大气温度和压力对9E型联合循环机组性能的影响

刘 闯，刘 勇，金仁瀚，李鹏飞，岳孟赫

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016)



大气温度和压力对9E型联合循环机组性能的影响

刘 闯，刘 勇，金仁瀚，李鹏飞，岳孟赫

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016)

燃机；联合循环；变工况

目前，燃气-蒸汽联合循环方式能较大程度地提高火力发电机组的热效率，有效缓解环境污染，在国内外有着较大的发展空间。由于燃气轮机(以下简称燃机)对大气环境较为敏感[1]，所以大气环境的变化会较大程度地影响燃机运行特性，进而影响整台联合循环机组的性能，但文献[2-4]均研究表明：大气湿度对燃机及其联合循环机组性能的影响可以忽略不计。因此，为了全面掌握机组运行特性和提高机组运行效率，有必要对不同大气压力和温度下燃机及其联合循环发电机组的性能进行研究。

国内外对燃机及其联合循环发电机组的数学模型和不同大气环境下机组的性能进行了大量研究。文献[5]利用燃机运行数据对各部件变工况通用解析解进行修正，采用拟合的方法得到了燃机和部件的变工况性能曲线及其表达式。文献[6]采用逐级建模的方法对燃机压气机和透平进行建模，并最终建立了燃机一维动态仿真模型。文献[5-6]研究成果表明：对机组各部件建立数学模型有助于整台机组的数学建模。文献[7]以S109FA型燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，建立了燃机、余热锅炉和蒸汽轮机数学模型，并分析了机组在全工况下的运行特性和参数变化。文献[8] 以7EA燃机及其联合循环机组为研究对象，分析了热力参数偏离设计参数的原因和燃机各部件性能对燃机功率的影响。文献[7-8]研究结果表明：不同机型机组的数学模型不具有通用性，需要针对性地建模。

文献[9]叙述大气环境对燃机及其联合循环发电机组性能的影响规律，并未针对某种机型做定量具体分析。文献[4]描述了9E燃机机组的功率随大气环境的变化情况，但没有对燃机效率受大气环境影响情况做详细分析。文献[10]以M701F型燃机及其联合循环机组为研究对象，模拟并分析了大气压力和温度对机组性能的影响，但并未用机组实际运行数据进行验证。上述研究结果表明：对于不同型号燃机及其联合循环机组在不同大气压力和温度下的运行特性研究还存不足之处。

1 各部件数学模型

图1 PG9171E型燃气蒸汽联合循环机组 模块连接示意图

1.1 压气机模型

为了研究燃机及其联合循环机组在变工况下的运行特性，首先要掌握压气机的变工况特性。文献[12]提供了PG9171E型压气机的建模方法， 根据此方法可把压气机压比和效率表示为：

(1)

式中：Ga为压气机进气质量流量；T1为压气机进气温度；P1为压气机进气压力；nc为压气机转速。

1.2 燃烧室模型

燃料与压缩后的空气在燃烧室内近似于等压条件下发生氧化放热反应，使燃料的化学能转化成热能。计算过程中采用零维模型对燃烧室燃烧过程进行简化处理，燃烧室内的热平衡方程如式(2)所示。

(2)

1.3 燃机透平模型

单轴燃机在运行时满足如下条件：① 压气机和透平转速相同；② 压气机的压比经过压力损失后等于透平的膨胀比。所以，燃机透平转速和膨胀比可分别如式(3)、式(4)所示。

nt=nc

(3)

πt=ζ1ζ2ζ3πc

(4)

燃机透平效率为

(5)

1.4 余热锅炉模型

将烟气和汽水换热流程划分3个温区段，分别建立每个温区段的热平衡方程，见式(8)～(10)。

T4—TΔh烟气温区的热平衡方程为：

Ggcpg1(T4-TΔh)=MsH(hsOH-hsatwH)

(8)

其中：cpg1为T4—TΔh温度区间内的烟气平均定压比热容；T4为余热锅炉进口烟气温度；TΔh为高压节点温差对应的烟气温度；MsH为高压蒸汽质量流量；hsOH为高压蒸汽比焓；hsatwH为高压饱和水比焓。

TΔh—TΔl烟气温区的热平衡方程为：

Ggcpg2(TΔh-TΔl)=MsH(hsatwH-hwc′L)+

MsL(hsOL-hsatwL)

(9)

其中：cpg2为TΔh—TΔl温度区间内的烟气平均定压比热容；TΔl为低压节点温差对应的烟气温度；hwc′L为低压省煤器出口比焓；MsL为低压蒸汽质量流量；hsOL为低压蒸汽比焓；hsatwL为低压饱和水比焓。

TΔl—Tg烟气温区的热平衡方程为：

Ggcpg3(TΔl-Tg)=MsH(hwc′L-hfw)+

MsL(hsatwL-hfw)

(10)

其中：cpg3为TΔl—Tg温度区间内的烟气平均定压比热容；Tg余热锅炉排烟温度；hfw为低压给水比焓。

1.5 蒸汽透平模型

汽轮机输出功率为：

Wt=MsH(hsOH-hpq)+

MsL(hsOL-hpq)+Mcq(hcq-hpq)

(11)

其中：hpq为蒸汽轮机排汽比焓；Mcq为抽汽质量流量；hcq为抽气比焓。

2 模拟系统的验证

2.1 额定工况下模拟系统验证

为了验证模拟系统的正确性，分别对联合循环机组在ISO工况(大气温度为15 ℃，大气湿度为60%，大气压力为101.3 kPa)，冬季纯凝工况(大气温度为3.5 ℃，大气湿度为76%，大气压力为102.42 kPa)，夏季纯凝工况(大气温度为29.4 ℃，大气湿度为79%，大气压力为101.32 kPa)进行了验证，燃机轮机采用等燃气初温调节方式。表1～3所示为3种设计工况下联合循环机组主要参数的模拟值与设计值对比。

表1 ISO工况下模拟值和设计值比较

表2 冬季纯凝工况下模拟值和设计值比较

表3 夏季纯凝工况下模拟值和设计值比较

通过3种设计工况下联合循环机组各参数的计算值和设计值对比可知：一方面由于天然气低位发热量的计算值比设计值稍高，使得天然气质量流量减少；另一方面未考虑到摩擦等因素引起的轴功损失，从而导致了燃机输出功率比设计值稍高。在计算过程中未考虑余热锅炉与外界进行热量交换而引起的热损失以及高低压蒸汽管道的压力损失等，从而导致了高低压蒸汽质量流量的计算值偏大。且未考虑汽机的轴功损失，因此汽机有功功率的计算值也偏大。综合计算结果与设计值的对比可见：联合循环机组在3种额定工况下的模拟值和设计值相差较小，在误差范围之内，证明了模拟系统的正确性。

2.2 全年变工况下模拟系统验证

图2 某年双月份模拟值和运行值的对比

从图2可以看到：从2到12月份，燃机功率和联合循环功率的模拟值均大于运行值，相对误差在1.39%～3.8%，大于机组在设计工况下的相对误差。这是由于机组长时间运行造成的设备老化、叶片积灰等因素而导致的，但相对误差值均小于4%，满足误差要求，进一步验证了该机组系统模型的正确性和实用性。

3 大气环境对燃机及联合循环机组性能的影响

3.1 大气温度燃机及联合循环机组性能的影响

大气温度的上升会导致空气密度减小，从而使压气机进口空气质量流量减少，进而影响燃机及其联合循环机组的运行特性。图3为大气温度对燃机及其联合循环机组的影响情况，其中运行值是选取联合循环机组300个时刻的历史运行数据，以大气温度为横轴，分别以燃机功率、燃机效率、联合循环功率和联合循环效率为纵轴而得到的。模拟值是以运行值的平均大气压力作为进口条件而模拟得出的。

由图3(a)可知：燃机功率模拟值拟合直线和运行值拟合直线均随大气温度上升而下降。这是由于大气温度上升导致空气密度减小，从而使压气机进口空气质量流量减少和燃料流量减少，进而使得燃机功率下降。从模拟值拟合直线可以得出，大气温度每上升10 ℃，燃机功率约减小6.5%。

由图3(b)可以得出，大气温度的升高使得燃机效率模拟值拟合直线和运行值拟合直线均随之减小。从燃机效率模拟值拟合直线可以得出：大气温度每上升10 ℃，燃机热效率减小1.5%左右。因此，大气温度的升高不利于提高燃机功率和效率。

由图3(c)可知：联合循环功率模拟值拟合直线和运行值拟合直线均随大气温度上升而下降。燃机功率的下降使得燃机排气焓值降低，从而使得汽机功率也随之下降，所以联合循环功率会下降。从模拟值拟合直线可以得出：大气温度每升高10 ℃，联合循环功功率约减少4.8%。

从图3(d)中可以看出：联合循环效率随大气温度的升高而有所上升。这是由于大气温度升高使得燃机排气温度升高，有利于余热锅炉换热，从而使汽机热效率升高，最终使得联合循环效率升高。从模拟值拟合直线可以得出：大气温度每升高10 ℃，联合循环效率约升高0.18%。综合联合循环功率和效率的模拟值及运行值对比情况来看：大气温度的升高，使得联合循环功率有所下降，但可以提高联合循环机组效率。

图3 大气温度对燃机及其联合循环机组的影响

3.2 大气压力对燃机及联合循环机组性能的影响

大气压力的变化可以改变空气的密度，导致压气机进口空气质量流量等发生一系列变化，最终影响整台联合循环机组的运行特性和经济性。图4为大气压力对燃机及其联合循环机组的影响情况，其中运行值是选取联合循环机组300个时刻的运行数据，以大气压力为横轴，分别以燃机功率、燃机效率、联合循环功率和联合循环效率为纵轴而得到的，模拟值是以运行值的平均大气温度作为进口条件而模拟得出的。

由图4(a)可知：燃机功率模拟值拟合直线和运行值拟合直线均随大气压力的升高而呈现上升趋势。这是由于大气压力升高，使得空气密度升高，进而使得压气机进口质量流量升高和燃料流量升高而导致的。从模拟值拟合直线可以得出：大气压力每升高0.2 kPa，燃机功率升高0.21%左右。

由图4(b)可知:燃机效率模拟值几乎不随大气压力的变化而变化，这是由于燃机功率和燃料质量流量同步升高而导致的，而对于燃机效率运行值随大气压力的升高而出现轻微上升趋势，这是由于大气温度的变化引起的。由燃机功率和效率的模拟值及运行值的对比可知：大气压力上升会增加燃机的输出功率，但几乎不影响燃机效率。

由图4(c)可知：大气压力上升使得联合循环功率增加。这是由于燃功率的增加使得燃机排气焓值增加，从而使得汽机功率上升，最终导致联合循环功率增加。从模拟值拟合直线可以得出：大气压力每升高0.2 kPa，联合循环功率升高0.21%左右。

由图4(d)可知:联合循环效率模拟值几乎不受大气压力的影响， 但其运行值随大气压力的升高出现轻微下降趋势，这是由于大气温度的变化而导致的。综合联合循环功率和效率的模拟值及运行值可知：大气压力的升高对联合机组效率几乎没有影响，但可以提高联合循环功率。

图4 大气压力对燃机及其联合循环机组的影响

4 结论

通过对PG9171E型燃机及其联合循环机组建立模块化数学模型，详细分析了大气压力和温度对该联合循环机组性能的影响，并通过实际运行数据进行了验证，获得以下结论：

1) 燃机功率、燃机效率和联合循环功率均和大气温度呈负相关，但联合循环效率和大气温度呈正相关。因此，大气温度的升高对于电厂总发电量是不利的，但对于电厂经济性运行是有利的。

2) 燃机功率和联合循环功率均和大气压力呈正相关， 而燃机效率和联合循环效率和大气压力相关性较小。因此，大气压力的上升对于电厂总发电量是有利的，对电厂经济性影响较小。

3) 在机组实际运行中，由于大气温度相对变化范围比大气压力大，因此大气温度对燃机及其联合循环机组性能的影响比大气压力大。

[1] 蒋峰,孙文涛,李兆明.略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径[J].化学工程与装备,2014(8):150-153.

[2] 陈坚红.联合循环机组运行计划和负荷分配：建模、启发式遗传算法求解和数据处理[D].杭州：浙江大学,2004.

[4] 蒋峰,孙文涛,李兆明.略谈影响燃气轮机性能的几个重要现场参数及性能提高途径[J].化学工程与装备,2014(8):150-153.

[5] 李涛,王德慧,李政,等.船用分轴燃气轮机主要部件变工况性能的初步研究[J].汽轮机技术,2004(5):365-368.

[6] SCHOBEIRI M T,ATTIA M,LIPPKE C.A generic,modularly structured computer code for simulation of dynamic behavior of aero-and power generation gas turbine engines[J].Journal of engineering for gas turbines and power,1994,116(3):483-494.

[8] GULEN S C,GRIFFIN P R, PAOLUCCI S. Real-time on-line performance diagnostics of heavy-duty industrial gas turbines[J].Trans ASME J Engng Gas Turbines and Power,2002,124(10):910-921.

[9] 王兆博.燃气轮机性能指标主要影响因素及提高性能途径研究[J].城市建设理论研究(电子版),2012,23.

[10]MURI D E,SARAVANAMUTTOO H I H,MARSHALL D J.Health monitoring of variable geometry gas turbines for the Canadian Navy[J]. Trans. ASME, J. Engng. Gas Turbines and Power,1989,111(4):244-250.

[12]张学镭,王松岭,陈海平,等.简单循环燃机系统建模及其变工况性能分析[J].动力工程,2006(5):619-623.

[13]崔凝.重型燃机联合循环机组实时动态仿真模型研究与应用[D].北京：华北电力大学,2008.

[14]夏迪,王永泓.PG9171E型燃机变工况计算模型的建立[J].热能动力工程,2008(4):338-343，439.

(责任编辑 杨黎丽)

The Influence of Atmospheric Temperature and Pressure on 9E Combined Cycle Unit Performance

LIU Chuang, LIU Yong, JIN Ren-han, LI Peng-fei, YUE Meng-he

(College of Energy and Power, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

In order to study PG9171E gas-steam combined cycle generating unit operating characteristics in varying conditions, the main components of the unit were modeled by themethod of modular modeling,and simulation system was obtained for calculating the variable conditions unit performance. Calculated by simulating the system performance under different atmospheric pressure and temperature of the unit, the results show that atmospheric temperature was negatively correlated with gas turbine power, gas turbine power and combined cycle power,and positively correlated with the combined cycle efficiency; atmospheric pressure was negatively correlated with gas turbine power and combined cycle power, and was less relevant with gas turbine efficiency and combined cycle efficiency.

gas turbine; combined cycle; variable condition

2016-06-22 作者简介：刘闯(1989—)，男，硕士研究生，主要从事火力发电机组研究，E-mail:625392109@qq.com。

刘闯，刘勇，金仁瀚，等.大气温度和压力对9E型联合循环机组性能的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(11):84-90.

format：LIU Chuang, LIU Yong, JIN Ren-han, et al.The Influence of Atmospheric Temperature and Pressure on 9E Combined Cycle Unit Performance[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):84-90.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.015

TM619

A

1674-8425(2016)11-0084-07