CN110807261A - 一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽汽供热型燃气‑蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，包括建立联合循环机组的燃气循环变工况模型，并根据燃气循环变工况模型计算变工况下的燃气参数；修正变工况下的燃气参数；计算联合循环机组的变工况出力参数。本发明采用了数据和机理结合的建模方式，以实验规律和理论推导的部件特性方程为基础，利用机组过往数据对方程的关键参数和关键系数进行拟合，以拓宽模型的适用范围，有效解决了燃气循环中压气机和燃气透平因厂家对性能数据保密而难以建模以及余热锅炉建模过程复杂的问题，实现了兼顾通用性和较高精度的燃气‑蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算，为联合循环机组变工况特性分析提供了有效手段。

Description

一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计 算方法

技术领域

本发明属于热能动力工程技术领域，具体涉及一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变 工况性能简易计算方法。

背景技术

近几年来，随着我国政府对环境问题和能源问题的愈发重视以及环境压力的不断增大， 洁净能源发电技术的发展已成为了学术界和电力行业的主要研究方向。以天然气为燃料的燃 气-蒸汽联合循环机组是一种能源利用效率高、环境代价低、运行灵活、技术可靠、组合多样 化的能量转换装置，具有多重社会效益和经济效益，在国内外均受到了广泛重视。

由于电网调峰和供热的需要，抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组也常处于部分负荷工况 运行，为了更好地保障机组的稳定运行，需要对机组的变工况性能进行计算。而抽汽供热型 燃气-蒸汽联合循环机组变工况热力计算往往受到多个因素的限制，一是难以获取压气机以及 燃气透平的性能特性曲线；二是纯粹的机理模型所需要的机组数据过多，计算量大，且往往 不易推广，而完全依靠数据的模型通常只适用于特定机组；三是常规的变工况计算方法未考 虑抽汽供热的影响，使得联合循环机组变工况计算方法呈难、繁、不全面的特点。

因此需要建立一种简易的抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种抽汽供热型燃气-蒸汽 联合循环机组变工况性能简易计算方法，从模块化建模的角度出发，并结合机理与数据拟合， 建立了燃气循环的变工况模型，形成了一种机组变工况性能简易计算方法，从而实现抽汽供 热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能的简易计算，为联合循环的性能分析提供帮助。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立联合循环机组的燃气循环变工况模型，在给定初始条件后，通过该燃气循 环变工况模型计算得到变工况下的燃气参数；

步骤2：修正联合循环机组变工况下的关键参数，以提高模型精度，扩宽模型适用范围；

步骤3：计算联合循环机组的变工况出力参数。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的初始条件包括环境温度、压力和燃料量；所述燃气参数包括燃气流量和温度；所 述出力参数包括燃气轮机功率、汽轮机功率及供热量。

上述的步骤1中，采用不同的建模方式分别对燃气循环需经历的压气机、燃烧室、燃气 透平和余热锅炉四个部件进行变工况建模，其中压气机模型以及燃气透平模型采用理论推导 与实验数据结合的方式进行建模，首先基于理论推导和实验规律获得各参数之间的函数关系， 再通过实验数据拟合函数关系式中的待定参数；燃烧室则根据物质和能量守恒关系建立机理 模型；余热锅炉则根据经验公式建立经验模型。

上述的步骤2中，关键参数包括压气机冷却空气量、蒸汽透平效率以及抽汽工况下的蒸 汽透平出力。

上述的步骤2中，压气机冷却空气量的修正公式如下：

式中下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况，T₃表示燃气透平初温，a_x、b_x、 c_x、d_x为待定系数，根据实际运行数据进行拟合。

上述的步骤2中，蒸汽透平效率的修正公式如下：

式中m_g为烟气质量流量，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况。

上述的步骤2中，抽汽工况下蒸汽透平出力W_st，c的修正公式如下：

式中W_st0表示抽汽对应的纯凝工况的汽轮机输出功率，G_c表示抽汽的质量流量，G₀表示 主蒸汽流量，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际运行数据拟合，下标c表示抽汽工况。

上述的步骤3所述联合循环机组的变工况出力参数包括燃气透平出力和蒸汽透平出力。

上述的燃气透平出力的计算公式如下：

W_g＝η_t(m₄h₄-m₃h₃+m_cah_ca) (4)

式中，下标ca表示冷却空气，下标3表示燃气轮机进口，下标4表示燃气轮机出口，h表示焓值，m表示烟气质量流量。

上述的蒸汽透平出力的计算公式如下：

式中，下标g表示燃气，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况，Q表示余热 锅炉的换热量，η_H表示锅炉的效率；式5及式6即为余热锅炉的经验模型；W_st即为蒸汽透平的输出功率，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际数据拟合得到。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过采用理论推导和数据拟合结合的建模方法，有效避免了传统机理建模方法囿 于缺乏机组性能数据的问题，并且便于推广；

本发明基于燃气循环对整个机组性能进行分析，计算方法更为简便，所需数据更少，可 以推广用于抽汽供热机组。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施例中联合循环的流程图；

图3是本发明实施例中最佳运行线的相对效率拟合曲线图；

图4是本发明实施例中最佳运行线的相对压比拟合曲线图；

图5是本发明实施例中最佳运行线的相对流量拟合曲线图；

图6是本发明实施例中低转速下的压比拟合；

图7是本发明实施例中高转速下压比拟合；

图8是本发明实施例中低转速下的相对效率拟合；

图9是本发明实施例中不同工况下余热锅炉传热量；

图10是本发明实施例中不同工况下蒸汽透平出力计算。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方 法，包括以下步骤：

步骤1：建立联合循环机组的燃气循环变工况模型，在给定初始条件(环境温度、压力、 燃料量)后，通过该燃气循环变工况模型计算得到变工况下的燃气参数(燃气流量和温度)； 如图2所示，燃气循环的流程需经历四个部件：压气机、燃烧室、燃气透平和余热锅炉，实 施例中，采用不同的建模方式分别对燃气循环需经历的四个部件进行变工况建模，其中压气 机模型以及燃气透平模型采用理论推导与实验数据结合的方式进行建模，首先基于理论推导 和实验规律获得各参数之间的函数关系，再通过实验数据拟合函数关系式中的待定参数；燃 烧室则根据物质和能量守恒关系建立机理模型；余热锅炉则根据经验公式建立经验模型。

步骤2：修正变工况下的关键参数，所述关键参数包括压气机冷却空气量、蒸汽透平效 率以及抽汽工况下的蒸汽透平出力，通过修正上述关键参数，可以进一步提高模型精度，扩 宽模型适用范围。其中压气机冷却空气量对燃气透平的效率以及燃气量计算均有影响；蒸汽 透平效率则对蒸汽轮机出力计算有影响；抽气工况下的蒸汽透平出力计算可以将此模型推广 至抽气供热工况；

实施例中，压气机冷却空气量的修正公式如下：

式中下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况(设计工况)，T₃表示燃气透平初 温，a_x、b_x、c_x、d_x为待定系数，根据实际运行数据进行拟合。

蒸汽透平效率的修正公式如下：

式中m_g为烟气质量流量，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况。

抽汽工况下蒸汽透平出力W_st，c的修正公式如下：

式中W_st0表示抽汽对应的纯凝工况的汽轮机输出功率，G_c表示抽汽的质量流量，G₀表示 主蒸汽流量，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际运行数据拟合，下标c表示抽汽工况。

步骤3：计算联合循环机组的变工况出力参数。

实施例中，所述联合循环机组的变工况出力参数包括燃气透平出力和蒸汽透平出力。

所述燃气透平出力的计算公式如下：

W_g＝η_t(m₄h₄-m₃h₃+m_cah_ca) (4)

式中，下标ca表示冷却空气，下标3表示燃气轮机进口，下标4表示燃气轮机出口，h表示焓值，m表示烟气质量流量。

所述蒸汽透平出力的计算公式如下：

式中，下标g表示燃气，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况，Q表示余热 锅炉的换热量，η_H表示锅炉的效率；式5及式6即为余热锅炉的经验模型；W_st即为蒸汽透平的输出功率，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际数据拟合得到。

在此以压气机为示例：

压气机的最佳运行线是指各转速下效率最高点的连线，可将最佳运行线上的效率、压比 以及流量的相对值表示为相对转速的函数：

式中，

表示相对流量；表示最佳运行线上的相对效率；表示最佳运行线上的相 对流量；

表示最佳运行线上的相对压比；上标表示相对值。式中的各项待定系数均通过 实验数据进行拟合；

接下来，对压气机的等转速线特性进行建模；

在同一转速下，可将相对压比表示为相对流量的有理多项式，如

式中，

表示第i条等转速线上的相对流量，

表示第i条等转速线上的相对压比，在 高转速下可采用更高幂次进行拟合，提高模型的精度，而各项系数为待定参数，根据实际运 行数据拟合；

在算得相对流量和相对压比后，即可对压气机的效率进行拟合，根据理论和数据分析， 可将相对压比和相对流量拟合为变量x，再将等转速线上的效率表示为x的函数：

式中，

表示第i条等转速线上的相对流量；

表示第i条等转速线上的相对压比；

表示第i条等转速线上的相对效率；

基于某压气机的实验数据以及某机组的运行数据对本发明方法进行验证。

首先对压气机模型进行验证，共有八组实验数据，选取其中四组用作拟合，图3至图5 为压气机的最佳运行线的拟合曲线图。可以看出压气机最佳运行线的参数均能被很好地拟合， 其中相对效率的实验数据未能分布在拟合曲线上，可能是由于选取的参考工况点并不是效率 最高点，影响了公式的拟合效果。

而对压气机不同转速的压比模型和效率模型的验证结果如图6至图8所示，由于未能获 取实验数据的参考点具体数值，不能确保转速的分类以及参考点的选取是否合理，因此拟合 仍存在误差，但由拟合图像仍可以看出，数据点基本符合图像趋势，反映了模型的正确性。

再对机组中余热锅炉的传热量和蒸汽透平的出力的计算方法进行验证。共收集到4种不 同工况下不同负荷的余热锅炉传热量和蒸汽透平出力的数据(工况不同主要是指环境参数不 同)，根据步骤3所提出的公式进行估算，所得结果如图9和图10所示。由图可得，在性能 保证工况下，估算结果的误差很小，而在夏季工况时，由于环境温度的变化使得排烟温度等 参数发生变化，因此公式会有一定误差，但仍能满足计算需求，而蒸汽透平在不同工况下的 出力的估算值均与实际运行数据吻合较好，说明了本方法的准确性。

综上所述，本发明首先通过模块化建模的方式建立了联合循环中燃气循环的变工况模型， 用于计算变工况下的燃气参数(燃气流量和温度)；

同时根据联合循环的部件性能特点，利用关键参数对部件性能进行修正，

最后综合燃气参数和关键参数，结合机理以及数据拟合方程，实现对机组变工况出力参 数的计算。

本发明采用了多种不同的建模方式分别对燃气循环需经历的四个部件进行变工况建模， 其中压气机模型以及燃气透平模型采用理论推导与实验数据结合的方式进行建模，首先基于 理论推导和实验规律获得各参数之间的函数关系，再通过实验数据拟合函数关系式中的待定 参数；燃烧室则根据物质和能量守恒关系建立机理模型；余热锅炉则根据经验公式建立经验 模型。本发明有效解决了燃气循环中压气机和燃气透平因厂家对性能数据保密而难以建模以 及余热锅炉建模过程复杂的问题，实现了兼顾通用性和较高精度的燃气-蒸汽联合循环机组变 工况性能简易计算，为联合循环机组变工况特性分析提供了有效手段。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于 本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立联合循环机组的燃气循环变工况模型，在给定初始条件后，通过该燃气循环变工况模型计算得到变工况下的燃气参数；

步骤2：修正联合循环机组变工况下的关键参数，以提高模型精度，扩宽模型适用范围；

步骤3：计算联合循环机组的变工况出力参数。

2.根据权利要求1所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，所述初始条件包括环境温度、压力和燃料量；所述燃气参数包括燃气流量和温度；所述出力参数包括燃气轮机功率、汽轮机功率及供热量。

3.根据权利要求2所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，所述步骤1中，采用不同的建模方式分别对燃气循环需经历的压气机、燃烧室、燃气透平和余热锅炉四个部件进行变工况建模，其中压气机模型以及燃气透平模型采用理论推导与实验数据结合的方式进行建模，首先基于理论推导和实验规律获得各参数之间的函数关系，再通过实验数据拟合函数关系式中的待定参数；燃烧室根据物质和能量守恒关系建立机理模型；余热锅炉根据经验公式建立经验模型。

4.根据权利要求3所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，步骤2所述关键参数包括压气机冷却空气量、蒸汽透平效率以及抽汽工况下的蒸汽透平出力。

5.根据权利要求4所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，步骤2中，压气机冷却空气量的修正公式如下：

式中下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况，T₃表示燃气透平初温，a_x、b_x、c_x、d_x为待定系数，根据实际运行数据进行拟合。

6.根据权利要求4所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，步骤2中，蒸汽透平效率的修正公式如下：

式中m_g为烟气质量流量，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况。

7.根据权利要求4所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，步骤2中，抽汽工况下蒸汽透平出力W_st，c的修正公式如下：

式中W_st0表示抽汽对应的纯凝工况的汽轮机输出功率，G_c表示抽汽的质量流量，G₀表示主蒸汽流量，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际运行数据拟合，下标c表示抽汽工况。

8.根据权利要求1所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，步骤3所述联合循环机组的变工况出力参数包括燃气透平出力和蒸汽透平出力。

9.根据权利要求8所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，所述燃气透平出力的计算公式如下：

W_g＝η_t(m₄h₄-m₃h₃+m_cah_ca) (4)

式中，下标ca表示冷却空气，下标3表示燃气轮机进口，下标4表示燃气轮机出口，h表示焓值，m表示烟气质量流量。

10.根据权利要求8所述的一种抽汽供热型燃气-蒸汽联合循环机组变工况性能简易计算方法，其特征在于，所述蒸汽透平出力的计算公式如下：

式中，下标g表示燃气，下标d表示当前环境参数下效率最高的运行工况，Q表示余热锅炉的换热量，η_H表示锅炉的效率；式5及式6即为余热锅炉的经验模型；W_st即为蒸汽透平的输出功率，a_st、b_st和c_st为待定常系数，根据实际数据拟合得到。

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