冷、供热设备的能效参数折算出的用户所需上游燃气轮机提供的烟气余热。

表1各用户各季季节负荷用热均值(kw)

用户	夏季	冬季	过度季节
				1	941.82	630.44	235.29
2	941.82	803.26	423.82
				3	2416.52	1774.41	1426.81

(2)燃气轮机参数

两个型号的有回热的燃气轮机BowmanTG80型和CapstoneC30型，其基本参数如表2所示。

表2燃气轮机参数

B、实施步骤

(1)定义下游用户需要的上游余热特征参数

则三个用户的特征参数分别为和

(2)定义燃气轮机余热供应特征参数

则根据厂家提供的参数可知，两台的燃气轮机的特征参数分别为θ₁＝0.4623(CapstoneC30)和θ₁＝0.4359(BowmanTG80)。

(3)在图上标出三个用户特征参数和两种类型燃气轮机特征参数θ，如图2所示。

与两台燃气轮机的特征参数的交点均位于图对角线以上，说明用户1不适合选择这两种类型的燃气轮机。与两种类型的燃气轮机的特征参数的交点一个位于图对角线以上，一个位于对角线以下，说明用户2不适合选择第一类型燃气轮机(CapstoneC30)，但可以选择第二类型燃气轮机(BowmanTG80)。与两种类型的燃气轮机的特征参数的交点均位于图对角线以下，说明用户2可以选择这两种类型的燃气轮机。

(4)分别绘制三个用户与这两种类型的燃气轮机Q-n图，其中纵坐标为余热热量，横坐标为燃气轮机台套数n，虚线表示用户需要的最大和最小余热(Q_user-max和Q_user-min)，而实线表示燃气轮机提供的最大和最小余热量(Q_sup-max和Q_sup-min)如图3所示。

(5)燃气轮机台套数选择

从图(3a)可以看出，对于用户1无论两种类型的燃气轮机台套数n如何选择，用户需要的最大和最小余热都不能同时介于燃气轮机提供的最大和最小余热量之间，即不能同时满足用户1的最大和最小余热需求，所以这两种类型的燃气轮机用户1都不可以选择，与(3)中的结论相同。

从图(3b)可以看出，对于用户2第一类型燃气轮机(CapstoneC30)无论台套数n如何选择，用户需要的最大和最小余热都不能同时介于燃气轮机提供的最大和最小余热量之间，而第二类型燃气轮机(BowmanTG80)当n＝2时，用户需要的最大和最小余热同时介于燃气轮机提供的最大和最小余热量之间，所以用户2可以选择2台第二类型燃气轮机(BowmanTG80)。

从图(3c)可以看出，对于用户3当第一类型燃气轮机(CapstoneC30)n＝15～21、第二类型燃气轮机(BowmanTG80)n＝5～7时，用户需要的最大和最小余热同时介于燃气轮机提供的最大和最小余热量之间，考虑到成本投入，选择最小台套数，所以用户3可以选择15台第一类型燃气轮机(CapstoneC30)或5台第二类型燃气轮机(BowmanTG80)。

综上所述，用户2和用户3的回热可调选型结果如表1所示，其中回热可调情况下燃气轮机回热度X和发电效率可由燃气轮机厂家提供的数据确定。为便于比较表3中还列出了回热不可调节(X＝0)情况下两种类型燃气轮机的选型结果，其发电功率和发电效率可根据余热的需要量计算获得。

表3回热可调与不可调联供系统选型结果

C、选型结果分析

从表3给出的选型结果可以看出，采用本专利提出的选型方法，可以在分布式用能系统设计时，根据用户负荷的变化，选择合适的有回热调节的燃气轮机，充分发挥回热系统的调节作用。与回热不可调节的情况相比，回热可调的三个方案，在所有的季节所有的燃气轮机都可以满负荷发电，而回热不可调节时不仅全年发电量低，而且全年有一半以上的时间燃气轮机需要停运1台以上，运行中的燃气轮机平均也不能满负荷发电。

表4各方案的分布式供能系统能效比较

表4给出了系统能效比较。采用的节能指标是相对节能率(FESR)，即

其中，分产时制冷和供热采用电制冷和电加热的方式，电能则直接从电网引入，折算为标准煤耗时以供电煤耗率为计算基准，并考虑电网损失的影响。

从表4中可以看出，采用提出的选型方法，选择了合适的有回热调节的燃气轮机，所设计的分布式用能系统与回热不可调节的系统相比较，全年的燃气轮机发电效率更高，全年的相对节能率也更高。

Claims (5)

1.一种分布式供能系统燃气轮机的选型方法，用于确定回热可调的燃气轮机的最优型号和台套数，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

1)根据下游用户的实际用热情况，确定用户的所需余热特征参数

2)根据燃气轮机的特性参数，确定每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i；

3)绘制二维图，根据步骤1)得到的余热特征参数和步骤2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i，在图中确定燃气轮机的最优型号；

4)根据步骤3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的余热供应随台套数n的变化曲线，结合下游用户的实际用热情况，绘制Q-n二维图，其中Q为热量值，在图中确定燃气轮机的最优台套数；

所述下游用户的实际用热情况包括最小用热功率Q_user-min和最大用热功率Q_user-max；

所述用户的所需余热特征参数具体为：

所述燃气轮机的余热供应特征参数θ_i具体为：

其中，Q_sup-min为当前型号的燃气轮机可提供的最小供热功率，Q_sup-max为当前型号的燃气轮机可提供的最大供热功率。

2.根据权利要求1所述的分布式供能系统燃气轮机的选型方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

31)绘制二维图，并绘制出函数所对应的曲线A；

32)在步骤31)绘制出的二维图中，分别绘制步骤1)得到的所需余热特征参数对应的曲线B以及步骤2)得到的每一个型号的燃气轮机的余热供应特征参数θ_i对应的曲线C_i，标记出曲线B与曲线C_i的所有交点；

33)通过曲线A对步骤32)得到的所有交点进行筛选，得到的最优交点所对应的燃气轮机的型号即为确定的燃气轮机的最优型号。

3.根据权利要求2所述的分布式供能系统燃气轮机的选型方法，其特征在于，所述最优交点具体为：位于曲线A下方且距离曲线A最近的交点。

4.根据权利要求1所述的分布式供能系统燃气轮机的选型方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

41)根据步骤3)确定的燃气轮机的最优型号，得到该型号燃气轮机的最大余热供应随台套数n的变化曲线D₁和最小余热供应随台套数的变化曲线D₂；

42)绘制Q-n二维图，其中Q为热量值，绘制下游用户的最大用热功率Q_user-max对应的曲线E₁和最小用热功率Q_user-min对应的曲线E₂；

43)根据步骤41)得到的曲线D₁和D₂，以及步骤42)得到的曲线E₁和E₂，确定符合要求的台套数n的最小值，即为燃气轮机的最优台套数。

5.根据权利要求4所述的分布式供能系统燃气轮机的选型方法，其特征在于，所述符合要求的台套数n具体为同时满足曲线E₁和E₂在曲线D₁和D₂之间的台套数。