冷热电联供系统主要设备变工况研究

李 明



冷热电联供系统主要设备变工况研究

李 明

（湖南凌天科技有限公司 湘潭 411100）

采用燃气轮机典型变工况计算方法和余热锅炉考虑换热系数的变工况计算方法分别对燃气轮机和余热锅炉变工况特性进行研究，得到其变工况的典型性能曲线。并根据吸收式制冷机产品选型手册拟合得到其变工况特性显式解析解以及机组变工况相对COP随相对制冷量变化的曲线。本研究对联供系统的设计具有指导意义。

冷热电联供系统；变工况研究；燃气轮机；余热锅炉；吸收式制冷机

0 引言

1 燃气轮机的变工况特性

燃气轮机作为联供系统的核心动力设备，其特性很大程度上决定了整个系统的运行性能。由于负荷的变化，燃气轮机运行时往往偏离设计工况，处于变工况状态，因而对系统性能的研究更多的是对系统变工况特性的研究[11]。在冷热电联供系统中常采用“以冷（热）定电”的原则，这要求燃气轮机输出的余热量变化，需调整设备的运行工况，燃气轮机的发电效率、排烟温度、排烟流量和燃料耗量等也因此发生变化，进而改变余热回收装置的换热量以满足负荷需求[8]。本文采用典型变工况计算方法研究燃气轮机的性能，计算较为简单又能反映出燃气轮机的变工况特性。根据燃气轮机变工况的显式解析解，可得出其变工况典型性能，当用燃气轮机在变工况状态的输出参数与设计工况相应参数的比值表示时，不同设计值机组的各种无因次变工况性能曲线均分布在一条狭带之中，尤其发电效率基本在一条线上，且此线与实际数据相当符合[12]。由此得到的变工况特性可典型地表达燃气轮机的通用特性。

燃气轮机变工况下，其发电效率、燃料耗量及排烟温度随燃气轮机发电功率变化的解析式[13]如下：

式中，上标“—”表示以设计值为参考的折合参数，解析式（3）是根据解析解算例中排气温度随发电功率变化的数据拟合得到的。

由解析式得出燃气轮机典型变工况各种无因次性能曲线如图1所示。

图1 燃气轮机典型变工况无因次性能曲线

由图可以看出：燃气轮机的排烟温度、燃料耗量和发电功率均随着功率的降低而不断减小，其中发电效率的减小较快，表明当燃气轮机运行在很小负荷的情况下，机组性能下降很快。燃气轮机变工况运行时的排烟流量可由已知排烟温度、燃料耗量、发电功率和效率根据能量守恒计算得到[14]，经计算发现尽管随着发电功率的降低，燃气轮机的燃料耗量减少了，但排烟流量却在不断增加，只是增加的幅度不大，该结论在文献[15]有相关表述。

2 余热锅炉的变工况特性

余热锅炉是冷热电联供系统中的余热回收装置，其热源来自燃气轮机。余热锅炉换热过程中，换热器两侧的工质分别为燃气轮机排烟和水，换热系数主要取决于其中的排烟侧参数。当系统运行在变工况情况下，燃气轮机的排烟温度和流量均发生变化，导致了余热锅炉的换热系数发生改变。因此，在分析余热锅炉的变工况特性时，必须考虑换热系数随工况不同而改变的特点。本文采用考虑换热系数变化的变工况计算方法[16]：

式中，和分别为总换热系数和换热面积；为与锅炉结构相关的常数，可通过设计工况求得；G、分别为燃气轮机的排烟流量和排烟平均温度；和为与管簇形式及烟气热物性相关的常数，其中+；本文取管簇排列形式为横流顺列，则=0.65，=0.33；与分别是烟气的导热系数与运动粘度随温度变化的幂指数。

由式（4）计算余热锅炉变工况运行时的换热系数，视余热锅炉为换热器，则烟气侧与水侧的传热计算如下：

=Δ=cG(-T) （5）

式中，、Δ分别为烟气与水的换热量和两侧的对数平均温差；为烟气比热容；T为余热锅炉排烟出口温度。

式（4）和（5）中各常数的求取步骤如下。

2.1 γ的求取

从已有文献中可查取不同温度烟气的导热系数和运动粘度部分数据[17]，根据数据拟合得到烟气的导热系数与运动粘度随温度变化的关系式如下：

=18.9280.581（6）

106=0.20110.9711（7）

因此，=0.581，=0.9711。代入得到0.0785。

2.2 c的求取

烟气温度不同，其比热容也会发生变化，但在余热锅炉工作时的烟气温度范围内，比热容变化幅度并不大，计算时可当作常数。本文考虑了实例中余热锅炉工作时的烟气温度范围后，取=1.0677J/(kg·K)。

2.3 A的求取

对于设计工况，燃气轮机的输出参数以及余热锅炉的进出口烟气温度均已知，则结合式（4）和式（5）可求得计算余热锅炉变工况的常数：

燃气轮机变工况运行时，排烟流量的变化幅度并不大，对于已知型号的余热锅炉，F、A、m、γ均为固定的常数，则根据式（4）近似得到余热锅炉变工况总换热系数K关于余热锅炉进口烟气温度T变化的无因次性能曲线如图2所示。

由图可以看出系统变工况运行时，余热锅炉的换热系数随着燃气轮机的排烟温度降低有一定幅度的减小，机组效率有所下降。

3 蒸汽型吸收式冷水机组的变工况特性

吸收式冷水机组常作为冷热电联供系统中的供冷设备，也是系统节能的关键设备之一。吸收式制冷机组的变工况特性主要受冷媒水出口温度及流量、热源温度及流量、冷却水进口温度及流量等众多因素的影响[18]，而这些参数的变化又均与机组热源和机组制冷量相关。对于冷热电联供系统的制冷设备，往往需要根据冷负荷需求调整制冷机组工况从而调节制冷量，若能找到机组变工况运行时机组COP、热源流量和制冷量之间的显式关系，则可以方便地分析机组的变工况特性，并用于系统的变工况计算。

目前溴化锂吸收式制冷机组的应用较为广泛，本文制冷机组采用蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组，其变工况特性显式解析解根据产品选型手册中的相应曲线拟合得到。吸收式冷水机组相对制冷量与相对蒸汽耗量的关系曲线如图3（a）所示，由于制冷量下降，机组的蒸汽耗量不断减小。图3（b）所示为相对制冷量与机组热源蒸汽压力的关系曲线，机组的汽源压力低于额定蒸汽压力（图中给出的是额定蒸汽压力分别为0.6MPa和0.8MPa的机组性能曲线）时，制冷量均下降，并近似呈线性关系。

图3 双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的变工况特性

根据图3（a）和（b）分别拟合得到变工况蒸汽耗量、制冷量和蒸汽压力之间的解析式：

式中，G为冷水机组入口蒸汽流量；Q为机组制冷量；P为热源蒸汽压力；上标“—”表示以设计值为参考的折合参数。

在确定吸收式冷水机组进口蒸汽参数和出口凝水参数的情况下，可通过能量守恒计算吸收式冷水机组变工况运行时的COP[19]，其计算式如下：

式中，COP为吸收式制冷机组的能效比；h、h分别为吸收式冷水机组进口蒸汽比焓和出口凝水比焓，可通过相应的温度和压力查水和水蒸汽图表得到，其余符号如前所述。取进口蒸汽参数、出口凝水参数不变的变工况进行分析，即h-h不变，则COP随制冷量和蒸汽耗量变化，其无因次关系式为：

根据式（12）计算拟合得到机组变工况相对COP随相对制冷量变化的曲线，如图4所示。

图4 吸收式制冷机组相对COP随相对制冷量变化

由图可看出，吸收式冷水机组的制冷量小于额定制冷量的一定变工况范围内，随着制冷量的减小，COP会出现先增大后减小的特点，因而对于吸收式冷水机组机组而言，设定工况下机组的运行性能并非最高，机组的该特点对于系统的设备选型和运行方案的确有一定影响。

4 结论

本文应用现有的燃气轮机、余热锅炉和吸收式制冷机组等设备的数学模型，研究其变工况特性，通过对以上结果的分析可以得出以下结论：

（1）根据典型变工况计算方法得到的燃气轮机变工况特性表明，当燃气轮机运行在很小负荷的情况下，机组性能下降很快；随着发电功率的降低，燃气轮机的燃料耗量减少了，但排烟流量却有小幅度的增加。

（2）采用余热锅炉换热系数变化的方法分析余热锅炉变工况特性时，换热系数随余热锅炉进口烟气温度的降低而减小，因此设备性能有所下降。

（3）蒸汽型吸收式冷水机组的制冷量受热源蒸汽压力的影响，当蒸汽压力不变时，机组的蒸汽耗量随制冷量的减小而减小，机组能效比则会出现先增大后减小的特点。

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The Variable Condition Research of CCHP System Major Equipments

Li Ming

( Hunan LINTEN Technology Co., Ltd, Xiangtan, 411100 )

Utilizing the typical analytical solution of gas turbine and considering the variation of heat transfer coefficients of heat recovery steam generator (HRSG), the variable condition characteristics of gas turbine and HRSG were studied. And according to the absorption chiller Product Selection Guide fitting its variable condition explicit analytical solution and the curve of relative COP vary with the relative cooling capacity was obtained. The study has a guiding significance on the design of CCHP system.

CCHP; Variable condition; Gas turbine; HRSG; Absorption chiller

1671-6612（2017）06-616-04

TK2

B

李 明（1971.02-），男，本科，工程师，E-mail：19057407@qq.com

2017-06-22