CN112234650A - 一种太阳能燃气联合循环机组热电调峰能力的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能燃气蒸汽联合循环热电联产系统调峰能力的计算方法，包括燃气蒸汽联合循环机组添加太阳能输入后，太阳能回路对燃气机组供给导热油流量的确定方法及供热机组在相同供热负荷需求下机组最小调峰出力状况及最大调峰出力改善的确定。本发明可应用于对燃气蒸汽联合循环机组添加太阳能回路改造后，新系统的调峰最大最小出力状况计算及评估，从而为太阳能应用于燃气联合循环热电联产机组后，机组调峰能力变化状况及改造方案提供重要的参考数据。
Description
技术领域
本发明涉及涉及热电联产系统与太阳能热利用领域，尤其是涉及一种太阳能与燃气联合循环机组互补的热电联产系统。
背景技术
燃气蒸汽联合循环热电联产机组由于其清洁环保、循环效率高等优点，目前已应用于大型城市。随着“煤改气”政策稳步推进，燃气蒸汽联合循环的装机容量占比不断增加：截至2017年底，北京市规划建设的4座燃气热电机组已经建成投产，从而代替传统燃煤机组用以承担冬季的供暖任务。在供暖期内，联合循环机组采用“以热定电”的运行方式保障供热质量，从而机组的供电能力受到热负荷约束。同时，由于燃气轮机机组运行灵活性比传统燃煤机组较高，因此采用燃气联合循环机组供热、调峰已成为目前热电联供领域的研究热点。
与此同时，随着近些年来日益严重的环境污染问题和可再生能源利用技术的大力发展，利用可再生能源进行供能已受到越来越多的重视，2018年年底国家能源局发布的《关于做好2018-2019年采暖季清洁供暖工作的通知》中，明确指出应当积极扩大可再生能源供暖规模，将太阳能供暖与其它清洁供暖方式科学搭配，因地制宜发展“太阳能+”供暖。相比于传统太阳能热发电技术，采用太阳能供暖不仅有更高的能源利用效率，同时将太阳能与其他清洁能源联合供暖，能够减少传统太阳能热发电建设成本。将太阳能与燃气蒸汽联合循环相结合，不仅能解决太阳能建设及供热成本过高的问题，同时可以充分利用燃气轮机机组的快速变负荷能力，简化太阳能热发电系统结构且降低太阳能热发电成本，受到越来越多的关注。但是，目前针对太阳能燃气联合循环的研究主要侧重于系统在发电方面的性能，考虑太阳能燃气联合循环热电联产性能的研究较少。
因此，研究太阳能与燃气蒸汽联合循环互补的热电联产机组并确定其调峰范围是目前热电联产及太阳能热利用领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能与燃气蒸汽联合循环互补的热电联供系统调峰区间的计算方法，用以计算加入太阳能之后联合循环机组的热电联产调峰能力变化状况，从而为太阳能燃气联合循环机组深度调峰及灵活性改造提供参考依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种太阳能燃气联合循环机组热电调峰能力的计算方法，所述太阳能燃气蒸汽联合循环系统包括：
燃气轮机，汽轮机，凝汽器3，余热锅炉，太阳能蒸汽发生器5，导热油低温储热罐6，导热油高温储热罐7，槽式集热器8，油水换热器9，汽轮机发电机10，燃气轮机发电机11，烟囱12；
所述燃气轮机用于对外供电及产生高温烟气用以余热锅炉，包括：压气机101，燃烧室102，燃气透平103；
所述汽轮机包括：高压缸201，中压缸202，低压缸203；
所述余热锅炉包括：低压省煤器401，低压蒸发器402，低压过热器403，中压省煤器404，中压蒸发器405，中压过热器406，高压省煤器407，高压蒸发器408，高压过热器409，再热过热器410；
所述太阳能燃气蒸汽联合循环系统的工质循环做工流程为：
所述燃气轮机中，外界空气经由压气机101中压缩后进入燃烧室102内进行燃烧，产生高温高压燃气送至燃气透平103中进行做工，做工后高温烟气送入所述余热锅炉中依次与所述换热器410-401进行换热后，余热烟气排入所述烟囱12排至外界环境。同时，所述凝汽器3将余热锅炉给水送入所述余热锅炉中进行加热，高温过热器409产物高压蒸汽送入所述汽轮机系统高压缸201中进行做工，之后与中压蒸发器406产生中压过热蒸汽一同送至再热过热器410中继续加热后进入中压缸202中做工，做工后蒸汽与低压蒸发器403混合送至所述汽轮机低压缸203中做工，产生乏气送至凝汽器3。
所述中压缸202中部分抽汽被抽出送至热网加热水用以供热，抽汽放热后回水进入所述凝汽器3；
所述高压过热器408中部分饱和水送入所述太阳能蒸汽发生器12中进行加热，生成饱和蒸汽后送入高压过热器409；
冷的热导油从所述热导油低温储热罐6中流出，经由热导油泵加压后送入槽式太阳能集热器8中升温，加热后的热导油进入热导油高温储热罐7中储存；高温热导油从热导油高温储热罐7中流出，经由热导油泵加压后，在非供热季，通过所述太阳能蒸汽发生器5对高压蒸发器408中部分给水进行加热，产生饱和蒸汽送至所述高压过热器409中继续加热；在供热季，除上述方式外，可以通过与所述油水换热器9对热网水进行加热，放热后的热导油流入热导油低温储热罐6中进行储存。
基于以上所述太阳能燃气蒸汽联合循环机组及运行方式，本文所述的太阳能燃气联合循环机组热电调峰能力计算方法包括以下步骤：
(1)原始燃气蒸汽联合循环机组调峰区间状况确定
(2)太阳能互补输入对燃气联合循环的影响
(3)太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰边界确定
(4)太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰能力改善状况确定
其中，所述步骤(1)包括如下内容：
燃气蒸汽联合循环机组调峰区间受机组自身多个条件限制，包括：高压缸最大进汽流量、汽轮机低压缸最小冷却流量、余热锅炉保持稳定运行烟气流量限制。
其中，由高压缸最大进汽流量确定的机组发电量和供热量曲线关系，具体如下：
Pout＝Pmax+B×Fms
式中，Pout为机组当前输出发电功率，单位MW；Fms，h为汽轮机抽汽供热蒸汽流量，单位t/h；Pmax为机组燃气轮机100％负荷时联合循环机组纯凝工况输出功率。
对汽轮机低压缸最小冷却流量限制曲线拟合过程中，将低压缸最小流量条件下机组最小运行功率随汽轮机主蒸汽流量的变化特性拟合为：
Pmin，out＝A+B×Fms
式中，Pmin，out为低压缸最小流量条件下机组最小运行功率，单位MW；Fms为汽轮机主蒸汽流量，单位t/h；A、B为曲线拟合特性系数。
余热锅炉保持稳定运行烟气流量是为了维持机组稳定运行时机组的最小流量限制，为燃气轮机为30％负荷时机组发电供热负荷曲线。
由此，原始燃气蒸汽联合循环机组在不同燃气轮机负荷下发电功率和供热流量之间存在如下关系：
Pi＝Ci+Di×Fms
式中，i为机组等在不同燃气轮机功率下的输出电功率，范围由30％至100％，随着i的增大，机组输出功率逐渐升高；当Fms＝0时代表机组为纯凝运行工况，Fms＝Fms，max时为机组最大供热抽汽量的运行工况；Ci，Di分别为曲线特性拟合系数，取值与燃气轮机功率有关。
其中，所述步骤(2)太阳能互补输入对燃气联合循环的影响包括如下步骤：
①计算太阳能集热器收集集热量：Qs，re＝N×APTC×DNI
式中，N为槽式太阳能集热器的数量；APTC为单个集热器的集热面积，m2；DNI为太阳能辐照强度，w/m2。
②计算储热罐收集导热油量：Mcr＝Qs，re/(Cp×(Th-Tc))
式中，Mcr为储热罐收集导热油流量，t；Cp为导热油定压热容，kj/(kg·K)，Th和Tc为槽式集热器的流出、流入热导油温度。
③导热油输入机组换热平衡计算：Qa＝ma×Cp×(Th-To)
式中，ma为输入余热锅炉热导油流量，t；Th为进入高压蒸发器的热导油温度，To为流出高压蒸发器的热导油温度，Qa为太阳能取态高压蒸发器的换热量，kJ。
其中，步骤(3)所述太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰边界确定包括如下步骤：
太阳能热量输入燃气轮机机组后，由于有了额外的热量输入，因此对余热锅炉换热性能产生影响。为了维持机组主蒸汽参数与加入太阳能之前相同，因此需要调整主蒸汽流量，使机组到达一个新的稳态运行状态，机组达到的新平衡状态的计算流程如下：
①从太阳能与余热锅炉换热的太阳能蒸汽发生器开始计算，主要依据有能量平衡、质量平衡。根据换热流量及余热锅炉高压蒸发器当前饱和蒸汽参数计算出高压蒸发器中取代的蒸汽流量：Qa＝mh×(h1-h2)
mh为高压蒸发器流入太阳能蒸汽换热器中的太阳能流量，h1和h2分别为饱和蒸汽焓与饱和水焓，kj/kg。
②根据余热锅炉高压蒸发器计算的结果，通过热量守恒与能量守恒依次计算其余设备的主要参数，依据迭代思想，在不同工况下，计算所得到的最终平衡时设备热力参数即为太阳能燃气蒸汽联合循环机组新调峰边界。
其中，步骤(4)所述太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰能力改善状况确定主要包括如下步骤：
①根据步骤(3)计算得到的系统太阳能输入下机组调峰边界，计算相同供热负荷需求下太阳能输入时，机组最大、最小出力负荷的变化状况。
②得到太阳能输入后机组最大最小出力变化情况后，太阳能燃气蒸汽联合循环热电联产调峰出力改善计算公式如下：
式中，
和
为原始燃气蒸汽联合循环机组供热工况为i时的机组最大最小负荷出力，MW；
和
为太阳能输入后机组相同供热出力下最大最小负荷出力，MW；η为太阳能输入后机组调峰能力增量，％。
依据本发明提供的具体实施案例，本发明公开了以下技术效果：
在槽式太阳能与燃气联合循环互补的热电联供系统中，根据当前系统的负荷需要，可灵活调整太阳能用于发电和供热的太阳能热导油流量。在非采暖季，太阳能通过太阳能蒸汽发生器加热饱和蒸汽与机组进行集成发电；在采暖季，太阳能集热系统既可以通过加热饱和蒸汽与供热机组集成发电，也可以通过油水换热器直接进行采暖供热。对于该系统而言，当太阳能用于发电时，由于太阳能作为额外热量的输入从而使得机组的化石燃料消耗量降低；对于供热机组而言，由于太阳能的引入改善了余热锅炉的换热特性，因此可以提高供热机组的调峰能力。同时，对于太阳能热利用本身而言，由于可以借助供热机组自身的供热管网系统，因此太阳能供热的供热半径增大，同时太阳能供热成本降低。
附图说明
图1为本发明所示计算流程图；
图2为本发明实施例供热季太阳能与供热机组互补的热电联供系统与常规燃气联合循环供热机组的热电可行域变化对比情况示意图。
图3为本发明一种太阳能燃气联合循环机组热电调峰能力的计算方法对应系统的结构示意图；
其中：压气机101，燃烧室102，燃气透平103，高压缸201，中压缸202，低压缸203，凝汽器3，低压省煤器401，低压蒸发器402，低压过热器403，中压省煤器404，中压蒸发器405，中压过热器406，高压省煤器407，高压蒸发器408，高压过热器409，再热过热器410，太阳能蒸汽发生器5，导热油低温储热罐6，导热油高温储热罐7，槽式集热器8，油水换热器9，汽轮机发电机10，燃气轮机发电机11，烟囱12；
具体实施方式
下面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、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一种实施例，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做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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
原始机组配置调峰特性的评估
1)原始机组为常规的燃气蒸汽联合循环机组，余热锅炉为三压一次再热型，汽轮机分高低压三缸同轴布置。
2)供暖抽汽来自低压缸汽轮机入口抽汽。抽汽压力可调整，同时通过低压缸进口连通管上的蝶阀保证低压缸进汽压力。
3)供暖抽汽向热网加热器提供采暖供汽，冷凝后的回水返回至凝汽器。
原始机组供热运行工况限制
1)供暖抽汽流量不能超过当前负荷下机组低压缸最小冷却流量限制值。
2)机组高压缸入口流量不能超过机组满负荷最大运行主蒸汽流量限制值。
3)机组低负荷运行时余热锅炉工况需保持机组安全稳定运行，由此确定燃气轮机负荷限制为30-100％。
4)机组供热抽汽量必须满足机组安全稳定运行，由此确定供热抽汽量的机组输出功率必须大于最小功率限制线和小于机组最大功率限制线。
太阳能回路增加后系统互补能力评估
1)太阳能回路增加后，由于太阳能回路为燃气蒸汽联合循环机组提供了额外的热量，由此导致新系统与原系统相比主蒸汽流量变大，从而当燃气轮机机组输出功率不变的情况下，新机组能够提供更大的主蒸汽流量从而提升机组的发电供热性能。
2)太阳能提供热量计算：
太阳能提供热量由太阳能集热器收集，能集热器收集集热量计算如下：
Qs，re＝N×APTC×DNI
式中，N为槽式太阳能集热器的数量；APTC为单个集热器的集热面积，m2；DNI为太阳能辐照强度，w/m2。
导热油输入机组换热平衡计算：Qa＝ma×Cp×(Th-To)
式中，ma为输入余热锅炉热导油流量，t；Th为进入高压蒸发器的热导油温度，To为流出高压蒸发器的热导油温度，Qa为太阳能取态高压蒸发器的换热量，kJ。
3)设备平衡计算：
根据余热锅炉高压蒸发器计算的结果，通过热量守恒与能量守恒依次计算其余设备的主要参数，依据迭代思想，在不同工况下，计算所得到的最终平衡时设备热力参数即为太阳能燃气蒸汽联合循环机组新调峰边界。
对图1所述实施例进行模拟计算，计算所得的槽式太阳能与燃气联合循环互补热电联供系统热电可行域与传统燃气循环热电可行域如图3所示。相比于传统燃气联合循环，槽式太阳能与燃气联合循环互补热电联供系统的热电可行域有了明显提升(热电可行区域由ABDC变化为EFGDC)。在供热功率为500GJ/h时，传统供热机组的调峰范围321.6-373.2MW，而槽式太阳能与燃气联合循环互补热电联供系统的调峰范围拓宽为285.3-382.6MW，调峰能力提高了47.42％。在燃气轮机输入化石燃料量不变时，太阳能的输入使得机组纯凝工况下系统发电出力由390.1MW变化至409.6MW。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围中均会有改变指出。综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种太阳能燃气联合循环机组热电调峰能力的计算方法，其特征在于，燃气蒸汽联合循环机组添加太阳能输入后，太阳能回路对燃气机组供给导热油流量的确定方法及供热机组在相同供热负荷需求下机组最小调峰出力状况及最大调峰出力改善的确定。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于所述系统包括如下设备：
燃气轮机，汽轮机，凝汽器3，余热锅炉，太阳能蒸汽发生器5，导热油低温储热罐6，导热油高温储热罐7，槽式集热器8，油水换热器9，汽轮机发电机10，燃气轮机发电机11，烟囱12；
所述燃气轮机用于对外供电及产生高温烟气用以余热锅炉，包括：压气机101，燃烧室102，燃气透平103；
所述汽轮机包括：高压缸201，中压缸202，低压缸203；
所述余热锅炉包括：低压省煤器401，低压蒸发器402，低压过热器403，中压省煤器404，中压蒸发器405，中压过热器406，高压省煤器407，高压蒸发器408，高压过热器409，再热过热器410。
3.根据权利要求2所述计算方法对应的系统，其特征在于，系统根据当前负荷需要，可灵活调整太阳能用于发电和供热的太阳能热导油流量。在非采暖季，太阳能通过太阳能蒸汽发生器加热饱和蒸汽与机组进行集成发电；在采暖季，太阳能集热系统既可以通过加热饱和蒸汽与供热机组集成发电，也可以通过油水换热器直接进行采暖供热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃气蒸汽联合循环机组在太阳能改造之后调峰能力的改善确定包括如下步骤：
a、原始燃气蒸汽联合循环机组调峰区间状况确定；
b、太阳能互补输入对燃气联合循环的影响；
c、太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰边界确定；
d、太阳能燃气蒸汽联合循环机组调峰能力改善状况确定。
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| CN113464278A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-01 | 华北电力大学 | 一种提升燃气轮机联合循环热电联供调峰灵活性的系统 |
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