淺談進(jìn)氣溫度對(duì)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

嚴(yán)志遠(yuǎn)

（國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，江蘇 南京 210033）

0 前言

燃機(jī)是以空氣為做功介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，因此空氣溫度對(duì)燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)的性能影響較大。關(guān)于空氣溫度對(duì)燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能影響的研究，大多數(shù)是針對(duì)燃機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行工況展開(kāi)的。研究結(jié)果指出燃機(jī)是定容運(yùn)行設(shè)備，環(huán)境溫度升高，燃機(jī)效率和負(fù)荷均會(huì)下降[1-3]，進(jìn)氣冷卻可以提高燃機(jī)效率及聯(lián)合循環(huán)的滿(mǎn)負(fù)荷出力[4-6]。受制于國(guó)內(nèi)發(fā)電政策，燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組多承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，以部分負(fù)荷運(yùn)行。在國(guó)內(nèi)燃機(jī)較多的省份，例如北京、天津、廣東和江蘇等地，燃機(jī)負(fù)荷率為50%～80%。在此區(qū)間內(nèi)，燃機(jī)熱耗大幅增加，從 圖1中可以看到，燃機(jī)負(fù)荷率為50%時(shí)，燃機(jī)熱耗增加約30%。實(shí)踐表明，通過(guò)加熱燃機(jī)入口空氣可以有效地提高燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱效率。

為了深入研究進(jìn)氣加熱對(duì)燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)的性能影響，該文基于Thermoflex軟件燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)模型，從機(jī)組及系統(tǒng)方面分析進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響。

1 進(jìn)氣溫度對(duì)單燃機(jī)性能影響

對(duì)于燃機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣溫度即環(huán)境溫度。表1為北京某燃機(jī)電廠在不同環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度）下，燃機(jī)負(fù)荷、燃料流量、IGV角度和燃機(jī)效率的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在燃機(jī)負(fù)荷保持不變的情況下，從冬季變化到夏季，環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度）升高20.81 ℃時(shí)，IGV角度增加了3.16°，燃機(jī)效率增加了0.6%，當(dāng)環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度）升高到24.79 ℃時(shí)，燃機(jī)效率增加幅度更大，為0.86%。

表1 環(huán)境溫度對(duì)某燃機(jī)運(yùn)行性能影響數(shù)據(jù)表

應(yīng)用ThermoFlex熱平衡通用計(jì)算軟件分析了環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度）對(duì)燃機(jī)性能的影響，燃機(jī)熱耗變化如圖2所示。可以看到，隨著環(huán)境溫度（進(jìn)氣溫度）的升高，燃機(jī)熱耗（效率）在逐漸降低（升高），且隨著負(fù)荷的增加，變化的幅度在逐漸減小。

圖1 燃機(jī)熱耗隨負(fù)荷率變化曲線(xiàn)（以100%負(fù)荷時(shí)為基準(zhǔn)）

圖2 某燃機(jī)熱耗隨進(jìn)氣溫度變化曲線(xiàn)

2 進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能影響

某F級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組性能保證工況數(shù)據(jù)作為模型設(shè)計(jì)依據(jù)，見(jiàn)表2。在Thermoflex軟件上建立該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力系統(tǒng)模型，分析加熱燃機(jī)入口空氣對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能影響。在該模型中，不考慮熱源，直接改變?nèi)紮C(jī)進(jìn)氣溫度。

表2 計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能影響

對(duì)該F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行熱平衡計(jì)算，得到全廠熱耗、燃機(jī)負(fù)荷、燃機(jī)熱耗變化曲線(xiàn)，如圖3～圖5所示。其中，200 MW對(duì)應(yīng)50%負(fù)荷、300 MW對(duì)應(yīng)80%負(fù)荷。

圖3 全廠熱耗隨進(jìn)氣溫度變化曲線(xiàn)

圖3為聯(lián)合循環(huán)全廠熱耗隨進(jìn)氣溫度的變化曲線(xiàn)。可以看到，進(jìn)氣溫度的提高可以有效降低部分負(fù)荷工況下聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱耗，而且聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷越低，熱耗降低幅度越大，如進(jìn)氣溫升20 ℃，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為200 MW（50%負(fù)荷）時(shí)，熱耗降低102 kJ/kWh，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為300 MW（80%負(fù)荷）時(shí)，熱耗降低76 kJ/kWh。

圖4為進(jìn)氣溫度變化時(shí)，聯(lián)合循環(huán)中燃機(jī)負(fù)荷的變化曲線(xiàn)。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以部分負(fù)荷運(yùn)行，總出力保持一定，隨著進(jìn)氣溫度的提高，燃機(jī)和汽機(jī)負(fù)荷會(huì)進(jìn)行再分配，燃機(jī)負(fù)荷會(huì)降低，且全廠負(fù)荷越高，燃機(jī)負(fù)荷降低幅度越大，如進(jìn)氣溫升20 ℃，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為200 MW（50%負(fù)荷）時(shí)，燃機(jī)負(fù)荷降低1.3 MW，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為300 MW（80%負(fù)荷）時(shí)，燃機(jī)負(fù)荷降低2 MW。

圖5為進(jìn)氣溫度變化時(shí)，聯(lián)合循環(huán)中燃機(jī)熱耗的變化曲線(xiàn)。圖5和圖2中的變化曲線(xiàn)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。對(duì)圖5的理解，需要結(jié)合圖1、圖2和圖4來(lái)進(jìn)行分析。燃機(jī)在負(fù)荷降低時(shí)燃機(jī)熱耗會(huì)增加（圖1），提高進(jìn)氣溫度可以使以部分負(fù)荷工況運(yùn)行的燃機(jī)熱耗降低（圖2），對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，提高進(jìn)氣溫度時(shí)燃機(jī)負(fù)荷會(huì)下降（圖4），所以在提高進(jìn)氣溫度及燃機(jī)負(fù)荷下降的綜合作用下，燃機(jī)熱耗變化較為復(fù)雜，呈現(xiàn)先增加后降低或者直接降低的趨勢(shì)。

圖4 燃機(jī)負(fù)荷隨進(jìn)氣溫度變化曲線(xiàn)

圖5 燃機(jī)熱耗隨進(jìn)氣溫度變化曲線(xiàn)

2.2 進(jìn)氣加熱經(jīng)濟(jì)性分析

如果聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以某一部分負(fù)荷運(yùn)行5 000 h，進(jìn)氣加熱的熱源為電廠低品位廢熱，即不考慮熱源的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組每年節(jié)省天然氣流量如圖6所示。可以看到，進(jìn)氣溫升20 ℃時(shí)，年節(jié)省天然氣流量約303萬(wàn)Nm3～337萬(wàn)Nm3，如果按照天然氣價(jià)2.4元/Nm3計(jì)算，年節(jié)約727 萬(wàn)元～808萬(wàn)元。

圖6 節(jié)省天然氣流量隨進(jìn)氣溫度變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

該文基于Thermoflex軟件，建立了某燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)模型，從機(jī)組及系統(tǒng)分析了進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)的性能影響，得到3個(gè)結(jié)論：1）燃機(jī)或聯(lián)合循環(huán)以部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提高進(jìn)氣溫度可以有效地改善燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行性能，提高燃機(jī)或聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行效率。2）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以部分負(fù)荷運(yùn)行，提高進(jìn)氣溫度會(huì)降低燃機(jī)負(fù)荷，使燃機(jī)效率呈現(xiàn)了較復(fù)雜的變化趨勢(shì)。3）對(duì)于長(zhǎng)期部分負(fù)荷運(yùn)行的燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，采用低品位余熱或廢熱作為進(jìn)氣加熱熱源，可以節(jié)省大量天然氣成本。