CN111102077B - 一种燃气轮机性能参数对比的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机性能参数对比的方法，包括以下步骤：(1)根据气象参数、燃机本身的参数以及影响因素对其修正系数三方面确定计算燃气轮机性能参数过程中所需的参数；(2)基于进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃气轮机性能的影响，分别建立加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机性能参数的计算模型；(3)对加装蒸发冷却进气系统前后的性能参数进行对比计算分析。本发明可以直观反应使用蒸发冷却系统对于燃气轮机的优缺点；通过定量的燃气轮机性能参数分析，预先判断蒸发冷却系统对于燃气轮机所在地区的使用效果，为发电厂提高发电效率提供参考。

Description

一种燃气轮机性能参数对比的方法
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机性能参数对比的方法。
背景技术
当前能源危机与环境问题日益严峻，使用清洁燃料天然气替换部分发电用的燃煤是实现可持续发展的必由之路，燃烧天然气的燃气轮机则是目前提高能源资源的利用效率，并解决环境污染问题的首选技术。然而燃气轮机作为一种容积式动力机械，其输出功率在很大程度上取决于进口空气的质量流量，当进口空气温度下降时，空气密度上升，进口空气的质量流量增大，则燃机的输出功率和效率得到提高。加装压气机进气冷却装置使其常年在低进气温度下运行是常年维持燃机大发电量和高效率的主要办法。
目前该领域的专利，多针对蒸发冷却设备的设计与改进，并没有针对蒸发冷却系统在燃气轮机上应用的有效性进行分析过。在实际操作过程中，由于燃气轮机所在地区气象参数的不确定，蒸发冷却系统对该地区的使用效果便也不可保证，然而将蒸发冷却系统加装至燃气轮机并运行一段时间将消耗大量成本。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种完善的、可靠的针对燃气轮机性能参数对比的方法来弥补现有技术的不足。
技术方案：本发明所述的一种燃气轮机性能参数对比的方法，包括以下步骤：
(1)确定计算参数，根据需要计算的燃气轮机的性能参数，从气象参数、燃机本身的参数以及影响因素对其修正系数三方面确定计算过程中所需的计算参数，包括以下步骤：
(101)燃气轮机在标准工况下的性能参数的确定，根据所选择的燃气轮机的型号确定其在标准工况下的性能参数，包括发电量、热耗及其热耗率等；
需要计算燃气轮机在相应气象参数下的性能参数，因此需要根据燃气轮机的型号确定其在标准工况下的性能参数，包括发电量、热耗及其热耗率等，并根据不同因素对其影响确定修正系数进而进行计算；
(102)加装蒸发冷却进气系统前燃气轮机进气参数的确定，取每个月的平均温度及其对应的相对湿度，并根据温度及相对湿度在焓湿图上读取相应的含湿量，作为未加装蒸发冷却进气系统时的进气参数；
本发明是从年效益角度分析加装蒸发冷却进气系统对于燃气轮机的有效性，因此需要获得燃气轮机所在地区全年的气象参数，由于全年8760个小时，每个小时的气象参数均不同，因此为了简化计算，本发明取该地区每个月的平均气温以及相对湿度，并根据平均气温以及相对湿度在焓湿图上读取相应的含湿量作为燃气轮机加装蒸发冷却进气系统前的气象参数；
(103)确定加装蒸发冷却进气系统后燃气轮机的进气参数，基于直接蒸发冷却原理，根据直接蒸发冷却过程可以达到的理想程度以及实际程度之间的关系计算加装蒸发冷却进气系统后的气象参数；
直接蒸发冷却的原理：该过程是一个等焓加湿过程，水到达空气后在空气中蒸发吸收潜热使气温降低，理想状态下水蒸发吸收的热量与空气降低温度放出的热量相等，空气在等焓加湿后可达到湿球温度，水温也趋于这一平衡温度。在未饱和空气中湿球温度总是比干球温度即气温低，也就是水的温度总是比空气干球温度低，因此当水进入未饱和空气时，水和空气之间会进行传热和传质，空气的显热转化为水蒸发时所吸收的潜热，最终使气温下降。然而由于实际情况下空气温度并不能降低至湿球温度，因此利用这一关系可以得到加装进气蒸发冷却系统后的进气参数与未加装进气蒸发冷却系统时的进气参数之间的关系，可以用公式(1)和公式(2)表示如下：
Figure BDA0002302506430000021
Figure BDA0002302506430000022
式中，t1为加装蒸发冷却系统后的进气温度；t为加装蒸发冷却系统前的进气温度；twb为系统进气湿球温度；η为系统的蒸发冷却效率；d1为加装蒸发冷却系统后的进气含湿量；d为加装蒸发冷却系统前的进气含湿量；dwb为系统进气湿球温度对应的含湿量。
(104)确定修正系数，分析进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃机性能的影响，基于此进而确定进气参数对应的修正系数；
空气密度与进气温度成反比关系，且进气质量流量随空气密度上升而提高，因此入口气温下降会使燃机的输出功率和效率提高，也就是说随着大气温度提高，相同体积工质的质量流量小，使得燃机发电量减少，效率降，因此取第i小时进气温度对热耗率及发电量的修正系数分别为ξtai及ltai；
随着海拔升高大气温度及压力都会下降，所以当机组由海拔较低的平原移至高原时燃气轮机压气机进口压力下降会使燃机效率降低。另一方面环境温度的降低会使其运行效率提高，且温度变化对燃机运行效率的影响大于压力变化对其产生的影响，因此总体上随着海拔高度的升高燃气轮机效率是升高的，但发电量是下降的。所以在非标准状况下，燃气轮机的发电量、热耗随海拔升高而降低，但是海拔高度不会影响热耗率和热效率，因此取第i小时进气大气压力对发电量的修正系数为lpi。
当考虑相对湿度后，干空气中含有水蒸气，燃烧室的出口及排气温度将下降，由于相对湿度的存在，燃烧室中会存在一定量的水蒸气，当燃烧过程中水蒸气会气化，使得出口气温下降，还会造成压气机出口压力下降等一些会使燃机运行效率变化的因素产生，但是总的来说，随着进气相对湿度的提高，燃机运行效率会下降，因此取第i小时进气含湿量对热耗率及发电量的修正系数分别为ξsai及lsai。
当加装蒸发冷却进气系统后，需要考虑进气压力损失对燃机性能的影响：其发电量随进气压力损失的增加而降低，且进气压力损失每增加20.0kPa，发电量将降低2.9％，热耗率上升0.97％，即进气压力损失对燃机发电量的修正系数值为97.1％，进气压力损失对热耗率的修正系数为99.03％。
(2)加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机性能参数的理论计算，基于进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃气轮机性能的影响，分别建立加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机性能参数的计算模型，再根据步骤(1)中确定的参数进行计算，并对加装蒸发冷却进气系统前后的性能参数进行对比计算分析，包括以下步骤：
(201)根据进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃气轮机性能的影响，分别建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后的燃气轮机每小时的发电量、热耗率，其中，进气压力损失仅为加装后的影响因素；
根据上述步骤(1)中的燃机性能影响因素分析，建立燃机每小时的发电量Pia及热耗率qia的计算模型，如公式(3)及(4)所示：
Pia＝lpiltailsaiP (3)
qia＝ξtaiξsaiq (4)
式中，Pia为第i小时燃气轮机的发电量(kW)；lpi为第i小时进气大气压力对发电量的修正系数；ltai为第i小时进气温度对发电量的修正系数；lsai为第i小时进气含湿量对发电量的修正系数；P为标准工况下燃气轮机的发电量(kw)；qia为第i小时燃气轮机的热耗率(kJ/(kW·h))；ξtai为第i小时进气温度对热耗率的修正系数；ξsai为第i小时进气含湿量对热耗率的修正系数；q为燃气轮机在标准工况下的热耗率(kJ/(kw·h))。
(202)根据蒸发冷却进气系统的运行条件结合气象参数确定加装蒸发冷却进气系统的一年内系统需要运行的实际时间；
(203)建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机的年热耗及发电量，进而根据系统的年运行时间计算其年均热耗及年均发电量；
在步骤(201)的基础上，根据每个月的小时数计算每个月的发电量及热耗，进而计算年发电量、年热耗、年平均发电量及年平均热耗，具体如公式(5)、公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)和公式(10)所示：
Figure BDA0002302506430000041
Figure BDA0002302506430000042
Figure BDA0002302506430000043
Figure BDA0002302506430000044
Figure BDA0002302506430000045
Figure BDA0002302506430000046
式中，Paj为第j个月燃气轮机的发电量(kW)；Tj为第j个月的总小时数；qaj为第j个月燃气轮机的热耗(kJ)；P1为加装进气蒸发冷却系统前燃气轮机一年的总发电量(kW·h)；Q1为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年的热耗(kJ)；
Figure BDA0002302506430000047
为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年平均每小时的发电量(kW)；Q1为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年平均每小时的热耗(kJ)。
本发明所述的加装蒸发冷却进气系统后的燃机每小时的发电量pib及热耗率qib的计算模型，如公式(11)及(12)所示：
Figure BDA0002302506430000051
Figure BDA0002302506430000052
式中，Pib为第i小时燃气轮机的发电量(kW)；
Figure BDA0002302506430000053
为发电量受进气压力损失影响的修正系数；ltbi为第i小时蒸发冷却系统出口温度对发电量的修正系数；lsbi为第小时蒸发冷却系统出口含湿量对发电量的修正系数；qib为蒸发冷却装置运行的第i小时燃气轮机的热耗率(kJ/(kw·h))；
Figure BDA0002302506430000054
为热耗率受进气压力损失影响的修正系数；ξtbi为第i小时蒸发冷却系统出口温度对热耗率的修正系数；ξsbi为第i小时蒸发冷却系统出口含湿量对热耗率的修正系数。
根据每个月的小时数计算每个月的发电量及热耗，进而计算年发电量、年热耗、年平均发电量及年平均热耗，具体如公式(13)、公式(14)、公式(15)、公式(16)、公式(17)和公式(18)所示：
Figure BDA0002302506430000055
Figure BDA0002302506430000056
Figure BDA0002302506430000059
Figure BDA00023025064300000510
Figure BDA0002302506430000057
Figure BDA0002302506430000058
式中，Pbj为蒸发冷却装置运行的第j个月燃气轮机的发电量(kW)；Tj为第j个月的总小时数；qbj为蒸发冷却装置运行的第j个月燃气轮机的热耗(kJ)；n为加装进气蒸发冷却系统年运行的总月数(h)；P2为加装进气蒸发冷却系统后燃气轮机一年的发电量(kW·h)；Q2为燃气轮机加装冷却系统后一年的总热耗(kJ)；
Figure BDA0002302506430000061
为燃气轮机加装进气蒸发冷却系统后一年平均每小时的发电量(kW)；
Figure BDA0002302506430000062
为燃气轮机加装进气蒸发冷却系统后一年平均每小时的热耗(kJ)。
(204)对上述步骤计算所得数据进行对比，分析加装蒸发冷却进气系统对于燃气轮机性能提高的有效性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明通过燃气轮机发电量等性能参数的具体计算，可以直观反应使用蒸发冷却系统对于燃气轮机的优缺点；通过定量的燃气轮机性能参数理论计算分析，预先判断蒸发冷却系统对于燃气轮机所在地区的使用效果，为发电厂提高发电效率提供参考。
附图说明
图1为本发明所述的燃气轮机性能参数对比的方法整体流程图；
图2为本发明所述的燃气轮机性能参数与进气温度关系图；
图3为本发明所述的燃气轮机性能参数与进气大气压力关系图；
图4为本发明所述的燃气轮机性能参数与进气含湿量关系图；
图5为本发明所述的加装进气蒸发冷却系统前的气象参数图；
图6为本发明所述的直接蒸发冷却在焓湿图上的过程图；
图7为本发明所述的燃气轮机在标准状况下的性能参数图；
图8为本发明所述的加装蒸发冷却进气系统前燃气轮机每个月的平均进气温度以及进气含湿量对燃机性能的修正系数图；
图9为本发明所述的加装蒸发冷却进气系统后燃气轮机每个月的平均进气温度以及进气含湿量对燃机性能的修正系数图；
图10为本发明所述的加装进气蒸发冷却系统前后燃气轮机的月发电量图；
图11为本发明所述的加装进气蒸发冷却系统前后燃气轮机的月热耗图；
图12为本发明所述的加装进气蒸发冷却系统前后燃气轮机每小时的热耗率图；
图13为本文所述的乌鲁木齐地区燃气轮机加装蒸发冷却进气系统前后的年均发电量及年均热耗率的对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明所述的燃气轮机性能参数对比的方法包括以下两个步骤：
一、确定计算参数，包括：(1)确定燃气轮机在标准工况下的性能参数，包括发电量、热耗及其热耗率等；(2)取燃气轮机所在地区的月平均温度及含湿量作为加装蒸发冷却进气系统前的气象参数；(3)根据直接蒸发冷却原理计算加装蒸发冷却进气系统后的气象参数；(4)根据进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃气轮机发电量及热耗率的影响，确定对应的修正系数。
二、加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机性能参数的理论计算，包括：(1)建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后的燃气轮机每小时的发电量及热耗率；(2)根据蒸发冷却进气系统的运行条件确定系统的运行时间；(3)建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机的年均热耗及发电量；(4)对上述步骤计算所得数据进行对比，分析加装蒸发冷却进气系统对于燃气轮机性能提高的有效性。
首先经过步骤一中的进气压力、进气温度以及进气含湿量对燃机性能影响的分析，得到燃气轮机性能参数分别与进气压力、进气温度以及进气含湿量之间的关系图，如图2、图3以及图4。
本发明所述的是一种燃气轮机性能参数对比的方法，包括以下步骤：
步骤(1)确定气象参数，如图5，本发明所述的未加装蒸发冷却进气系统时的燃气轮机进气参数为乌鲁木齐地区的月平均温度及对应的含湿量，并根据直接蒸发冷却在焓湿图上的过程，如图6，用公式(1)和公式(2)计算加装蒸发冷却进气系统后的气象参数。
步骤(2)确定燃气轮机在标准工况下的性能参数，如图7。
步骤(3)根据图5中的气象参数，如图2、图3和图4获得对应的进气温度、进气大气压力以及进气含湿量对燃机性能的修正系数，如图8，为加装蒸发冷却进气系统前燃气轮机进气气象参数对应的进气温度以及进气含湿量对燃机性能的修正系数，如图9，为加装蒸发冷却进气系统后燃气轮机进气气象参数对应的进气温度以及进气含湿量对燃机性能的修正系数。
步骤(4)根据公式(3)、公式(4)公式(5)和公式(6)计算加装蒸发冷却进气系统前的月发电量、月热耗和热耗率，计算结果如图10、图11和图12，以一月为例：
一月份的月发电量：
Pa1＝T1lpa1lta1lsa1P＝744h*0.9*111％*100.08％*75870kW＝56435945.4kW
一月份对应的每小时的热耗率：
q1a＝ξta1ξsa1q＝97％*99.8％*10300kJ/(kW·h)＝9971.02kJ/(kW·h)
一月份的热耗：
qa1＝T1P1aq1a＝56435945.4*9971.02＝562734*106kJ
根据公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14)计算加装蒸发冷却进气系统后的燃机月发电量、月热耗和热耗率，计算结果同样如图10、图11和图12，以四月为例：
四月份的月发电量：
Figure BDA0002302506430000081
四月份对应的每小时的热耗率：
Figure BDA0002302506430000082
四月份的热耗：
qb4＝T4P4bq4b＝51376120.98*10163.17＝522144*106kJ
在上述计算的基础上根据公式计算加装蒸发冷却进气系统前后的年发电量、年热耗，并从全年的角度对燃气轮机性能参数的变化进行分析。
如图10、图11、图12和图13，在乌鲁木齐地区使用进气蒸发冷却系统的一年中(全年8760h，5136h蒸发冷却系统开启)，和未加装进气蒸发冷却系统的数据相比，加装冷却系统的每个月的发电量都得到了上升，最低的时候月发电量增率约0.94％，最高的时候月发电量增率达4.03％，年发电量增加8762MW·h，年平均发电量增加1MW，平均发电量增率达1.42％，所以加装进气蒸发冷却系统后一年内发电量的净增量是可观的，同时，加装进气蒸发冷却系统后，虽然月热耗提高了一定量，但是使用冷却系统的每个月系统热耗率都得到了一定的降低(0.97％～1.51％)，且在从全年看来(8760h)，热耗率由原来的10292kJ/(kW·h)降至10146kJ/(kW·h)。所以在乌鲁木齐地区全年有59％的时间都可以使用进气蒸发冷却系统明显提高发电量的同时降低热耗率，投资采用进气蒸发冷却系统毫无疑问是提高发电量获得丰厚回报的有效措施。
通过上述实施例中对在乌鲁木齐地区加装蒸发冷却进气系统前后的一年里的燃气轮机性能参数的对比分析，说明本发明所述的燃气轮机性能参数对比的方法合理。

Claims (6)

1.一种燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定计算燃气轮机性能参数过程中所需的参数，包括：
(101)根据所选择的燃气轮机的型号确定其在标准工况下的性能参数；
(102)取每个月的平均温度及其对应的相对湿度，并根据温度及相对湿度在焓湿图上读取相应的含湿量，作为未加装蒸发冷却进气系统时的进气参数；
(103)基于直接蒸发冷却原理，根据直接蒸发冷却过程可以达到的理想程度以及实际程度之间的关系计算加装蒸发冷却进气系统后的气象参数；
(104)分析进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃机性能的影响，基于此进而确定进气参数对应的修正系数；
(2)基于进气大气压力、进气温度、进气含湿量以及进气压力损失对燃气轮机性能的影响，分别建立加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机性能参数的计算模型，包括：
(201)建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后的燃气轮机每小时的发电量、热耗率；
(202)根据蒸发冷却进气系统的运行条件结合气象参数确定加装蒸发冷却进气系统的一年内系统需要运行的实际时间；
(203)建立模型计算加装蒸发冷却进气系统前后燃气轮机的年热耗及发电量，进而根据系统的年运行时间计算其年均热耗及年均发电量；
(3)对加装蒸发冷却进气系统前后的性能参数进行对比计算分析。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，首先建立燃机每小时的发电量pia及热耗率qia的计算模型，如下：
pia＝lpiltailsaip
qia＝ξtaiξsaiq
式中，pia为第i小时燃气轮机的发电量；lpi为第i小时进气大气压力对发电量的修正系数；ltai为第i小时进气温度对发电量的修正系数；lsai为第i小时进气含湿量对发电量的修正系数；p为标准工况下燃气轮机的发电量；qia为第i小时燃气轮机的热耗率；ξtai为第i小时进气温度对热耗率的修正系数；ξsai为第i小时进气含湿量对热耗率的修正系数；q为燃气轮机在标准工况下的热耗率。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，当燃机每小时的发电量pia及热耗率qia的计算模型建立后，应根据每个月的小时数计算每个月的发电量及热耗，进而计算年发电量、年热耗、年平均发电量及年平均热耗，计算公式如下：
Figure FDA0003754944100000021
Figure FDA0003754944100000022
Figure FDA0003754944100000023
Figure FDA0003754944100000024
Figure FDA0003754944100000025
Figure FDA0003754944100000026
式中，paj为第j个月燃气轮机的发电量；Tj为第j个月的总小时数；qaj为第j个月燃气轮机的热耗；P1为加装进气蒸发冷却系统前燃气轮机一年的总发电量；Q1为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年的热耗；
Figure FDA0003754944100000027
为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年平均每小时的发电量；
Figure FDA0003754944100000028
为燃气轮机未加装进气蒸发冷却系统时一年平均每小时的热耗。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，加装蒸发冷却进气系统前后的燃机进气参数之间存在以下关系：
Figure FDA0003754944100000029
Figure FDA00037549441000000210
式中，t1为加装蒸发冷却系统后的进气温度；t为加装蒸发冷却系统前的进气温度；twb为系统进气湿球温度；η为系统的蒸发冷却效率；d1为加装蒸发冷却系统后的进气含湿量；d为加装蒸发冷却系统前的进气含湿量；dwb为系统进气湿球温度对应的含湿量。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，在考虑进气温度、进气大气压力、进气含湿量以及进气压力损失的基础上，加装蒸发冷却进气系统后的燃气轮机每小时的发电量以及热耗率的计算公式如下，
Figure FDA00037549441000000211
Figure FDA00037549441000000212
式中，pib为第i小时燃气轮机的发电量；
Figure FDA00037549441000000213
为发电量受进气压力损失影响的修正系数；ltbi为第i小时蒸发冷却系统出口温度对发电量的修正系数；lsbi为第i小时蒸发冷却系统出口含湿量对发电量的修正系数；qib为蒸发冷却装置运行的第i小时燃气轮机的热耗率；
Figure FDA0003754944100000031
为热耗率受进气压力损失影响的修正系数；ξtbi为第i小时蒸发冷却系统出口温度对热耗率的修正系数；ξsbi为第i小时蒸发冷却系统出口含湿量对热耗率的修正系数。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机性能参数对比的方法，其特征在于，加装蒸发冷却进气系统后的燃气轮机应根据每个月的燃气轮机运行时长计算每个月的发电量及热耗，进而计算年发电量、年热耗、年平均发电量及年平均热耗，计算公式如下：
Figure FDA0003754944100000032
Figure FDA0003754944100000033
Figure FDA0003754944100000034
Figure FDA0003754944100000035
Figure FDA0003754944100000036
Figure FDA0003754944100000037
式中，pbj为蒸发冷却装置运行的第j个月燃气轮机的发电量；Tj为第j个月的总小时数；qbj为蒸发冷却装置运行的第j个月燃气轮机的热耗；n为加装进气蒸发冷却系统年运行的总月数；P2为加装进气蒸发冷却系统后燃气轮机一年的发电量；Q2为燃气轮机加装冷却系统后一年的总热耗；
Figure FDA0003754944100000038
为燃气轮机加装进气蒸发冷却系统后一年平均每小时的发电量；
Figure FDA0003754944100000039
为燃气轮机加装进气蒸发冷却系统后一年平均每小时的热耗。
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