SGT5-4000F联合循环发电机组热平衡优化及分析

许 红，安丰路

（山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100）

0 引言

燃气—蒸汽联合循环发电机组具有初始投资低、占地面积小、热效率高、运行灵活等特点，在世界范围内得到了广泛的发展应用。随着燃气轮机单机功率和热效率的提高，联合循环机组在世界能源系统中的地位越来越重要。经过燃气轮机的持续改进和系统优化，联合循环热效率有望达到65%［1］。

电厂热平衡是汽水工质在电厂各个设备之间的质量分配、能量分配及损失情况的反映。电厂热平衡计算及优化是热力工程的一项重要的技术工作，对电厂的设计、优化及技术改造都有着重要的意义［2］。由于燃机本体特性，联合循环机组出力、效率等性能参数受环境条件、燃料特性、汽水系统参数等影响很大。基于SGT5-4000F联合循环机组，利用Thermoflow软件中的GTpro模块建立联合循环热平衡计算模型，分析环境温度、燃料温度、主蒸汽压力、主蒸汽温度等对全厂性能的影响，利用PEACE模块建模分析主蒸汽压力、主蒸汽温度对机组经济性的影响。

1 基本参数与计算模型

某电站采用SGT5-4000F燃机机组二拖一布置，配置2台燃机、2台三压余热锅炉、1台三压再热凝汽式汽轮机。电站采用天然气为主要燃料；电站所在地区环境温度较高，燃机配置蒸发冷却器；为了提高进入燃机燃料温度、提高全厂性能，燃机还配备了性能加热器。电站配置见图1［3］。

1.1 基本计算参数

联合循环的效率取决于燃机布雷顿循环效率、余热锅炉热效率和汽轮机朗肯循环的效率，具体可用以下热力学基本公式计算。

燃机布雷顿循环效率

式中：WGT为燃机的毛出力；QFUEL为输入燃机热量。

图1 典型二拖一联合循环系统

式中：MFUEL为燃机燃料消耗量；H为燃料焓值，与温度相关；QNET为燃料的低位热值。

余热锅炉的热效率

式中：M2为从余热锅炉排走的烟气量；H2为从余热锅炉排走的烟气焓值；M1为进入余热锅炉的烟气量；H1为进入余热锅炉的烟气焓值。

汽轮机朗肯循环的效率

式中：WST为汽轮机的毛出力；QST为进入汽轮机的热量。

联合循环的效率

燃机蒸发冷却器后空气温度直接影响MFUEL及WGT，由于从燃机排出的烟气温度变化进而影响；性能加热器后燃气温度直接影响H及WGT；主蒸汽温度及压力变化直接影响WST。各参数之间相互关联、相互影响，最终对全厂性能的影响需要建立全厂热力模型进行详细分析。

1.2 热平衡计算模型

图2为三压再热联合循环机组的热力系统［4］。模拟联合循环机组性能方法有很多，周凡贞等［2］用Gatecycle软件进行了热平衡计算及分析。Salehi等［5］用C语言及Matlab编制了联合循环热平衡计算模型。 Rodriguez Martin 等［6］使用 Thermoflex 软件对联合循环—光热综合热力系统进行了分析。赵世全［7］等利用GTpro，GTmaster对M701机组进行了联合循环热平衡的计算及优化。本文使用Thermoflow中的GTpro模块进行热平衡建模，并使用E-link工具进行多设计工况计算，分析蒸发冷却器后空气温度、性能加热器后燃气温度、主蒸汽、再热蒸汽温度、主蒸汽压力对全厂性能的影响。

图2 三压再热联合循环热力系统图

本项目的设计点边界条件见表1。

表1 设计点主要输入参数

设计点热平衡主要计算结果见表2。

表2 设计点主要计算结果

2 计算结果分析与讨论

2.1 蒸发冷却器后空气温度影响

在环境温度较高的地区，通过加装燃机进气冷却装置，可以降低燃机进气温度，使燃机功率达到甚至超过额定功率［8］。选取29～37℃温度区间，计算了蒸发冷却器后空气温度对应的全厂毛出力及全厂毛效率。图3给出了不同空气温度下全厂毛出力及毛效率的变化曲线。结果表明，联合循环机组毛出力随着进气温度的升高逐渐减小，并呈线性关系。这是由于空气温度变化影响进入燃机的空气质量流量和温比，空气温度升高时，质量流量和温比均降低，燃机功率相应降低。进入燃机的空气质量流量减小，燃气排气质量流量相应减小，从而导致余热锅炉的蒸汽量减小，汽轮机功率也随之降低。在燃机进口空气温度低于32℃的工况下，联合循环的效率基本维持在58.7%，当进口空气温度高于32℃时，联合循环效率缓慢降低。

图3 全厂毛出力及毛效率随空气温度变化曲线

2.2 性能加热器后燃气温度影响

图4 全厂毛出力及毛效率随燃气温度变化曲线

为了提高燃机效率，在天然气进燃机前会将其温度预先加热到一定温度，该套装置称为天然气性能加热器［9］。图4分析了燃气温度在150～250℃变化时，全厂毛出力及毛效率的变化规律，结果表明，燃气温度在150～230℃之间变化时，毛出力逐渐减小并与燃气温度呈线性关系，当燃气温度超过230℃，出力基本保持稳定，燃气温度从150℃增加到230℃，出力降低了1098kW。相反，燃气温度在150～230℃之间变化时，联合循环效率逐渐增加并与燃气温度呈线性关系，当燃气温度超过230℃，效率基本保持稳定，燃气温度从150℃增加到230℃，效率提高0.25%。这是由于性能加热器加热热源来自余热锅炉高压省煤器后的给水，给水热量消耗降低了主蒸汽流量，从而造成机组出力降低，但增加性能加热器，优化了全厂回热系统，提高了机组效率。

2.3 蒸汽温度影响

图5分析了主蒸汽温度、再热蒸汽温度变化对全厂毛出力及毛效率的影响，蒸汽的初温由燃气轮机的排气温度来决定，进入到蒸汽轮机进口的蒸汽初温应是燃气轮机排气温度减去余热锅炉中的传热温差，一般为25～50℃［10］。由于蒸汽温度变化对设备、管道、阀门等材质及壁厚均有很大影响，进而影响机组投资，因此利用Thermoflow的PEACE模块对机组单位千瓦造价进行了分析。结果表明，蒸汽温度在500～600℃之间变化时，机组毛出力及毛效率均随着蒸汽温度的增加而提高，且基本呈线性关系，其中毛出力增加了11.187 MW，毛效率增加了0.75%。在500～560℃范围内，单位千万造价呈下降趋势，超过560℃，单位千万造价快速增加。这是由于当主蒸汽、再热蒸汽温度超过560℃时，设备及管道材质的许用应力迅速降低，从而造成壁厚迅速增加，甚至引起设备及管道材质发生变化，电站投资迅速增加。

图5 全厂毛出力、毛效率及千瓦造价随蒸汽温度变化曲线

2.4 主蒸汽压力影响

联合循环机组汽轮机一般为滑压运行方式，机组运行时主汽阀处于全开状态［11］。主蒸汽压力变化会引起汽轮机性能变化，进而影响整个联合循环机组的性能。图6分析了主蒸汽压力变化对全厂毛出力及毛效率的影响，同样地考虑到压力对机组投资的影响，加入了单位千瓦造价的分析。结果表明，在主蒸汽压力1.25～1.70×107Pa范围内，机组毛出力及毛效率均随着主蒸汽压力增加而提高，且基本呈线性关系，其中毛出力增加了4.588 MW，毛效率增加了0.31%。在1.25～1.60×107Pa范围内，单位千万造价呈下降趋势，超过1.60×107Pa，单位千万造价呈上升趋势。需要注意的是，在选取主蒸汽压力参数时，需考虑到与主蒸汽温度相匹配，另外还应结合各汽轮机厂典型机型的参数进行综合考虑。

图6 全厂毛出力、毛效率及千瓦造价随主蒸汽压力变化曲线

3 结语

随着燃机进口空气温度的增加，联合循环机组出力降低并与空气温度呈线性关系，联合循环效率先维持稳定后缓慢降低；随着性能加热器后燃气温度提高，联合循环机组出力先呈线性降低后维持稳定，联合循环效率则呈相反变化规律；随着蒸汽温度、蒸汽压力增加，联合循环机组出力及效率基本呈线性提高；本项目SGT5-4000F机组蒸汽参数经济点为主蒸汽、再热蒸汽温度560℃，主蒸汽压力1.60×107Pa。