CN1704572A - 燃气－蒸汽联合循环发电站运行效率在线解析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气—蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法和系统，在线解析系统包括：现场数据采集单元，用于测量电站各分设备的状态参数；与现场数据采集单元相连的数据库服务器，用于存储现场数据采集单元测量得到的状态参数；模型运算服务器，其根据从数据库提取的状态参数并计算电站的总运行效率和当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度；客户机，其接收用户输入的命令并输出模型运算服务器的计算结果；网络，其将数据库、模型运算服务器和客户机连接在一起。在本发明中，计算模型以解析方程式为基础，因此模型简单并且提高了计算速度和准确度。此外，计算模型的物理意义清晰，便于对影响总效率的各种因素作定量分析。

Description

燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率在线解析方法和系统

技术领域

本发明涉及火电发电技术，特别涉及一种对燃气-蒸汽联合循环发电站的运行效率进行在线解析的方法和系统。

背景技术

利用煤、石油、天然气等自然界蕴藏量极其丰富的化石燃料进行发电统称为火力发电。按照发电方式的不同，火力发电可分为汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃机发电和燃气-蒸汽联合循环发电等技术。汽轮机发电又称蒸汽发电，它利用燃料在锅炉中燃烧产生蒸汽，用蒸汽冲动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。在内燃机发电中，吸入的压缩空气与喷入的燃料着火燃烧产生高温高压气体，推动机械旋转运动，从而带动发电机发电。

所谓燃气-蒸汽联合循环发电，实际上是燃气发电和蒸汽发电的组合。图1为一座典型的燃气-蒸汽联合循环发电站的结构示意简图。如图1所示，燃气-蒸汽联合循环发电站包括燃气轮机(透平或动力涡轮)11、汽轮机12、发电机13、空气压缩机14、燃气压缩机15、燃烧室16、余热锅炉17和管道18，其中，燃气轮机11及发电机13与余热锅炉17、汽轮机12共同组成循环系统，空气压缩机14和燃气压缩机在燃气轮机11或汽轮机带动下转动，管道18将余热锅炉17的蒸汽输送至汽轮机12。

该电站的工作原理为，空气压缩机14将空气送入燃烧室16，与此同时，燃气由燃气压缩机15送入燃烧室16与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机11膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，高温乏烟气通过余热锅炉17回收转换为蒸汽，经管道18将蒸汽注入汽轮机12发电。

由于具有高效、清洁、节水和综合利用效益高等诸多优点，燃气-蒸汽联合循环发电技术受到世界各国普遍的重视，特别是在我国，随着国家西部大开发战略的展开，“西气东输”和“洁净煤燃烧发电技术”等一系列重大工程相继的开工，燃气-蒸汽轮机联合循环发电技术正在步入一个黄金发展时期，其应用前景非常广阔。

基于节省燃料和降低发电成本的原因，在火力发电站的运行过程中，发电机组的运行效率越来越受到人们的关注。运行效率可以用下列方程式表示：

运行效率＝发电输出功率/(燃料热值×单位时间燃料消耗量)    (1)

对于燃气-蒸汽联合循环发电站，随着运行时间的增加及其它原因，某些设备的性能将发生变化，从而影响整个机组的运行效率，因此需要对整个机组的运行效率以及分设备对运行效率的影响程度作在线定量评估。

2003年3月4日授权的题为“联合循环发电站热效率的诊断方法和装置(Thermal Efficiency Diagnostic Method and Apparatus of a Combined PowerGeneration Plant)”的美国专利US 6,529,849揭示了一种对联合循环发电站热效率进行诊断的方法，该方法包括下列步骤：利用各台设备涉及能量输出和输入的参数的测量值并记录每台设计值；将具有较高精度的测量数据作为标准参数，其在受热平衡的优化状态估计过程中是刚性的；将测量精度不高但是对诊断结果有较大影响的测量数据作为关键参数；将多个热平衡计算数据作为基准参数，它们与各自的基准值比较以计算热平衡的整体概率；通过调整关键参数使其与标准参数相容，从而使基准参数的整体偏离度最小并且热平衡概率最大，由此完成热平衡的优化状态估计；将由此确定的热平衡与基于设计值的热平衡进行比较；分析每个设备性能对热效率的贡献度；确定导致热效率变差的设备。

在上述方法中，为了避免精度差的测量数据对热效率诊断结果产生的不利影响，特别引入了热平衡的优化状态评估来抑制测量误差，但是随着关键参数数量的增多，热平衡优化状态估计的计算量将非线性地增大，这将导致计算过程复杂和非常耗时，从而不利于对系统的运行效率进行在线分析。此外，上述方法将测量数据划分为标准参数和关键参数，这需要通过大量的测试方能确定，而且并不是所有的高测量精度数据在热平衡优化状态估计过程中都是刚性的，这进一步限制了该方法的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法，它具有计算模型简单清晰、准确度高和实时性强的诸多优点。

本发明的上述目的通过下列技术方案实现：

一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法，该电站包括汽轮机、燃气轮机、发电机、燃烧室、余热锅炉、压缩机和连接在汽轮机与余热锅炉之间的管道，压缩机由燃气轮机或汽轮机带动，所述方法包含下列步骤：

(1)根据测量得到的状态参数计算性能参数，其包括：燃烧室效率η_b、燃气轮机循环效率η^c _gt、燃气轮机相对内效率η^r _gt、燃气轮机机械效率η_1m、燃气轮机绝对内效率ηⁱ _gt、余热锅炉效率η_hr、管道热效率η_p、汽轮机绝对内效率ηⁱ _st、汽轮机机械效率η_2m、发电机效率η_g、压缩机特性系数δ和电站热电比σ；

(2)根据下列方程式和步骤(1)确定的性能参数计算电站的总运行效率η^cp _gs：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r{\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\δ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})$

(3)根据步骤(1)计算的性能参数和步骤(2)计算的总运行效率解析当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度。

比较好的是，在上述燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法中，燃气轮机采用煤气作为燃气并且压缩机包括由燃气轮机或汽轮机带动空气压缩机、低压煤气压缩机和高压煤气压缩机，所述压缩机特性系数δ为空气压缩机特性系数α、低压煤气压缩机特性系数β和高压煤气压缩机特性系数γ之和。

比较好的是，在上述燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法中，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3a)根据步骤(1)计算的性能参数和步骤(2)计算的总运行效率绘制电站的系统效率曲线、热流图和热经济指标；

(3b)根据系统效率曲线、热流图和热经济指标解析当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度。

本发明的另一目的是提供一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，它具有解析准确度高和实时性强的优点。

本发明的上述目的通过下列技术方案实现：

一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，该电站包括汽轮机、燃气轮机、发电机、燃烧室、余热锅炉、压缩机和连接在汽轮机与余热锅炉之间的管道，压缩机由燃气轮机或汽轮机带动，所述系统包括：

现场数据采集单元，用于测量电站各分设备的状态参数；

与现场数据采集单元相连的数据库服务器，用于存储现场数据采集单元测量得到的状态参数；

模型运算服务器，其根据从数据库提取的状态参数并利用下列方程式计算电站的总运行效率和当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r{\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\δ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})$

其中，η^cp _gs为发电站的总运行效率，η_b为燃烧室效率，η^c _gt为燃气轮机循环效率，η^r _gt为燃气轮机相对内效率，η_1m为燃气轮机机械效率，ηⁱ _gt为燃气轮机绝对内效率，η_hr为余热锅炉效率，η_p为管道热效率，ηⁱ _st为汽轮机绝对内效率，η_2m为汽轮机机械效率，η_g为发电机效率，δ为压缩机特性系数，σ为电站热电比，皆根据状态参数计算得到；

客户机，其接收用户输入的命令并输出模型运算服务器的计算结果；

网络，其将数据库、模型运算服务器和客户机连接在一起。

比较好的是，在上述燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统中，所述现场数据采集单元由分布式控制系统实现。

比较好的是，在上述燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统中，所述网络为局域网。

或者比较好的是，在上述燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统中，所述网络为广域网。

在本发明中，燃气-蒸汽联合循环发电站总运行效率的计算模型以解析方程式为基础，因此模型简单并且提高了计算速度和准确度。此外，计算模型的物理意义清晰，便于对影响总效率的各种因素作定量分析。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1为燃气-蒸汽联合循环发电站典型结构的示意简图。

图2为按照本发明第一实施例的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率在线解析方法的流程图。

图3为按照本发明第二实施例的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率在线解析系统的示意图。

具体实施方式

以下借助附图描述本发明的较佳实施例。

第一实施例

在本实施例中，假设燃气-蒸汽联合循环发电站的结构如图1所示，并且采用煤气作为燃气。为此，燃气压缩机15包括高压煤气压缩机(未画出)和低压煤气压缩机(未画出)，它们与空气压缩机都由燃气轮机或汽轮机带动。

为了能够实时监控电站的运行状况，一般都在各个分设备现场安装大量的传感器来采集的设备状态参数，例如大气压力、大气温度、大气湿度、各分设备的进口温度、进口压力、出口温度、出口压力、工作压力和流量等。这些参数被送至电站控制系统，然后由电站控制系统根据理论模型或经验公式，由这些直接采集的参数值计算或确定各分设备的性能参数，并以此作出相应的控制动作。

本发明的发明人通过研究发现，对电站总的运行效率具有实质性影响的性能参数包括燃气轮机燃烧室效率、燃气轮机循环效率、燃气轮机相对内效率、燃气轮机机械效率、燃气轮机绝对内效率、余热锅炉效率、管道热效率、汽轮机绝对内效率、汽轮机机械效率、发电机效率、压缩机特性系数和电站热电比。由于上述这些性能参数的计算或确定方法对于本领域内的技术人员来说皆属公知技术并涉及工程实践，因此此处不作赘述，具体可参见有关热力发电厂发电原理的文献资料。

更为重要的是，本发明的发明人通过研究发现，上述所列性能参数与燃气-蒸汽联合循环发电站的总运行效率存在如下的解析关系式：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r{\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\δ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})---\left(2\right)$

其中，η^cp _gs为发电站的总运行效率，η_b为燃烧室效率，η^c _gt为燃气轮机循环效率，η^r _gt为燃气轮机相对内效率，η_1m为燃气轮机机械效率，ηⁱ _gt为燃气轮机绝对内效率，η_hr为余热锅炉效率，η_p为管道热效率，ηⁱ _st为汽轮机绝对内效率，η_2m为汽轮机机械效率，η_g为发电机效率，δ为压缩机特性系数，σ为电站热电比。

压缩机特性系数δ的具体计算方式取决于发电站的具体结构。当燃气轮机或汽轮机仅带动空气压缩机或燃气压缩机时，压缩机特性系数δ取值为空气压缩机的特性系数或燃气压缩机的特性系数。当燃气轮机或汽轮机同时带动空气压缩机和燃气压缩机时，压缩机特性系数δ取值为它们的特性系数之和。

在本实施例中，压缩机包括由燃气轮机或汽轮机同时带动的空气压缩机、高压煤气压缩机和低压煤气压缩机，因此压缩机特性系数δ为空气压缩机特性系数α、低压煤气压缩机特性系数β和高压煤气压缩机特性系数γ之和，这样上述方程式(1)可以进一步表示为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r{\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\α}-\mathrm{\β}-\mathrm{\γ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})---(2\text{'})$

显然，在根据上述方程式(2)计算得到发电站总运行效率的同时，也可以同时计算出各个分设备性能参数对总运行效率的贡献度，也即各个分设备对总运行效率的影响程度。在此基础上，即可有的放矢，重点改善对总运行效率影响较大的分设备的性能，从而达到优化运行和节能降耗的目的。

图2为基于上述发明点的在线解析方法流程图。

如图2所示，在步骤21中，输入现场数据采集装置采集到的各个分设备(例如汽轮机、燃气轮机、发电机、燃烧室、余热锅炉、压缩机和管道等)的状态参数。

接着进入步骤22，根据输入的状态参数计算或确定某一时点或时段的下述性能参数，这些性能参数包括燃气轮机燃烧室效率、燃气轮机循环效率、燃气轮机相对内效率、燃气轮机机械效率、燃气轮机绝对内效率、余热锅炉效率、管道热效率、汽轮机绝对内效率、汽轮机机械效率、发电机效率、压缩机特性系数和电站热电比。

随后，在步骤23中，根据上述方程式(2)或(2’)，利用步骤22得到的性能参数计算电站的总运行效率。

最后，在步骤24中，根据计算结果分析当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度，并且以图表、效率曲线和热流图等形式输出。

第二实施例

图3为按照本发明第二实施例的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率在线解析系统的示意图。在本实施例中，假设燃气-蒸汽联合循环发电站的结构如图1所示。

如图3所示，在线解析系统包括实时采集各分设备状态参数的现场数据采集单元31、存储状态参数的数据库32、对运行效率进行解析计算的模型运算服务器33、客户机34和局域网35，其中，数据库32与现场数据采集单元31相连，将现场数据采集单元实时测量到的信号(即各分设备的状态参数)按照一定的规则存储起来，此外，数据库32、模型运算服务器33和客户机34都接入局域网35，因此可以实现互相之间的通信。

电站运行的监控和管理一般都采用分布式控制系统(DCS)实现。DSC系统是一种以工控机和智能I/O为基础，具有完全模块化的多级结构体系，其一般划分为现场级、控制级、监控级和管理级等层次，各层之间以通信网络为连接纽带。现场级对现场信号(温度、压力、流量、转速等)进行处理，完成现场控制功能。控制级集控制与监测功能于一体，是一个完整的小系统，进而组合成中大规模的系统，它可由工控机或智能控制器(PLC智能调节器)组成，对信号实现编程、优化计算和监控。监控级全面管理和监督系统各级的工作状态，以动画、图形、曲线、系统总貌组态等方式显示各工作工次和各控制回路的动作状态，提供全面的各类运行、监督信息及优化控制算法。管理级主要通过网络连接，作为企业综合管理网络中的工作站，组成局域网共享有关信息，供生产管理和决策之用。

由上可见，现场数据采集单元31的信号采集功能实际上是DCS系统功能的一个子集，因此在本实施例中，可将现场数据采集单元31视为一个从DCS系统中抽象出来的实现现场信号测量的功能实体。

用户可以通过客户机34调用模型运算服务器33对电站的运行效率进行解析计算，解析计算的结果由客户机34以文字、表格或图形的方式显示；用户还可以通过客户机34查询和打印数据库32内存储的历史记录。

模型运算服务器33在接收到用户通过客户机34输入的解析计算命令后，利用数据库引擎从数据库32提取所需的状态参数，并利用方程式(2)或(2’)进行解析计算电站的总运行效率和当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度。

在本实施例中，数据库32、模型运算服务器33和客户机34通过局域网35连接在一起，但是也可以通过广域网连接。

Claims (7)

1、一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法，该电站包括汽轮机、燃气轮机、发电机、燃烧室、余热锅炉、压缩机和连接在汽轮机与余热锅炉之间的管道，压缩机由燃气轮机或汽轮机带动，其特征在于，所述方法包含下列步骤：

(1)根据测量得到的状态参数计算性能参数，其包括：燃烧室效率η_b、燃气轮机循环效率η^c _gt、燃气轮机相对内效率η^r _gt、燃气轮机机械效率η_1m、燃气轮机绝对内效率ηⁱ _gt、余热锅炉效率η_hr、管道热效率η_p、汽轮机绝对内效率ηⁱ _st、汽轮机机械效率η_2m、发电机效率η_g、压缩机特性系数δ和电站热电比σ；

(2)根据下列方程式和步骤(1)确定的性能参数计算电站的总运行效率η^cp _gs：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\δ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})$

(3)根据步骤(1)计算的性能参数和步骤(2)计算的总运行效率解析当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度。

2、如权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法，其特征在于，燃气轮机采用煤气作为燃气并且压缩机包括由燃气轮机或汽轮机带动空气压缩机、低压煤气压缩机和高压煤气压缩机，所述压缩机特性系数δ为空气压缩机特性系数α、低压煤气压缩机特性系数β和高压煤气压缩机特性系数γ之和。

3、如权利要求1或2所述的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3a)根据步骤(1)计算的性能参数和步骤(2)计算的总运行效率绘制电站的系统效率曲线和热流图；

(3b)根据系统效率曲线和热流图解析当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度。

4、一种燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，该电站所述电站包括汽轮机、燃气轮机、发电机、燃烧室、余热锅炉、压缩机和连接在汽轮机与余热锅炉之间的管道，压缩机由燃气轮机或汽轮机带动，其特征在于，所述系统包括：

现场数据采集单元，用于测量电站各分设备的状态参数；

与现场数据采集单元相连的数据库，用于存储现场数据采集单元测量得到的状态参数；

模型运算服务器，其根据从数据库提取的状态参数并利用下列方程式计算电站的总运行效率和当前状态下电站各分设备性能对电站总运行效率的影响程度：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{gs}}^{\mathrm{cp}}=[{\mathrm{\η}}_b{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^c{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^r\mathrm{\η}}_{1m}{\mathrm{\η}}_g(1-\mathrm{\δ})+(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{gt}}^i){\mathrm{\η}}_{\mathrm{hr}}{\mathrm{\η}}_p{\mathrm{\η}}_{\mathrm{st}}^i{\mathrm{\η}}_{2m}{\mathrm{\η}}_g](1+\mathrm{\σ})$

其中，η^cp _gs为发电站的总运行效率，η_b为燃烧室效率，η^c _gt为燃气轮机循环效率，η^r _gt为燃气轮机相对内效率，η_1m为燃气轮机机械效率，ηⁱ _gt为燃气轮机绝对内效率，η_hr为余热锅炉效率，η_p为管道热效率，ηⁱ _st为汽轮机绝对内效率，η_2m为汽轮机机械效率，η_g为发电机效率，δ为压缩机特性系数，σ为电站热电比，皆根据状态参数计算得到；

客户机，其接收用户输入的命令并输出模型运算服务器的计算结果；

网络，其将数据库、模型运算服务器和客户机连接在一起。

5、如权利要求4所述的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，其特征在于，所述现场数据采集单元由分布式控制系统实现。

6、如权利要求4或5所述的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，其特征在于，所述网络为局域网。

7、如权利要求4或5所述的燃气-蒸汽联合循环发电站运行效率的在线解析系统，其特征在于，所述网络为广域网。