SGT5-4000F聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組熱平衡優(yōu)化及分析

許 紅，安豐路

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組具有初始投資低、占地面積小、熱效率高、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展應(yīng)用。隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率和熱效率的提高，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在世界能源系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要。經(jīng)過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的持續(xù)改進(jìn)和系統(tǒng)優(yōu)化，聯(lián)合循環(huán)熱效率有望達(dá)到65%［1］。

電廠熱平衡是汽水工質(zhì)在電廠各個(gè)設(shè)備之間的質(zhì)量分配、能量分配及損失情況的反映。電廠熱平衡計(jì)算及優(yōu)化是熱力工程的一項(xiàng)重要的技術(shù)工作，對(duì)電廠的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及技術(shù)改造都有著重要的意義［2］。由于燃機(jī)本體特性，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力、效率等性能參數(shù)受環(huán)境條件、燃料特性、汽水系統(tǒng)參數(shù)等影響很大。基于SGT5-4000F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，利用Thermoflow軟件中的GTpro模塊建立聯(lián)合循環(huán)熱平衡計(jì)算模型，分析環(huán)境溫度、燃料溫度、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等對(duì)全廠性能的影響，利用PEACE模塊建模分析主蒸汽壓力、主蒸汽溫度對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 基本參數(shù)與計(jì)算模型

某電站采用SGT5-4000F燃機(jī)機(jī)組二拖一布置，配置2臺(tái)燃機(jī)、2臺(tái)三壓余熱鍋爐、1臺(tái)三壓再熱凝汽式汽輪機(jī)。電站采用天然氣為主要燃料；電站所在地區(qū)環(huán)境溫度較高，燃機(jī)配置蒸發(fā)冷卻器；為了提高進(jìn)入燃機(jī)燃料溫度、提高全廠性能，燃機(jī)還配備了性能加熱器。電站配置見(jiàn)圖1［3］。

1.1 基本計(jì)算參數(shù)

聯(lián)合循環(huán)的效率取決于燃機(jī)布雷頓循環(huán)效率、余熱鍋爐熱效率和汽輪機(jī)朗肯循環(huán)的效率，具體可用以下熱力學(xué)基本公式計(jì)算。

燃機(jī)布雷頓循環(huán)效率

式中：WGT為燃機(jī)的毛出力；QFUEL為輸入燃機(jī)熱量。

圖1 典型二拖一聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

式中：MFUEL為燃機(jī)燃料消耗量；H為燃料焓值，與溫度相關(guān)；QNET為燃料的低位熱值。

余熱鍋爐的熱效率

式中：M2為從余熱鍋爐排走的煙氣量；H2為從余熱鍋爐排走的煙氣焓值；M1為進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣量；H1為進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣焓值。

汽輪機(jī)朗肯循環(huán)的效率

式中：WST為汽輪機(jī)的毛出力；QST為進(jìn)入汽輪機(jī)的熱量。

聯(lián)合循環(huán)的效率

燃機(jī)蒸發(fā)冷卻器后空氣溫度直接影響MFUEL及WGT，由于從燃機(jī)排出的煙氣溫度變化進(jìn)而影響；性能加熱器后燃?xì)鉁囟戎苯佑绊慔及WGT；主蒸汽溫度及壓力變化直接影響WST。各參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，最終對(duì)全廠性能的影響需要建立全廠熱力模型進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 熱平衡計(jì)算模型

圖2為三壓再熱聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱力系統(tǒng)［4］。模擬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能方法有很多，周凡貞等［2］用Gatecycle軟件進(jìn)行了熱平衡計(jì)算及分析。Salehi等［5］用C語(yǔ)言及Matlab編制了聯(lián)合循環(huán)熱平衡計(jì)算模型。 Rodriguez Martin 等［6］使用 Thermoflex 軟件對(duì)聯(lián)合循環(huán)—光熱綜合熱力系統(tǒng)進(jìn)行了分析。趙世全［7］等利用GTpro，GTmaster對(duì)M701機(jī)組進(jìn)行了聯(lián)合循環(huán)熱平衡的計(jì)算及優(yōu)化。本文使用Thermoflow中的GTpro模塊進(jìn)行熱平衡建模，并使用E-link工具進(jìn)行多設(shè)計(jì)工況計(jì)算，分析蒸發(fā)冷卻器后空氣溫度、性能加熱器后燃?xì)鉁囟?、主蒸汽、再熱蒸汽溫度、主蒸汽壓力?duì)全廠性能的影響。

圖2 三壓再熱聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)圖

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)點(diǎn)邊界條件見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)主要輸入?yún)?shù)

設(shè)計(jì)點(diǎn)熱平衡主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)點(diǎn)主要計(jì)算結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1 蒸發(fā)冷卻器后空氣溫度影響

在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，通過(guò)加裝燃機(jī)進(jìn)氣冷卻裝置，可以降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度，使燃機(jī)功率達(dá)到甚至超過(guò)額定功率［8］。選取29～37℃溫度區(qū)間，計(jì)算了蒸發(fā)冷卻器后空氣溫度對(duì)應(yīng)的全廠毛出力及全廠毛效率。圖3給出了不同空氣溫度下全廠毛出力及毛效率的變化曲線。結(jié)果表明，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組毛出力隨著進(jìn)氣溫度的升高逐漸減小，并呈線性關(guān)系。這是由于空氣溫度變化影響進(jìn)入燃機(jī)的空氣質(zhì)量流量和溫比，空氣溫度升高時(shí)，質(zhì)量流量和溫比均降低，燃機(jī)功率相應(yīng)降低。進(jìn)入燃機(jī)的空氣質(zhì)量流量減小，燃?xì)馀艢赓|(zhì)量流量相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致余熱鍋爐的蒸汽量減小，汽輪機(jī)功率也隨之降低。在燃機(jī)進(jìn)口空氣溫度低于32℃的工況下，聯(lián)合循環(huán)的效率基本維持在58.7%，當(dāng)進(jìn)口空氣溫度高于32℃時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率緩慢降低。

圖3 全廠毛出力及毛效率隨空氣溫度變化曲線

2.2 性能加熱器后燃?xì)鉁囟扔绊?/h3>

圖4 全廠毛出力及毛效率隨燃?xì)鉁囟茸兓€

為了提高燃機(jī)效率，在天然氣進(jìn)燃機(jī)前會(huì)將其溫度預(yù)先加熱到一定溫度，該套裝置稱為天然氣性能加熱器［9］。圖4分析了燃?xì)鉁囟仍?50～250℃變化時(shí)，全廠毛出力及毛效率的變化規(guī)律，結(jié)果表明，燃?xì)鉁囟仍?50～230℃之間變化時(shí)，毛出力逐漸減小并與燃?xì)鉁囟瘸示€性關(guān)系，當(dāng)燃?xì)鉁囟瘸^(guò)230℃，出力基本保持穩(wěn)定，燃?xì)鉁囟葟?50℃增加到230℃，出力降低了1098kW。相反，燃?xì)鉁囟仍?50～230℃之間變化時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率逐漸增加并與燃?xì)鉁囟瘸示€性關(guān)系，當(dāng)燃?xì)鉁囟瘸^(guò)230℃，效率基本保持穩(wěn)定，燃?xì)鉁囟葟?50℃增加到230℃，效率提高0.25%。這是由于性能加熱器加熱熱源來(lái)自余熱鍋爐高壓省煤器后的給水，給水熱量消耗降低了主蒸汽流量，從而造成機(jī)組出力降低，但增加性能加熱器，優(yōu)化了全廠回?zé)嵯到y(tǒng)，提高了機(jī)組效率。

2.3 蒸汽溫度影響

圖5分析了主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度變化對(duì)全廠毛出力及毛效率的影響，蒸汽的初溫由燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度來(lái)決定，進(jìn)入到蒸汽輪機(jī)進(jìn)口的蒸汽初溫應(yīng)是燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度減去余熱鍋爐中的傳熱溫差，一般為25～50℃［10］。由于蒸汽溫度變化對(duì)設(shè)備、管道、閥門(mén)等材質(zhì)及壁厚均有很大影響，進(jìn)而影響機(jī)組投資，因此利用Thermoflow的PEACE模塊對(duì)機(jī)組單位千瓦造價(jià)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，蒸汽溫度在500～600℃之間變化時(shí)，機(jī)組毛出力及毛效率均隨著蒸汽溫度的增加而提高，且基本呈線性關(guān)系，其中毛出力增加了11.187 MW，毛效率增加了0.75%。在500～560℃范圍內(nèi)，單位千萬(wàn)造價(jià)呈下降趨勢(shì)，超過(guò)560℃，單位千萬(wàn)造價(jià)快速增加。這是由于當(dāng)主蒸汽、再熱蒸汽溫度超過(guò)560℃時(shí)，設(shè)備及管道材質(zhì)的許用應(yīng)力迅速降低，從而造成壁厚迅速增加，甚至引起設(shè)備及管道材質(zhì)發(fā)生變化，電站投資迅速增加。

圖5 全廠毛出力、毛效率及千瓦造價(jià)隨蒸汽溫度變化曲線

2.4 主蒸汽壓力影響

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)一般為滑壓運(yùn)行方式，機(jī)組運(yùn)行時(shí)主汽閥處于全開(kāi)狀態(tài)［11］。主蒸汽壓力變化會(huì)引起汽輪機(jī)性能變化，進(jìn)而影響整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的性能。圖6分析了主蒸汽壓力變化對(duì)全廠毛出力及毛效率的影響，同樣地考慮到壓力對(duì)機(jī)組投資的影響，加入了單位千瓦造價(jià)的分析。結(jié)果表明，在主蒸汽壓力1.25～1.70×107Pa范圍內(nèi)，機(jī)組毛出力及毛效率均隨著主蒸汽壓力增加而提高，且基本呈線性關(guān)系，其中毛出力增加了4.588 MW，毛效率增加了0.31%。在1.25～1.60×107Pa范圍內(nèi)，單位千萬(wàn)造價(jià)呈下降趨勢(shì)，超過(guò)1.60×107Pa，單位千萬(wàn)造價(jià)呈上升趨勢(shì)。需要注意的是，在選取主蒸汽壓力參數(shù)時(shí)，需考慮到與主蒸汽溫度相匹配，另外還應(yīng)結(jié)合各汽輪機(jī)廠典型機(jī)型的參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

圖6 全廠毛出力、毛效率及千瓦造價(jià)隨主蒸汽壓力變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

隨著燃機(jī)進(jìn)口空氣溫度的增加，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力降低并與空氣溫度呈線性關(guān)系，聯(lián)合循環(huán)效率先維持穩(wěn)定后緩慢降低；隨著性能加熱器后燃?xì)鉁囟忍岣撸?lián)合循環(huán)機(jī)組出力先呈線性降低后維持穩(wěn)定，聯(lián)合循環(huán)效率則呈相反變化規(guī)律；隨著蒸汽溫度、蒸汽壓力增加，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力及效率基本呈線性提高；本項(xiàng)目SGT5-4000F機(jī)組蒸汽參數(shù)經(jīng)濟(jì)點(diǎn)為主蒸汽、再熱蒸汽溫度560℃，主蒸汽壓力1.60×107Pa。