燃气-蒸汽联合循环能流可视化研究

徐银文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑶, 孙浩祖

(上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090)



燃气-蒸汽联合循环能流可视化研究

徐银文, 石奇光, 董宸禹, 王 瑶, 孙浩祖

(上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090)

基于某电厂F级燃气-蒸汽联合循环机组SIS系统中获取的实际运行数据,使用C#通过AutoCAD Active X和AutoCAD2015进行通信，自动按比例绘制符合燃气-蒸汽联合循环机组工艺流程的能流图，得出各热力过程能量的流向及其损失，为现役燃气-蒸汽联合循环机组能耗在线分析提供指导。

燃气-蒸汽联合循环； 能流图； 能耗分析； 可视化

能流图作为用能对象统计资料的整理和分析工具，目前已在众多能源领域得到广泛应用；但在燃气-蒸汽联合循环机组运行中的应用尚少，未见相关文献报道。目前,燃气-蒸汽联合循环电站都有厂级信息监控系统(SIS)对电厂进行实时监控，将运行数据导入热平衡计算模型，运用能流图技术，实时对各系统及其设备热力过程的能流状态进行定量分析，实现燃气-蒸汽联合循环机组可视化监控具有重要的工程意义。

笔者利用成熟的绘图软件AutoCAD进行二次开发，研究符合燃气-蒸汽联合循环机组工艺流程的能流图绘制方法，主要体现在该装置能流载能工质的能量大小、流向、热力过程的损失，运行小指标的可视化以及联合循环工艺流程中燃气轮机(包括压气机、燃烧室和透平)、余热锅炉、汽轮机等能量转化特性的图形表达，可实现电厂能耗在线监测，可视化地适时为电厂节能管理人员提供决策的辅助依据。

1 能流图及其作用

能流图，也称为桑基能量平衡图[1]。火力发电厂的能流图[2]是以输入能量为基准，用百分比形式表示火力发电厂的能源输入、储存、输送、转换和利用的物理过程的热经济性，并依据火力发电厂生产工艺流程按比例绘制成的能量流向图。作为能流可视化的一种数据分析方法，最明显特征就是依据用能对象生产工艺流程按比例所绘制的全部主、支能流宽度的总和，应与所有分流的分支宽度的总和相等，即始终保持能量平衡。能流图也是一种表示载能工质流向的图形，能够简单地将企业能源系统的全貌、总体能源消费结构直观形象地概括和表达，反映企业在能源输入、加工转换、分配输出、使用等方面的平衡关系[3]。

燃气-蒸汽联合循环机组的自动化程度高，硬件上配置的能源数据采集系统、软件具有的能源计量和数据统计等管理功能，都为能流图的在线实现奠定了基础。燃气-蒸汽联合循环能流图表示了联合循环能源系统内能量流在各个环节的状态，以及能量转化过程中工艺技术的完善程度。其路径是表示燃料(燃气)进入电厂到最终输出电功率的能量流动的全过程；交叉与分路反映了各种能源与工艺流程相互间的能量转换性,将通过各个环节或过程的能流量的大小或相对大小标在该项活动区域的旁边，表示工艺过程的效率或相对效能[4]。

在管理方面，能流图有效地串接了能源计量、能源统计和能源分析，成为能源管理中一项重要而有益的工作，同时能流图还能够有效地解决下述问题[5]：(1)满足管理层对能源数据解读的需求；(2)解决统计报表表达上的局限性；(3)为建立能源信息系统提供支撑，让能源过程监控成为可能；(4)提供有效验证能源供需平衡关系计量准确性的有力手段。燃气-蒸汽联合循环电站能流图还有利于开展同类型号机组的对标管理，帮助企业快速找到机组的不足。

2 热平衡计算

研究对象是一套F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组，包括一台型号为V94.3A的燃气轮机、汽轮机型号为TCF1D、发电机型号为THDF108/5、余热锅炉为无补燃三压一次再热型，其热力系统见图1。

1—余热锅炉；2—燃气透平；3—燃烧室；4—压气机；5—发电机；6—3S联轴器；7—高压蒸汽透平；8—中压蒸汽透平；9—低压蒸汽透平；10—凝汽器；11—凝结水泵；12—高压给水泵(有中压抽头)；13—低压给水泵；14—除氧器；15—再循环泵。

图1 无补燃式余热锅炉燃气-蒸汽联合循环热力系统

通过SIS系统提取机组的实际运行数据，包括大气温度、大气压力、大气相对湿度、燃料气成分、燃料气流量、压气机滤网压差、燃气轮机排气温度、余热锅炉入口烟气温度、余热锅炉出口烟气温度、炉侧和机侧蒸汽的流量温度压力、汽轮机背压、燃气轮机轴功率、发电机总功率等参数。表1、表2为燃料气成分、热平衡计算用的部分原始数据。

表1 燃料气成分表 %

表2 热平衡计算用的部分原始数据

图2为图1所示的燃气-蒸汽联合循环系统的能量平衡框图，按此框图建立系统的热平衡模型[6-7]。

1—燃气轮机；2—余热锅炉；3—蒸汽轮机。

燃气轮机的能量平衡：

(1)

无补燃余热锅炉的能量平衡：

Qc1+Qw1+Qstr1=Qst1+Qst2+Qst3+Qa2

(2)

式中：Qw1为从蒸汽轮机的给水回热系统供入余热锅炉的给水所携带的热能；Qstr1为冷再热蒸汽所携带的热能；Qst1为主蒸汽所携带的热能；Qst2为热再蒸汽所携带的热能；Qst3为低压蒸汽所携带的热能；Qa2为从余热锅炉排向大气的燃气所携带的热能。

蒸汽轮机系统的能量平衡：

(3)

燃气-蒸汽联合循环燃气轮机部分的能流，比如压气机耗功、燃气透平做功等都需要知道燃气轮机排气流量才能计算，而在实际工程中电厂只有燃料气流量的测量，而没有燃气轮机排气流量或者压气机进口空气流量的测量，笔者通过燃气轮机热平衡计算出燃气透平排气流量。根据燃料气流量、燃料气成分、燃料气温度计算出燃料气进入燃烧室的能量，然后通过假定空气流量，根据燃料气成分，燃料气流量和燃气透平排气温度计算得到燃气透平排气比焓，由燃气轮机热平衡方程迭代计算求出燃气透平排气流量。对于余热锅炉和蒸汽轮机系统可直接进行能量平衡计算，得到计算结果。

以燃料气输入能量为基准，各个用能对象的能流百分比的计算结果见表3。

表3 燃气-蒸汽联合循环机组热平衡能流计算结果

表3(续)

3 能流图绘制及分析

3.1 能流图的机器绘制

能流图遵循的最基本原则是能量守恒定律，根据能流的可视化的路径，设计出能流的走向。笔者使用成熟的CAD绘图软件AutoCAD，进行二次开发[8-9]，实现能流图形简单、快速、稳定、高效绘制，实现能流的可视化和用能对象能源的精细化管理。

燃气-蒸汽联合循环机组能流可视系统结构见图3。

图3 燃气-蒸汽联合循环可视系统结构图

3.2 能流图的分析

根据燃气-蒸汽联合循环能流图分析机组性能优劣以及分设备燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机的工作状况(通过效率来体现)，拟定符合其工艺过程的主要流程，绘制燃气-蒸汽联合循环能流图。

图4为设计绘制的能流图。

1—燃气轮机；2—余热锅炉；3—蒸汽轮机。

在图4中，每部分能流的宽度表示该部分能流的实际数值与总输入能量的比值。能流结点处表示的是设备或工艺过程，主要设备如燃气透平、余热锅炉、压气机、凝汽器、发电机，在每个设备处的能量平衡，每个设备的效率可表达在能流图中。燃气-蒸汽联合循环电厂整体能量平衡是燃料气输入能量和空气能量之和等于输出能量与总损失的和，效率则是输出能量和燃料输入能量的比值。

每股能量的数值表示各能量的占比，并且可由输出能量得占比，直接读出该燃气-蒸汽联合循环的总效率为57.43%，燃气轮机效率为39.93%，余热锅炉效率为87.8%，汽轮机组效率为35%。各项损失从大到小的排序是冷源损失、余热锅炉损失、管道损失、燃气轮机机电损失、汽轮机机电损失、燃烧室损失；其中管道损失比燃气轮机机电损失和汽轮机机电损失之和还大，可见该厂管道系统散热、工质泄漏严重，应尽快采取措施加强管道的保温以及进行阀门滴漏检修。在实际运行中还应密切关注这些损失值的变化，根据需要在线绘制其变化曲线帮助做出运行决策。

在燃气轮机中，燃气透平输出能量占总能量的79.36%，但由于压气机耗功很大，占总能量的39.02%，燃气透平最终输出能量占总输入能量的40.34%，可见提高压气机的效率，对提高燃气轮机效率的重要性。燃气轮机做功输出能量比蒸汽循环输出能量大得多，比值大约为2.27。

4 结语

(1) 燃气-蒸汽联合循环能流可视化系统能直观地表达出该系统中各能流的载能工质、大小、方向，以及系统的能量平衡关系，方便进行系统的能耗分析及节能指导工作。

(2) 基于DCS或SIS系统建立的燃气-蒸汽联合循环能流可视化系统是数字化电厂建设的组成内容，不仅可以提升电厂信息化管理水平，也可用于机组运行优化和进行同类机组能效对标。

(3) C#计算机语言可通过AutoCAD ActiveX和AutoCAD2015进行通讯，简单、快速、精准地实现在线绘制燃气-蒸汽联合循环的能流图。

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[2] 石奇光, 罗发青, 徐永生, 等. 《火力发电厂能源审计导则》技术特征及工程应用[J]. 华东电力, 2013, 41(10): 2173-2177.

[3] 谢士晨, 陈长虹, 李莉, 等. 2006年中国能流图[J]. 中国能源, 2009, 31(3): 21-23.

[4] 张建林, 石瑛. 计算机自动绘制能流图的探讨[J]. 能源工程, 1992(4): 24-26.

[5] 姚萌江. 发挥能流图对能源管理的支撑作用[J]. 上海节能, 2013(12): 42-45.

[6] 焦树建. 燃气-蒸汽联合循环的理论基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

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Visualization Study of Energy Flow in Gas-Steam Combined Cycle Units

Xu Yinwen, Shi Qiguang, Dong Chenyu, Wang Yao, Sun Haozu

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Based on actual operation data obtained in SIS system of a power plant for F-class gas-steam combined cycle unit, automatic communications were realized through AutoCAD ActiveX and AutoCAD2015 by C#, and simultaneously, an energy flow chart was drawn proportionally for the flow process, thus obtaining the energy flow and loss in various thermodynamic processes, which may serve as a reference for online analysis on energy consumption of in-service gas-steam combined cycle units.

gas-steam combined cycle; energy flow chart; analysis of energy consumption; visualization

2016-05-31；

2016-09-14

徐银文(1990—)，男，在读硕士研究生，研究方向为火力发电厂节能改造及能源审计。E-mail: 875186593@qq.com

TK477

A

1671-086X(2017)03-0150-04