環境溫度對燃機聯合循環熱力性能的影響

董自春，王　軍，陳　明，徐　進

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，哈爾濱 150078)

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環境溫度對燃機聯合循環熱力性能的影響

董自春，王軍，陳明，徐進

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，哈爾濱 150078)

摘要：針對某電廠燃機運行數據，分析了環境溫度在不同運行負荷工況下，對燃-蒸聯合循環三大主機的熱力性能的影響。分析了環境溫度對燃機的熱效率、排氣流量和排氣溫度的影響；通過計算結果分析對余熱鍋爐的高、低壓蒸氣流量、排煙溫度和熱效率的影響；對汽輪機的輸出功率、熱效率和排氣濕度的影響；最后總結了對燃-蒸聯合循環的熱效率和相對輸出功率的影響，得出該級燃機在15 ℃時聯合循環熱效率最高。

關鍵詞：環境溫度；燃-蒸聯合循環；熱力性能；熱效率

0引言

近年來大型燃氣輪機憑借著燃-蒸聯合循環較高的熱效率和清潔燃燒的優勢，逐漸在我國發電行業形成異軍突起的態勢。“西氣東輸”工程的投入使用以及東南沿海液化天然氣工程的實施為大型燃氣輪機燃-蒸聯合循環的發展創造了有利的外部條件，越來越多的E級、F級燃機燃-蒸聯合循環電廠在電網運行中承擔調峰負荷的機動任務。但是機組調峰能力受季節交替變換環境溫度的影響較大，在夏季溫度高時，燃機出力較低；在冬季溫度低時，燃機出力較高[1]。導致燃機后部余熱鍋爐及汽輪機的實際運行參數隨之發生改變，使燃-蒸聯合循環的性能參數偏離設計值。為此，研究環境溫度對聯合循環性能的影響極為必要。

國內以清華大學、中科院工程熱物理研究所為代表的高校在燃氣輪機及其聯合循環理論研究方面進行了深入研究。中科院蔡睿賢[2]等采用動力機械變工況性能解析方法分析了環境溫度變化對燃氣輪機功熱并供和聯合循環裝置性能的影響。廣東電力設計院等[3-4]對影響F級聯合循環機組性能的因素做了分析，得出環境溫度、蒸汽循環方式、進口壓損為影響聯合循環性能的主要因素。國外阿聯酋Ashley De Sa[5]以沙漠高溫環境下的當地DEWA電廠兩種西門子重型燃機V94.2和V94.3為研究對象，得出在高于ISO條件下，環境溫度每提高1 ℃，燃機的熱效率降低0.1%，毛功率減少1.4 MW。日本學者[6]在寒冷地區下研究了環境溫度對微型燃機性能的影響。

文中以某電廠燃機參數為對象，不但考察燃機在100%、75%和50%負荷下，不同環境溫度對燃氣輪機性能的實際影響，分別計算分析由此導致該燃機性能(排氣參數的改變)對余熱鍋爐性能、汽輪機性能，以及對整個聯合循環性能的影響。

1研究對象及能量平衡方程

1.1研究對象

圖1是以一臺燃氣輪機和一臺余熱鍋爐以及一臺汽輪機組成的 “1+1+1”方式的聯合循環熱力系統。燃氣輪機排出的煙氣經過余熱鍋爐內部高壓和低壓受熱面后經煙囪排入大氣，余熱鍋爐為雙壓、無補燃自然循環方式。鍋爐產生兩種參數的高壓蒸汽，沖轉汽輪機高壓轉子，在汽機轉子中間補入低壓蒸汽，汽輪機為抽凝式。為考察汽輪機性能需要，汽輪機以純凝方式運行。選擇燃機在大氣壓力0.1 MPa，環境相對濕度為70%，環境溫度分別在5、15、22和30 ℃的四個工況運行的參數.燃料是低熱值為38 MJ/Nm3天然氣。

圖1　“1+1+1”方式聯合循環系統簡圖[7]

1.2能量平衡方程[7]

(1)燃機循環的能量平衡方程

(2)余熱鍋爐的能量平衡方程(雙壓不補燃)

式中：Qw1為鍋爐給水所攜帶的能量；Qst1為高壓蒸汽攜帶的能量；Qst2為低壓蒸汽攜帶的能量；Qa2為余熱鍋爐排煙攜帶的能量。

余熱鍋爐熱效率為：

(3)汽輪機的能量平衡方程

汽輪機的循環內效率為：

(4)聯合循環的循環熱效率為：

式中：φ為鍋爐的保溫系數。

2定量分析及討論

2.1環境溫度對燃機性能的影響

燃機的熱效率、排氣流量及排氣溫度是燃機的三個具有代表性的性能指標。其中排氣流量和排氣溫度又是制約余熱鍋爐和汽輪機性能的關鍵因素。

(1)對燃機熱效率的影響

圖2為燃機熱效率在不同負荷下隨環境溫度的變化情況。數據表明在燃機100%滿負荷運行時，環境溫度對燃機熱效率影響明顯。當環境溫度從5 ℃升高至30 ℃時，熱效率則從35.07%降低至33.34%。燃機在75%和50%部分負荷時，環境溫度對燃機熱效率的影響不顯著。另外部分負荷時熱效率低于滿負荷時的熱效率，這主要是因為燃機滿負荷運行時，其壓氣機進口導葉處于全開狀態，進口流動損失最?。欢紮C在75%和50%負荷運行時，進口導葉部分打開，流動進氣損失增大，故熱效率相比100%負荷減小。

圖2　環境溫度對燃機熱效率的影響

(2)對燃機排氣流量的影響

燃機排氣參數是制約聯合循環中余熱鍋爐性能的重要影響因素，為此考察燃機排氣質量流量在不同負荷下隨環境溫度的變化情況，結果如下圖3所示。燃機在三個不同負荷下，均呈現出因環境溫度的升高，煙氣流量明顯下降的趨勢。計算得出，環境溫度每升高1 ℃，該燃機在100%、75%和50%負荷下平均排氣流量降低約3.1 t/h。影響燃機排氣流量是由于外部環境溫度升高，使壓氣機進口空氣密度減小，吸入的空氣質量流量減少，從而使燃機的排氣流量減少。同時可以看出不同負荷下燃機排氣流量的差異也比較小，如燃機100%負荷時，環境溫度為5 ℃和30 ℃下，排氣流量分別為1 350 t/h和1 341 t/h，偏差僅為0.67%。

圖3　環境溫度對燃機排氣流量的影響

(3)對燃機排氣溫度的影響

燃機的排氣溫度是煙氣參數的一個重要指標，也是燃機性能的一個重要參數。通常用熱電偶測量燃機透平法蘭處煙氣溫度，它也是余熱鍋爐進口的邊界條件之一。下圖4示出了在三種負荷下，環境溫度對排氣溫度的影響情況：在75%和50%部分負荷下，環境溫度的變化對排氣溫度影響較明顯，在溫升25 ℃的條件下，兩種負荷下的排氣溫度分別升高58 ℃和50 ℃。在100%負荷下，影響不明顯，排氣溫度在501~515 ℃之間。環境溫度的升高使壓氣機的壓縮比下降，燃機透平做功量減少，同等條件下將使透平的排氣溫度提高。

圖4　環境溫度對燃機排氣溫度的影響

2.2環境溫度對余熱鍋爐性能的影響

影響鍋爐出力的因素比較多，燃機的排氣流量和溫度是影響的關鍵，受熱面的布置方式、保溫系數及汽機冷凝水溫度也都是影響的因素。下面的對比中，選取高、低壓節點溫差15 ℃，高、低壓接近點溫差11 ℃,其他因素視為同等條件。

(1)對高、低壓蒸汽產量的影響

圖5是余熱鍋爐在燃機不同負荷下隨環境溫度變化的高壓蒸汽產量的變化情況。燃機100%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力7.8 MPa、溫度585 ℃的高壓過熱蒸汽量受環境溫度的影響較小，最低為136.26 t/h,最高為143.27 t/h。燃機75%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力6 MPa、溫度400 ℃的高壓過熱蒸汽量，最低環境溫度5 ℃時產量為98.35 t/h，最高環境溫度為30 ℃時產量為133.92 t/h。燃機50%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力4 MPa、溫度350 ℃的高壓過熱蒸汽，最低環境溫度5 ℃時產量為71.9 t/h，最高環境溫度為30 ℃時產量為102.2 t/h。

圖5　環境溫度對余熱鍋爐高壓蒸汽產量的影響

對照圖4和5發現兩者趨勢較為一致，說明高壓蒸汽的產量與燃機排氣溫度相關性較大，而燃機的排氣流量因為偏差較小造成的影響也較小。燃機排氣溫度是決定余熱鍋爐高壓蒸汽產量的關鍵因素。

圖6　環境溫度對余熱鍋爐低壓蒸汽產量的影響

圖6是余熱鍋爐在燃機不同負荷下隨環境溫度變化的低壓蒸汽產量的變化情況。燃機100%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力0.5 MPa、溫度230 ℃的低壓過熱蒸汽，最低環境溫度5 ℃時產量為49.53 t/h,最高環境溫度30 ℃時產量為43.92 t/h。燃機75%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力0.4 MPa、溫度230 ℃的低壓過熱蒸汽產量，最低環境溫度5 ℃時產量為55.31 t/h，最高環境溫度為30 ℃時產量為41.71 t/h。燃機50%負荷時，余熱鍋爐產生參數為壓力0.3 MPa、溫度210 ℃的低壓過熱蒸汽產量，最低環境溫度5 ℃時產量為54.76 t/h，最高環境溫度為30 ℃時產量為44.11 t/h。對照圖3和6發現兩者趨勢較為一致，基本呈現隨環境溫度升高，低壓蒸汽產量減少的趨勢，說明低壓蒸氣產量與燃機排氣流量相關性較大，原因是高壓蒸汽產量的增加使低壓部分吸熱量減小，燃機排氣流量是決定余熱鍋爐低壓蒸汽產量的關鍵因素。

(2)對余熱鍋爐排煙溫度和熱效率的影響

圖7示出了燃機在100%、75%和50%三個負荷下，余熱鍋爐排煙溫度隨環境溫度的變化趨勢。100%負荷時，余熱鍋爐尾部排煙溫度受環境溫度影響較小，基本維持在110~112 ℃之間；75%負荷和50%負荷時，余熱鍋爐排煙溫度受環境溫度影響明顯，隨環境溫度升高而下降：75%負荷下排煙溫度從118.09 ℃下降至108.72 ℃，50%負荷下排煙溫度從119.16 ℃下降至112.01 ℃。圖8示出了余熱鍋爐的熱效率隨環境溫度的變化，因排煙溫度直接影響余熱鍋爐的熱效率，在環境溫度5~30 ℃范圍內，100%負荷時余熱鍋爐熱效率在78.33%~83.42%之間；75%負荷時余熱鍋爐熱效率在73.19%~82.69%之間；50%負荷時余熱鍋爐熱效率在68.62%~78.91%。

圖7　環境溫度對余熱鍋爐排煙溫度的影響

圖8　環境溫度對余熱鍋爐熱效率的影響

2.3環境溫度對汽輪機性能的影響

蒸氣初壓、初溫、流量以及汽輪機背壓是影響汽輪機性能的主要因素。環境溫度的改變引起進入汽輪機蒸氣量和背壓的改變，從而影響汽輪機的熱力性能。

(1)對汽輪機輸出功率的影響

圖9示出了不同負荷下，汽輪機輸出功率隨環境溫度的變化。計算表明，100%負荷時，余熱鍋爐產生如2.2中所述參數規格的蒸汽下，汽輪機輸出功率變化較小，維持在50 MW左右。75%和50%負荷時，汽輪機的輸出功率隨環境溫度升高而增加。如75%負荷時，環境溫度5 ℃下，輸出功率為34.8 MW，環境溫度30 ℃下，輸出功率增加為42.3 MW。這是因為在其他條件一定的情況下，余熱鍋爐高壓蒸汽量是影響汽輪機輸出功率的主要因素。

圖9　環境溫度對汽輪機輸出功率的影響

圖10示出了汽輪機效率在不同負荷下隨環境溫度的變化情況，其變化趨勢與汽輪機輸出功率隨環境溫度變化的情況是一致的。

圖10　環境溫度對汽輪機效率的影響

2.4環境溫度對聯合循環整個性能的影響

表1燃機100%負荷時，不同環境溫度下主機的循環效率值

環境溫度/℃燃機循環熱/%鍋爐熱效率/%汽機循環熱/%聯合循環熱/%535.7978.3330.9151.091535.2080.9631.2751.352234.4182.0831.2650.983034.0383.4231.2550.96

由于環境溫度對三大主機熱力性能影響，對整個聯合循環的性能產生了影響。上表1是燃機在100%負荷下，不同環境溫度時，三大主機的效率情況。在環境溫度較低時，燃機的循環內效率較大，隨著環境溫度的升高，燃機的循環內效率降低；于此同時，鍋爐和汽輪機的效率增加，抵消了燃機循環效率的降低，這樣聯合循環的熱效率在15 ℃時最大。

圖11示出了環境溫度對燃機及其聯合循環相對輸出功率的影響，環境溫度為5 ℃時，燃機簡單循環輸出功率為額定功率的1.06倍，聯合循環輸出功率為額定功率的1.03倍；當環境溫度上升至30 ℃時，燃機簡單循環輸出功率僅為額定功率的0.86倍，聯合循環輸出功率為額定功率0.89倍。導致其原因有：

(1)當環境溫度升高時，即使機組的轉速和透平前的燃氣初溫保持恒定，壓氣機的壓比也將有所下降，導致燃氣透平做功減少，而燃氣透平的排氣溫度卻有所上升。

(2)雖然壓氣機的壓比降低，但由于環境溫度上升，壓氣機所消耗的比功卻增高，即燃機的凈出力減小。

環境溫度的升高，燃機及其聯合循環的基本負荷都會下降。但聯合循環相對輸出功率的減小趨勢要比燃機平緩，這是由于燃機排氣溫度的上升，余熱鍋爐獲得了更多能量，汽輪機出力相對增大造成的。當環境溫度降低時，聯合循環的相對輸出功率增加量要比燃機的增加量少，因為燃機排氣溫度下降導致汽輪機做功較少。

圖11　環境溫度對燃機聯合循環相對輸出功率的影響

3結束語

通過某電廠燃氣輪機的運行實踐和余熱鍋爐及汽輪機熱力性能的計算，得出以下主要結論：

(1)環境溫度對燃汽輪機熱力性能的影響：對燃機熱效率的影響并不顯著； 對排氣流量的影響是隨環境溫度的升高而下降；對排氣溫度的影響則與排氣流量相反，即環境溫度升高，排氣溫度升高。

(2)對余熱鍋爐熱力性能的影響：較高的環境溫度能提高高壓蒸氣產量，降低低壓蒸氣產量，降低尾部排煙溫度從而提高了余熱鍋爐的熱效率。

(3)對汽輪機熱力性能的影響：環境溫度的升高對提高汽輪機輸出功率有利。

(4)對整個燃-蒸聯合循環的熱力性能的影響主要是熱效率和相對輸出功率的變化，在ISO工況15 ℃時，聯合循環熱效率最高。

參考文獻

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Influence of Ambient Temperature on Thermal Performance of E-Class Gas-steam Combined Cycle

Dong Zi-chun, WANG Jun, CHEN Ming, XU Jin

(No.703 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150078, China)

Abstract:By using a gas turbine power plant operating data, to analyze influence of ambient temperature on thermal performance of three main equipments in gas-steam combined cycle at different operating load conditions. It contains the influences of ambient temperature on thermal efficiency, exhaust gas flows and temperature of gas turbine. By calculation ,to analyze influence of ambient temperature on high and low pressure steam flow rates, exhaust temperature and thermal efficiency of HRSG，to analyze influence of ambient temperature on output power, thermal efficiency of steam turbine. Finally summarize the influences of ambient temperature on thermal efficiency and relative output power of combined cycle, and the result shows it gets the highest thermal efficiency at 15 ℃.

Key words:Ambient temperature; Gas-steam combined cycle; Thermal performance; Thermal efficiency

中圖分類號：TK212.+4，TK472.+5

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0001-03

作者簡介：董自春(1985-)，男，工程師，中國船舶重工集團公司第七O三研究所。

收稿日期：2016-02-20

修訂日期：2016-03-07

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.001