燃氣—蒸汽聯合循環裝置效率變化對機組煤耗影響計算方法探討

【摘要】本文通過分析計算，推導出了燃機效率計算公式，再以此計算公式為基礎，分析了裝置效率變化后對整個聯合循環效率和煤耗的影響及變化關系，對于電廠節能工作的開展指明了方向，奠定了理論基礎。

【關鍵詞】燃氣輪機；余熱鍋爐；蒸汽輪機；煤耗；變化；效率

前言

燃氣-蒸汽聯合循環機組與燃煤機組相比具有效率高、污染小、啟停快、調峰性能好、節水、廠用電率低等優點。因此得到了快速發展。隨著燃氣-蒸汽聯合循環機組在我國的大力發展，對燃機電廠節能工作的開展也越來越重視，如何分析計算聯合循環裝置效率變化對機組煤耗的影響，進而指導燃機電廠節能工作的開展就顯得尤為重要。

下面以非補燃式聯合循環機組為例，先推導出聯合循環效率計算公式，然后再以此公式為基礎，通過實例計算來分析燃機電廠各裝置效率變化對聯合循環機組煤耗的影響。

1、聯合循環機組效率公式

圖1為典型非補燃式聯合循環機組能量平衡關系圖。

圖中：—吸入壓氣機的空氣所攜帶的熱能；—燃氣輪機燃燒室燃燒效率；—燃料低位發熱量；—燃料物理顯熱；—燃氣輪機對外散熱；—進入余熱鍋爐燃氣所攜帶的熱能；—蒸汽輪機給水系統供入余熱鍋爐給水所攜帶的熱能；—蒸汽輪機高壓缸排汽進入余熱鍋爐所攜帶的熱能；—余熱鍋爐產生的主蒸汽所攜帶的熱能；—經余熱鍋爐加熱后的再熱蒸汽所攜帶的熱能；—雙壓余熱鍋爐中產生的低壓蒸汽所攜帶的熱能；—余熱鍋爐排向大氣的燃氣所攜帶的熱能；—蒸汽輪機通過凝汽器排向外界冷源的熱能；—燃氣輪機軸端功率；—蒸汽輪機軸端功率。

根據圖1中能量平衡關系，忽略燃料物理顯熱的影響，根據熱效率概念，則燃氣-蒸汽聯合循環的熱效率為：

式中，，稱為余熱鍋爐當量效率。

這就是燃氣-蒸汽聯合循環裝置的熱效率計算公式。

為計算方便，假設燃氣輪機、蒸汽輪機的機械效率和發電機效率相同，即==、==，則

再考慮到機組廠用電率影響，則燃氣-蒸汽聯合循環裝置供電效率計算公式為

2、聯合循環機組各裝置效率變化對機組效率的影響及其對機組煤耗影響的分析計算

通過上面的推導，我們得到了燃氣-蒸汽聯合循環裝置供電效率計算公式。為便于計算及分析，假定機械效率為定值，令

。則

對上式求微分，并經整理后，得到

式中： 為有關系數，為各相應參數的相對變化量。即、、、、、。

對關系式進行變形，并經整理后，得到：

式中： 為有關系數，為各相應參數的絕對變化量。即、、、、、

根據上面公式，就可以求得各參數變化后對聯合循環供電效率的影響關系，進而求得各參數變化后對聯合循環供電煤耗的影響關系。

2.1 聯合循環機組各裝置效率變化（絕對值）對機組效率影響計算實例

假設某聯合循環機組各裝置參數如下：燃機效率；汽機效率；余熱鍋爐效率；燃機燃燒器燃燒效率；機組廠用電率；聯合循環裝置供電效率。

根據上面推導的計算公式，我們首先計算燃機效率變化1%引起的聯合循環效率變化量。計算時假定其它各參數不變，僅燃機效率由額定值0.35（）降至0.34（），則

于是，燃機效率下降后聯合循環裝置供電效率為

用同樣的方法可以計算出其它各裝置效率變化（下降）1%后對聯合循環機組效率的影響結果，各種變化影響值計算結果如下：

從計算結果可以看出：燃機效率每下降1%，聯合循環供電效率下降0.674%；汽機效率每下降1%，聯合循環供電效率下降0.54%；余熱鍋爐每下降1%，聯合循環供電效率下降0.209%；發電廠用電率每下降1%，聯合循環供電效率升高1.031%。

在實際應用計算中，考慮到余熱鍋爐散熱、蒸汽管道散熱等影響因素，在實際計算時可將散熱系數并入余熱鍋爐效率中來進行計算。

通過上面的計算實例可以看出，只要我們知道了聯合循環某一裝置的效率變化數據，就可以非常方便的計算出整個裝置效率的變化情況。

2.2 聯合循環機組煤耗計算實例。為了比較燃氣-蒸汽聯合循環機組的性能，常用供電煤耗指標進行比對。對對于煤耗計算，燃煤機組一般有兩種方法：正平衡煤耗計算和反平衡煤耗計算，其中反平衡煤耗計算方法主要用來對正平衡數據進行校訂和驗證，必要時進行修正，這主要是受燃煤測量局限性影響。而對于燃氣-蒸汽聯合循環機組，由于天然氣流量測量、熱值測量比較準確，影響煤耗計算準確性的因素已不復存在，因此，對于燃氣-蒸汽聯合循環電廠而言，一般均通過正平衡方法去計算煤耗，而不再采用反平衡去校驗，這是和燃煤機組煤耗計算不同的地方。下面以實例來說明燃氣-蒸汽聯合循環供電煤耗計算方法。

某燃機具體參數如下：燃機功率，汽機功率，天然氣標況流量，天然氣低位熱值，標煤低位熱值，發電廠用電率為。則燃氣-蒸汽聯合循環發電標煤耗為：

考慮到機組廠用電率，則燃氣-蒸汽聯合循環供電標煤耗為：

通過上面公式就可以計算出聯合循環裝置的供電煤耗。

2.3 聯合循環各裝置效率變化對機組煤耗變化影響計算實例。在燃氣-蒸汽聯合循環電廠的節能日常管理中，聯合循環機組各裝置的效率是實時變化的，為了對機組性能進行比較，分析各裝置效率變化對聯合循環機組煤耗的影響，找出影響機組經濟性能的影響因素，進而指導機組節能工作的開展，經常需要分析燃機效率、汽機效率、余熱鍋爐效率及廠用電率變化對機組供電煤耗的影響。在廠家提供的相關資料中，已經明確表述了相關小指標（如真空對汽機的影響、壓氣機壓差對燃機的影響、壓氣機進氣溫度對燃機的影響）對各裝置性能的具體影響，如燃機資料中就明確提到：燃機壓氣機進氣壓差每升高4inH2O，燃機出力下降1.5%，燃機熱耗增加0.5%；燃機排氣壓力每升高4inH2O，燃機出力下降0.5%，燃機熱耗增加0.5%。但其對燃氣-蒸汽聯合循環經濟性能的影響，資料中并未提及，這就需要找到一個計算公式來分析其相互關系，以用于指導開展日常的節能工作的管理。

通過2.1的實例計算我們已經知道：假定聯合循環機組其它裝置效率不變，在聯合循環機組某一裝置效率變化后，其效率變化和聯合循環機組效率的變化關系。如燃機效率由額定值0.35（）降至0.34（）后，聯合循環的供電效率將下降0.671%，達到50.43%。假定原聯合循環的供電效率為，則燃機效率下降后聯合循環的供電效率降至-0.674%，于是我們就可以根據2.2提供的計算公式計算出聯合循環效率下降后對機組供電煤耗的影響。即通過效率變化轉化為煤耗變化，進而得出對煤耗的影響。于是：

即燃機效率由額定值0.35（）降至0.34（）后，聯合循環的供電煤耗將增加3.2g/kWh。

用同樣的方法可以計算出聯合循環機組其它設備效率絕對變化1%后（仍以2.1計算數據為基礎）對機組煤耗的影響結果，結果如下：

上述計算結果是以設備效率絕對變化1%為基礎進行計算的，并且是和設計值進行比較分析的，對于效率其它變化數值，計算方法類似。

同時我們也可以以上面計算基礎，分別比較不同效率下的煤耗關系，進而得出不同效率下對煤耗的影響關系，而且不論設備效率如何變化，計算方法均相同。

通過上面的分析和計算實例可以看出，只要我們知道了某一小指標（如燃機壓氣機進氣壓差每升高4inH2O，燃機熱耗增加0.5%）對聯合循環某一裝置效率變化關系，就可以計算出該裝置的效率變化情況，進而根據2.2、2.3提供的計算公式非常方便的計算出其對整個裝置效率變化情況和聯合循環機組煤耗的變化情況，進而分析其影響。

3、結論

3.1 通過上面的分析可知：在燃氣輪機、蒸汽輪機、余熱鍋爐這三大主要設備中，在效率絕對變化量相同的情況下，燃機對整個聯合循環的效率影響較大，蒸汽輪機次之，余熱鍋爐運行最小。這就給燃氣-蒸汽聯合循環機組節能工作的開展指明了方向，即要高度重視燃機節能，抓住主要矛盾，實現節能目的。

3.2 通過上面的分析和計算，我們推導出了燃機、汽機、余熱鍋爐等設備效率變化對機組供電煤耗影響的計算公式，對指導開展日常節能分析具有指導意義。

3.3 同時通過上面的分析和推導，對燃機電廠的效率進行了整理，便于燃機電廠開展節能管理工作，為日常性能分析奠定了堅實的理論基礎。

作者簡介：張健（1971-），男，河南安陽人，本科，浙江大唐國際江山新城熱電有限責任公司，工程師。研究方向：燃機運行管理。