基于先进㶲分析方法的燃气-蒸汽联合循环㶲损分析

王树成，付忠广，张高强，张天清，冯芹芹，卢 可



基于先进㶲分析方法的燃气-蒸汽联合循环㶲损分析

王树成1，付忠广1，张高强1，张天清1，冯芹芹1，卢 可2

（1.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206； 2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050）

先进㶲分析方法作为传统㶲分析方法的补充和拓展，可以更深入地研究系统各部件㶲损产生的内在原因。利用先进㶲分析方法对燃气-蒸汽联合循环系统各主要部件的㶲损进行分析，并将㶲损分为内部㶲损、外部㶲损、可避免㶲损和不可避免㶲损。结果表明，在设计工况下燃气-蒸汽联合循环系统整体的内部㶲损为76.06%，不可避免㶲损为86.33%；系统大部分内部㶲损和不可逆㶲损发生在燃烧室，分别为209.0、221.8 MW；燃烧室和燃气透平亦有16.8、12.8 MW的可避免㶲损。研究结论可为系统节能改造及新系统设计提供参考。

燃气-蒸汽联合循环；先进㶲分析；㶲损；可避免㶲损；内部㶲损

燃气-蒸汽联合循环（联合循环）以其环境污染少、能源转换率高、建设周期短以及在电力调峰中的优势等诸多特点，受到越来越广泛的关注[1-3]。目前，主要是通过提高燃气轮机、余热锅炉及汽轮机的性能来提高联合循环效率[4-7]。郑炯智等[8]以现有联合循环为基础，重新划分了顶循环和底循环的能量利用区间与比例，并将以PG9351FA燃气轮机 为顶循环的联合循环机组的性能作为基准，研究了3个机组的全工况性能，结果表明提高燃气轮机的压比有利于提升系统的性能；王巍等[9]以汽轮机功率作为底循环的目标函数，得出设计工况下最优的蒸汽参数匹配关系。上述基于热力学第一定律的分析方法主要侧重于能量的利用程度；而基于热力学第一、第二定律的㶲分析方法不但能分析“量”的多少，更考虑“质”的高低，因而在能量系统的分析中有着无可比拟的优势。赵宝玲等[10]利用㶲分析方法对150 MW联合循环机组的热力学性能进行分析，结果表明当机组负荷为96%时，㶲效率为53.5%，在不同运行工况下燃烧室和余热锅炉均为㶲损的最主要部位。

虽然已经有很多学者对燃气-蒸汽联合循环进行了分析，但有些问题仍待深入研究。先进㶲分析方法作为传统㶲分析方法的补充和拓展，目前已广泛应用于各种热力系统的热力学特性分析中[10-11]。本文利用该方法对某燃气-蒸汽联合循环系统各主要部件的㶲损情况进行分析，并将其分为内部㶲损、外部㶲损、可避免㶲损和不可避免㶲损；深入研究系统各部件㶲损产生的内在原因，为系统节能改造及新系统的设计提供参考。

1 系统介绍

某联合循环包括M701F型燃气轮机、三压再热无补燃余热锅炉及汽轮机，汽水流程如图1所示。经过压缩机压缩的高压空气与燃料在燃烧室内燃烧，产生的高温高压气体进入燃气透平中膨胀做功，透平排气进入余热锅炉内加热给水；给水在凝结水预热器内预热后分别进入省煤器、蒸发器和过热器，其中高、低压过热蒸汽直接进入汽轮机的高、低压缸做功，中压过热蒸汽与高压缸的排汽混合后先在再热器中加热，后进入汽轮机中压缸做功。

LPD、IPD、HPD—余热锅炉的低压、中压和高压汽包；LPE、IPE、HPE—低压、中压和高压省煤器；LPB、IPB、HPB—低压、中压和高压蒸发器；LPS、IPS、HPS—低压、中压和高压过热器；RH—再热器；CP、IPFWP、HPFWP—凝结水泵，中压和高压水泵；LT、IT、HT—汽轮机的低压、中压和高压缸；CC—燃烧室。

2 模型建立

2.1 数学模型

式中：LHV,f为燃料的低位发热量，kJ/kg；为比例系数。可用式(5)表示为

式中，为燃料分子式中H原子个数，为燃料分子式中C原子个数。

㶲损是个绝对量，无法用其比较不同工作条件下各个过程或各类热工设备中的㶲利用程度。为此在㶲分析中广泛使用㶲效率来表示㶲的利用率：

对于系统整体，㶲平衡方程可以表示为

2.2 物理模型

基于Ebsilon软件对系统进行建模，采用热平衡法进行模拟。燃料为天然气，其热值为48 913.6 kJ/kg。表1为联合循环的主要设计参数及模拟值。由表1可知，模拟值与设计值的相对误差均小于3%（通常误差要求在3%~5%），可以认为此模型设计合理。通过软件模拟可以得到设计工况下系统各主要节点的热力参数，结果见表2。

表1 联合循环主要参数

Tab.1 Main parameters of the combined cycle

表2 设计工况下各主要节点热力参数

Tab.2 Thermodynamic parameters of the main nodes under the design conditions

3 结果分析

3.1 联合循环系统各主要部件㶲损分布

表3为系统各主要部件的㶲损及相关参数（以20 ℃、0.1 MPa作为基准，此时的㶲值设为0）。由表3可见：燃烧室㶲损系数最大，达到30.798%，其次是燃气透平和压缩机，表明这几个部件的㶲损占总输入㶲的比重较大；㶲效率最高的部件是再热器和中压蒸发器，最低的是凝汽器，燃烧室由于具有较大的燃料㶲，因而其㶲损也较大。

表3 系统各主要部件的㶲值

Tab.3 Exergy value of the main components of the system

图2为联合循环系统各主要部件㶲损分布。

图2 系统各主要部件㶲损分布

从图2可见：燃烧室的㶲损所占的比重最大，为69.70%，这是由于燃料在燃烧前后存在较大的温差（燃烧前为50 ℃，燃烧后为1 200 ℃）及燃烧过程出现的不可逆损失造成的，可以通过提高进入燃烧室的燃料和空气的温度来减少这部分㶲损；燃气透平和汽轮机的㶲损所占的比重也较大，分别为10.22%和5.90%，这是由于这2个部件在运行时有较大的机械损失所致。

3.2 联合循环系统㶲损分析

依据先进㶲分析方法将联合循环系统㶲损分为内部㶲损和外部㶲损，结果如图3所示。由图3可见，系统整体内部㶲损占全部㶲损的76.06%，说明系统整体的㶲损主要是由系统自身结构引起的内部㶲损，而由系统拓扑因素引起的外部㶲损则较小。

图3 联合循环系统内部㶲损和外部㶲损

联合循环系统整体的可避免㶲损和不可避免㶲损如图4所示。由图4可见：系统整体的㶲损绝大部分是不可避免㶲损，为86.33%，这部分㶲损在现有运行条件下不能得到提升，这也说明联合循环在设计工况下运行较为合理；此外，还有13.67%的㶲损可以通过优化结构或改变运行条件而避免。

图4 联合循环系统可避免㶲损和不可避免㶲损

3.3 系统各主要部件㶲损分析

通过上述分析可知，系统整体的内部㶲损和不可避免㶲损较大，但这并不能代表系统中所有部件的㶲损分布都是如此。因此，有必要对系统各个部件的㶲损进行分析。

联合循环系统主要部件的内部㶲损和外部㶲损如图5所示。由图5可见：燃烧室的内部㶲损较大，为209.0 MW，说明燃烧室㶲损主要是由其自身结构不完善产生的，因而要降低其㶲损关键在于优化其自身结构；此外，燃气透平和汽轮机的外部㶲损较大，说明这部分㶲损是由于其他部件运行在非理想条件下引起的。

图5 系统主要部件内部㶲损和外部㶲损

联合循环系统主要部件的可避免㶲损与不可避免㶲损如图6所示。由图6可见，大部分㶲损是不可避免的，且燃烧室的不可避免损失最大，为221.8 MW。对此，在燃气轮机的设计过程中，应当将燃烧室的结构及燃烧条件作为重点研究及优化对象，以减少运行过程中的不可逆损失；此外，在联合循环运行时，还可以通过提升进入燃烧室的燃料及空气的温度的方式（进气加热、燃料预热）来降低燃烧过程的㶲损。同时，燃烧室和燃气透平的可避免㶲损也相对较大，分别为16.8 MW和12.8 MW。

图6 系统主要部件可避免㶲损和不可避免㶲损

4 结 论

1）联合循环系统整体的内部㶲损为76.06%，不可避免㶲损为86.33%，说明系统的㶲损大部分由于其自身结构的不完善引起，并且在现有的运行条件下不能避免，同时也说明联合循环系统仍存在较大的优化空间。

2）联合循环系统大部分的内部㶲损和不可逆㶲损发生在燃烧室，分别为209.0 MW和221.8 MW。因此，在燃气轮机的设计过程中，燃烧室的结构和燃烧条件应当作为重点的研究及优化对象，以减少运行过程中的不可逆损失。

3）相对于其他部件，燃烧室和燃气透平亦存在较大可避免㶲损，分别为16.8 MW和12.8 MW。

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Exergy destruction analysis of gas-steam combined cycle based on the advanced exergy analysis method

WANG Shucheng1, FU Zhongguang1, ZHANG Gaoqiang1, ZHANG Tianqing1, FENG Qinqin1, LU Ke2

(1.Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Gansu Power Company, Lanzhou 730050, China)

As the supplement and expansion of the conventional exergy analysis method, the advanced exergy analysis method can reveal the internal reason of the exergy destruction of various parts of the gas-steam combined cycle system in more depth. The main components of gas-steam combined cycle are analyzed by the advanced exergy analysis method. Additionally, the exergy destruction is classified into endogenous exergy destruction, exogenous exergy destruction, avoidable exergy destruction and unavoidable exergy destruction. The results show that the endogenous exergy destruction rate is 76.06% and the unavoidable exergy destruction rate is 86.33% in the gas-steam combined cycle system under the design conditions. Besides, most of the endogenous exergy destruction and unavoidable exergy destruction occur in the combustion chamber, which are respectively 209.0 MW and 221.8 MW. Moreover, the avoidable exergy destruction of combustion chambers and gas turbines are 16.8 MW and 12.8 MW, respectively. This research conclusions can provide reference for the transformation of system energy-saving and the design of the new system.

gas-steam combined cycle, advanced exergy analysis, exergy destruction, avoidable exergy destruction, internal exergy destruction

Natural Science Foundation of Beijing (3162030); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018QN035)

TK123

A

10.19666/j.rlfd.201806080

王树成, 付忠广, 张高强, 等. 基于先进㶲分析方法的燃气-蒸汽联合循环㶲损分析[J]. 热力发电, 2019, 48(3): 75-79. WANG Shucheng, FU Zhongguang, ZHANG Gaoqiang et al. Exergy destruction analysis of gas-steam combined cycle based on the advanced exergy analysis method[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 75-79.

2018-06-16

北京市自然科学基金资助(3162030)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2018QN035)

王树成(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向为先进热力系统的集成与优化，wiserc@sina.cn。

（责任编辑 刘永强）