燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組變負荷運行特性分析

黃偉棟，蘇明旭

（1.上海理工大學，上海200093；2.上海漕涇熱電有限責任公司，上海201507）

0 引言

燃氣輪機作為集新技術、新材料、新工藝于一身的新一代動力裝置，被譽為裝備制造業(yè)皇冠上的明珠，歐美等發(fā)達國家都將優(yōu)先發(fā)展燃氣輪機列為保障國家安全與能源安全的重大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)［1］。但是，由于能源政策、技術壟斷等方面的原因，我國燃氣輪機事業(yè)發(fā)展總體緩慢，在機組變工況特性方面的研究還有待完善［2］。燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組是由布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)構成的能源梯級利用系統(tǒng)［3］，聯(lián)合循環(huán)機組的性能受燃氣輪機運行特性影響較大。文獻［4］，文獻［5］采用Thermoflex 軟件建立了某200 MW 級整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機組系統(tǒng)仿真模型，分析了底循環(huán)系統(tǒng)的變工況運行特性，文獻［6］基于Apros 軟件建立了PG9171E型燃氣輪機仿真模型，分析了環(huán)境參數(shù)變化對燃氣輪機性能的影響，但缺乏對聯(lián)合循環(huán)機組系統(tǒng)關鍵運行參數(shù)的變負荷特性分析，因此有必要對聯(lián)合循環(huán)機組變負荷運行特性進行進一步研究。

高級過程仿真軟件（Advanced process simulation software，Apros）是由芬蘭國家科學院與富騰公司聯(lián)合研發(fā)的熱力系統(tǒng)仿真建模軟件［7-8］，其包含了豐富的熱力過程基本模塊庫，采用該工具可以方便地建立對象機組的系統(tǒng)仿真模型，為工程技術人員研究系統(tǒng)運行特性提供了極大的便利。

1 模型建立及計算條件

為分析燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的變負荷運行特性，采用Apros 軟件建立了其系統(tǒng)仿真模型［9］，如圖1所示。該系統(tǒng)由PG9171E 型燃氣輪機、抽汽凝汽式汽輪機以及立式螺旋翅片管自然循環(huán)余熱鍋爐構成，其中燃氣輪機包括17級軸流式壓氣機、燃燒室和3級透平，余熱鍋爐沿煙氣流程方向依次布置各級換熱器，用于將燃氣輪機排氣熱量換熱給凝結水產(chǎn)生高、低壓兩股蒸汽去汽輪機中做功，實現(xiàn)能源的梯級利用，機組的主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組系統(tǒng)設計工況Table 1 On-design of combined cycle gas turbine system

圖1 PG9171E型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組Apros仿真模型Fig.1 PG9171E gas-steam combined cycle unit simulation model based on Apros

2 燃氣輪機負荷率變化對聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

2.1 負荷率對燃氣輪機性能的影響

通常，燃氣輪機負荷調節(jié)方式有3 種，分別為等IGV 調節(jié)、等透平初溫調節(jié)和等排氣溫度調節(jié)［10］。圖2給出了本文研究對象PG9171E型燃氣輪機負荷率變化對壓氣機出口空氣溫度、壓氣機壓比和透平進口初溫的影響關系。

由圖2 可知，在燃氣輪機從滿負荷開始降負荷過程中，壓氣機出口溫度及壓氣機壓比均呈逐漸下降趨勢，而透平進口初溫先略微上升后快速下降。這是由于當燃氣輪機負荷率在100%至60%范圍內變化時，機組采用等透平初溫的方式調節(jié)機組負荷，在此過程中，壓氣機進口空氣流量隨著IGV 角度關小而逐漸降低，壓比也隨之降低。當燃氣輪機負荷率進一步降低時，機組采用等排氣溫度的方式進行負荷調節(jié)，透平排氣溫度保持不變，此時IGV角度繼續(xù)關小，而透平進口初溫則逐漸減小。

圖2 燃氣輪機負荷率變化對壓氣機出口空氣溫度、壓氣機壓比及透平進口初溫的影響Fig.2 Influence of variable gas turbine load rate on compressor outlet air temperature,compressor pressure ratio and turbine inlet temperature

圖3給出了燃氣輪機負荷率變化對機組排氣參數(shù)的影響規(guī)律，可見在PG9171E 型燃氣輪機負荷率從100%下降到60%過程中，燃氣輪機排氣溫度逐漸增加，而燃氣輪機排氣流量則呈下降趨勢。這是由于采用等透平初溫調節(jié)時，隨著機組負荷率的不斷下降，IGV角度逐漸關小，壓氣機進口空氣流量隨之減小，進而使得燃機排氣流量也逐漸降低。此時若保證燃氣透平初溫基本不變，則透平的排氣溫度將逐漸增加，當燃氣輪機負荷率降到60%時，透平排氣溫度將達到最大值。當燃氣輪機負荷率降到40%時，則不再通過減小IGV 角度來適應燃氣輪機負荷率的變化，而是直接降低進口天然氣量來降低機組負荷。

圖3 燃氣輪機負荷率變化對燃機排氣參數(shù)的影響Fig.3 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine exhaust parameters

2.2 負荷率對底循環(huán)系統(tǒng)性能的影響

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的蒸汽輪機采用全周進汽滑壓方式運行。因此在底循環(huán)系統(tǒng)蒸汽循環(huán)形式以及凝汽器運行壓力確定的情況下，底循環(huán)性能完全取決于燃氣輪機的排氣參數(shù)［11］。

圖4給出了燃氣輪機負荷率對高壓側蒸汽參數(shù)的影響關系。可以看出，當燃氣輪機負荷率由100%下降至60%時，高壓主蒸汽溫度逐漸上升，此后，隨著燃氣輪機負荷率的進一步下降，高壓主蒸汽溫度先緩慢下降后快速下降。當燃機負荷率為30%時，主蒸汽溫度為552.6 ℃，仍高于設計工況下的參數(shù)值。此外，由圖4可知，在燃氣輪機負荷率下降的過程中，高壓汽包壓力和高壓主蒸汽流量均呈先緩慢下降，后快速下降的變化規(guī)律。這是由于當燃氣輪機負荷率大于40%時，主要通過IGV角度變化來適應機組負荷率的變化，該調節(jié)方式一方面使得燃氣透平排氣溫度呈增大趨勢，另一方面使得燃氣輪機排氣流量逐漸下降，綜合兩方面的影響，燃氣輪機排氣熱量下降速度變緩，而在燃氣輪機40%～30%負荷范圍內，IGV 角度已關到最小值，此時燃氣透平排氣溫度下降較快，燃氣透平排氣流量也呈緩慢下降趨勢，最終導致高壓側熱力參數(shù)快速下降。

圖4 燃氣輪機負荷率變化對高壓側蒸汽參數(shù)的影響Fig.4 Influence of variable gas turbine load rate on high-pressure side parameters of bottoming cycle system

圖5給出了燃氣輪機負荷率對底循環(huán)系統(tǒng)低壓側參數(shù)的影響。由圖5 可見，低壓蒸汽溫度隨燃氣輪機負荷率的降低呈下降趨勢，故低壓過熱器一般不存在超溫的可能性，無需設置減溫裝置。此外，圖5顯示當燃氣輪機負荷率由100%降至40%時，低壓側主要熱力參數(shù)均下降較快，這是由于采用改變IGV 角度調節(jié)燃氣輪機負荷時，煙氣流量的快速降低導致低壓汽包吸熱量相對減小較快，故低壓汽包壓力及低壓蒸汽流量均下降較快。在燃氣輪機負荷率由40%降至30%過程中，低壓蒸汽流量及低壓汽包壓力均波動不大。

圖5 燃氣輪機負荷率變化對低壓側蒸汽參數(shù)的影響Fig.5 Influence of variable gas turbine load rate on low-pressure side parameters of bottom cycle system

圖6 給出了燃氣輪機負荷率對底循環(huán)系統(tǒng)高、低壓節(jié)點溫差及接近點溫差的影響關系。由圖6 可見，在燃氣輪機負荷率由100%下降到40%過程中，高、低壓節(jié)點溫差均呈下降趨勢，而高、低壓接近點溫差均呈上升趨勢，這是由于在該負荷率變化區(qū)間內，燃氣輪機負荷調節(jié)方式使得燃機排氣溫度逐漸增加。隨著燃氣輪機負荷率進一步降低，底循環(huán)系統(tǒng)節(jié)點溫差將逐漸增大，接近點溫差也不斷減小，這對機組的安全經(jīng)濟運行不利，故應盡量避免燃氣輪機在低負荷條件下長時間運行。

圖6 燃氣輪機負荷率變化對節(jié)點溫差、接近點溫差的影響Fig.6 Influence of variable gas turbine load rate on node temperature difference and approach point temperature difference of bottom cycle system

圖7給出了燃氣輪機負荷率對底循環(huán)系統(tǒng)汽輪機功率以及余熱鍋爐效率的影響關系。可見在燃氣輪機負荷率100%～40%范圍內，隨著燃氣輪機負荷下降，余熱鍋爐效率逐漸提高，而汽輪機功率卻逐漸降低。在燃氣輪機負荷率低于40%時，余熱鍋爐效率及汽輪機功率均呈下降趨勢［12-13］。隨著燃氣輪機負荷率的降低，燃氣輪機排氣熱量逐漸減小，余熱鍋爐吸熱量也隨之降低，直接導致汽機側輸出功率的下降，而余熱鍋爐當量效率與燃氣輪機排氣溫度直接相關，因此其變化趨勢直接受燃氣輪機排氣溫度的影響。

2.3 負荷率對聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

圖7 燃氣輪機負荷率變化對余熱鍋爐效率和汽輪機功率的影響Fig.7 Influence of variable gas turbine load rate on efficiency of heat recovery steam generator and steam turbine power

圖8 給出了燃氣輪機負荷率對燃氣輪機熱耗率、汽輪機熱耗率及聯(lián)合循環(huán)熱耗率的影響關系。由圖8可見，隨著燃氣輪機負荷率的上升，燃氣輪機熱耗率及聯(lián)合循環(huán)熱耗率均呈下降趨勢，而汽輪機熱耗率則先下降后上升，因此燃氣輪機負荷率越高，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行經(jīng)濟性越好。當燃氣輪機負荷率由100%降至30%時，燃氣輪機熱耗率上升42%左右，聯(lián)合循環(huán)熱耗率上升18%左右，可見，采取等透平初溫調節(jié)方式，有利于提升聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況的運行經(jīng)濟性。此外，圖8 顯示出在燃氣輪機負荷率為60%時，汽輪機熱耗率達最低值，這是由于高壓主蒸汽溫度在燃氣輪機負荷率為60%時達最高值，而其他影響汽機熱耗率的參數(shù)，如高壓進汽流量及壓力等值的波動不大。

圖8 燃氣輪機負荷率變化對燃機熱耗率、汽機熱耗率、聯(lián)合循環(huán)熱耗率的影響Fig.8 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine heat rate,turbine heat rate and combined cycle unit heat rate

3 結語

對于采取變IGV角度等透平初溫調節(jié)方式運行的機組，隨著燃氣輪機負荷下降，燃氣輪機排氣溫度呈先上升后下降趨勢，燃氣輪機排氣流量逐漸降低；隨著燃氣輪機負荷逐漸降低，高壓主蒸汽溫度與燃氣輪機排氣溫度變化趨勢一致，低壓蒸汽溫度隨燃氣輪機負荷的降低而逐漸下降；隨著燃氣輪機負荷逐漸降低，高、低壓節(jié)點溫差呈逐漸下降趨勢，高、低壓接近點溫差呈逐漸上升趨勢，因此在燃氣輪機低負荷運行時，更應關注省煤器系統(tǒng)運行的安全性。對于采取變IGV角度等透平初溫調節(jié)方式的燃氣輪機，有利于提升聯(lián)合循環(huán)機組部分負荷工況運行的經(jīng)濟性。

［參考文獻］（References）

［1］ 張文毓.燃氣輪機的市場分析［J］.上海電氣技術，2016，9（02）：78-82.ZHANG Wenyu.Market analysis for gas turbines［J］.Journal of Shanghai Electric Technology，2016，9（02）：78-82.

正如王小景會用《王者榮耀》來描述大東溝海戰(zhàn)，每個人都在用自己熟知的知識體系去理解，得到新的感悟。那么，古老的大清帝國熟知的是什么知識體系，他會如何理解海洋的時代？

［2］ 胡玉劍，王義邦.凝汽器加裝小真空泵維持真空運行的可行性分析［J］.湖北電力，2016，40（08）：27-29.HU Yujian，WANG Yibang. Feasibility analysis of the addiction of vacuum pump for running condenser［J］.Hubei Electric Power，2016，40（08）：27-29.

［3］ 李海峰，汪蓓.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組一次調頻性能優(yōu)化［J］.湖北電力，2017，41（01）：44-46.LI Haifeng，WANG Bei.Performance optimization of primary frequency modulation control for gas-steam combined cycle unit［J］.Hubei Electric Power，2017，41（01）：44-46.

［4］ 陳曉利，吳少華，李振中，等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)三壓再熱底循環(huán)系統(tǒng)變工況特性［J］.中國電機工程學報，2010，30（23）：8-13.CHEN Xiaoli，WU Shaohua，LI Zhenzhong，et al.Off-design characteristics of three-pressure with reheat bottom cycle system in integrated gasification combined cycle ［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（23）：8-13.

［5］ 陳曉利，張東曉，吳少華，等.燃氣輪機調節(jié)方式對IGCC系統(tǒng)變工況性能的影響［J］.燃氣輪機技術，2011，24（01）：1-5，15.CHEN Xiaoli，ZHANG Dongxiao，WU Shaohua，et al.Effects of gas turbine's regulation modes on off-design performance of IGCC［J］.Gas Turbine Technology，2011，24（01）：1-5，15.

［6］ 朱正香，韓朝兵，司風琪，等.基于高級過程仿真軟件APROS 的燃氣輪機性能分析［J］.熱能動力工程，2015，30（04）：551-557.ZHU Zhengxiang，HAN Chaobing，SI Fengqi，et al.Analysis of gas turbine performance based on the advanced process simulation software［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2015，30（04）：551-557.

［7］ 許建，夏際先，王曉東，等.基于APROS的聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐仿真模型［J］.鍋爐技術，2018，49（02）：1-7.XU Jian，XIA Jixian，WANG Xiaodong，et al.A simulation model of HRSG in combined cycle plant based on advanced process simulation software［J］.Boiler Technology，2018，49（02）：1-7.

［9］ 韓朝兵，黃偉棟，黃素華，等.底循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)對燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組經(jīng)濟性的影響［J］.熱能動力工程，2019，34（03）：8-17.HAN Chaobing，HUANG Weidong，HUANG Suhua，et al.Influence of bottoming cycle parameters on the economic performance of gas-steam combined cycle unit［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2019，34（03）：8-17.

［10］ 趙士杭，葉海文.壓氣機靜葉可調對燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)變工況性能的影響［J］.熱能動力工程，1990，5（06）：1-4.ZHAO Shihang，YE Haiwen. The effect of variable compressor vanes on gas turbine and combined cycle power plant off—design performance［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，1990，5（06）：1-4.

［11］ 鄭炯智，張國強，許彥平，等.頂?shù)籽h(huán)參數(shù)對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)全工況性能影響分析［J］.中國電機工程學報，2016，36（23）：6418-6431.ZHENG Jiongzhi，ZHANG Guoqiang，XU Yanping，et al.Analysis of topping and bottoming cycle parameters on the performance of the combined cycle at design/off-design condition［J］.Proceedings of the CSEE，2016，36（23）：6418-6431.

［12］ 高建強，張穎，陳鴻偉，等.燃氣輪機排氣溫度對聯(lián)合循環(huán)熱經(jīng)濟性的影響［J］.動力工程學報，2011，31（04）：263-267.GAO Jianqiang，ZHANG Ying，CHEN Hongwei，et al.Influence of exhaust gas temperature on thermal economy of gas-steam combined cycle units［J］. Chinese Journal of Power Engineering，2011，31（04）：263-267.

［13］ 陳盈盈，向文國，丁立旗.9FA 型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)性能研究［J］.燃氣輪機技術，2006，19（02）：21-24，29.CHEN Yingying，XIANG Wenguo，DING Liqi. The performance study of 9FA gas turbine combined cycle［J］.Gas Turbine Technology，2006，19（02）：21-24，29.