燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉热效率计算模型对比分析

2020-06-30王志永许贺朱慧敏葛俊沛许静

综合智慧能源 2020年6期

关键词：燃机热效率余热

王志永，许贺，朱慧敏，葛俊沛，许静

（1.河南能信热电有限公司，河南许昌 461000；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，郑州 450000；3.国家电投集团郑州燃气发电有限公司，郑州 450001）

0 引言

燃气-蒸汽联合循环是一种将燃气轮机（以下简称燃机）循环与蒸汽轮机循环结合起来的高效循环方式［1］。余热锅炉是联合循环机组的关键设备之一，其效率是联合循环机组运行经济性的重要指标［2-4］。

影响余热锅炉热效率的因素有很多，包括燃机环境参数、燃料流量、燃料温度、燃机排气温度、给水压力、给水流量、蒸汽压力、蒸汽温度、余热锅炉排烟温度等［5-10］。分析这些参数对余热锅炉热效率的影响为机组运行优化、检修和技术改造提供了重要参考。

1 设备简介

某电厂燃气-蒸汽联合循环机组采用了三压（高压蒸汽作为主蒸汽、中压蒸汽和汽轮机高压缸排汽作为再热蒸汽、低压蒸汽作为除氧器加热蒸汽和汽轮机低压缸进汽）、再热、无补燃、自然循环、卧式余热锅炉。余热锅炉性能保证参数见表1。

表1 余热锅炉设计工况参数Tab.1 Waste heat boiler parameters under design condition

2 余热锅炉热效率计算模型

余热锅炉热效率的计算方法一般分为正平衡计算与反平衡计算。正平衡计算简单来说是计算余热锅炉热出力在输入热量中的占比；反平衡计算则以烟气侧直接损失项及辐射散热损失项为主要损失计算项［11-12］，求取余热锅炉热效率。

与燃煤电厂锅炉不同，电厂余热锅炉本身无燃烧设备，仅进行烟气及汽水侧换热，故可将此类锅炉归为烟气换热器。其烟气从燃气轮机排出，经燃机扩散管、过渡烟道进入锅炉本体，然后依次横向冲刷模块I、模块II、模块III和模块IV，最后经出口烟道、烟气挡板及烟囱排空。

2.1 反平衡法计算余热锅炉热效率

余热锅炉反平衡效率计算采用的是热损失法，将余热锅炉热损失分为3项：排烟热损失、对流损失、辐射热损失。其中余热锅炉的排烟热损失又区别于燃煤电站锅炉的排烟热损失，其排气中基本无可燃物，故研究余热锅炉进、出口烟气侧输入及输出热量时，可测量余热锅炉进、出口烟气组分等参数计算烟气焓值。反平衡法计算的余热锅炉热效率

式中：hgi为锅炉进口烟气比焓，kJ／kg；hgo为锅炉出口烟气比焓，kJ／kg；hgr为参考温度下的烟气比焓，kJ／kg；floss为锅炉的对流、辐射热损失率，%。

floss可取设备厂家、业主、试验单位的设计值或经验值，或者根据有保温层物体的导热、对流、辐射传热模型进行计算得出，其中前者在工程中更常用。

式中：Φloss为余热锅炉散热热量，kW；Φin为余热锅炉输入热量，kW；q为散热热流密度，kW／m2；A为保温层外表面积，m2。

2.2 正平衡法计算余热锅炉热效率

三压再热蒸汽系统相对于单压、双压蒸汽系统较为复杂，各系统参数相对独立，局部又相互关联。该电厂机组汽水系统主要分为5个部分：高压给水主蒸汽系统、中压给水再热系统、低压给水主蒸汽系统、凝结水余热系统（带旁路）以及燃料余热系统（即性能加热器）。

燃气电站与燃煤电站锅炉使用正平衡法计算热效率的方法一致，以正平衡法计算的锅炉效率

式中：qmhp，qmip，qmlp为高压、中压、低压给水流量，t／h；hhp，hhw分别为高压蒸汽比焓和高压给水比焓，k J／kg；qml1为高压门杆漏气量，t／h，查设计值可知；hrh，hch分别为热再热蒸汽焓和高压缸排汽比焓，kJ／kg；hlw为中压给水比焓，kJ／kg；hlp为低压给水比焓，kJ／kg；qm1，qm2分别为一级和二级再减水流量，t／h；Qcl为燃气轮机排入余热锅炉的烟气所携带的热能，k J。

3 边界条件设定

依据ASME PTC4.4—2008 Gas Turbine Heat Recovery Steam Generators Performance Test Codes及DL／T 1427—2015《联合循环余热锅炉性能试验规程》等相关规范规程，结合现场实际运行要求，计算了2种额定负荷纯凝联合循环工况下（联合循环工况1和联合循环工况2）的余热锅炉热效率和燃机单循环工况下的燃机发电功率。

对燃气-蒸汽联合循环机组进行了余热锅炉性能试验，试验期间的燃料气质特性数据来自中石化天然气站的化验报告，2种工况下的燃料气质特性见表2。

表2 试验用燃料气质特性Tab.2 Characteristics of gas for the test

4 余热锅炉热效率对比

4.1 余热锅炉热效率的试验结果

采用正、反平衡算法对试验工况余热锅炉热效率进行计算，试验结果见表3—4。

表3 正平衡法计算的余热锅炉热效率和试验条件Tab.3 Thermal efficiency calculated w ithin positive balancemathematicalmodel and test conditions

表4 反平衡法计算的余热锅炉热效率和试验条件Tab.4 Thermal efficiency calculated w ithin counter balancemathematicalmodel and test conditions

从能量平衡角度来说，正、反平衡锅炉效率应相互收敛。而从实际结果来看，余热锅炉正反平衡效率存在差异，反平衡效率为85.81%，正平衡效率为84.90%。

由数学模型可知正、反平衡2种余热锅炉热效率的输入热量都为燃机排气热量，故从反映能量流动的角度来说，精确的燃机排气量在余热锅炉的效率考核中至关重要。余热锅炉的焓降效率计算模型可直接反映传热效果。反平衡法对燃机排气流量考核要求相对较低，可直接由余热锅炉进／出口烟气的焓值及辐射对流损失率计算；但该方法无法反映传热过程的能量关系。在正平衡模型中，烟气量的计算误差所产生的效率误差不能消除，从能量平衡及质量平衡的角度看，正平衡试验结果不确定度高于反平衡试验结果的不确定度。

4.2 不明泄漏对余热锅炉热效率影响

试验期间，由除氧器的水位变化当量可知，汽水系统不明泄漏率在联合循环工况1及联合循环工况2时分别为1.32%，1.12%（即不明泄漏量为4.80，4.02 t／h）。汽水系统泄漏可分为3种极端情况：高压系统泄漏、中压系统泄漏及低压系统泄漏。假使试验前后除氧器水位变化当量为0，极端情况对余热锅炉热效率的影响见表5—7。

表5 高压系统泄漏对余热锅炉热效率影响Tab.5 Effect of leakage in high-pressure system on thermal efficiency of the waste heat boiler

表6 中压系统泄漏对余热锅炉热效率影响Tab.6 Effect of leakage in medium-pressure system on thermal efficiency of the waste heat boiler

由表5—7可知，考虑汽水系统不明泄漏情况，联合循环工况1下正平衡余热锅炉热效率波动范围为85.75% ～85.94%，反平衡余热锅炉效率平均为85.92%。联合循环工况2下正平衡余热锅炉热效率波动范围85.30% ～85.45%，反平衡余热锅炉效率平均为85.69%。

高压主蒸汽及再热蒸汽侧的不明泄漏对余热锅炉热效率计算影响最为严重。高压系统与中压系统泄漏导致的正平衡锅炉热效率相对误差持平，2个平行工况下，上述泄漏系统对余热锅炉热效率影响范围分别为0.63%，0.95%。低压系统泄漏对余热锅炉热效率影响最小，为0.44%，0.80%。2个平行工况下余热锅炉热效率的变化发展趋势一致并基本趋近于反平衡余热锅炉热效率结果。联合循环工况2的不明泄漏率及系统泄漏修正热量较联合循环工况1低，是由于联合循环工况2的燃机排气流量（668.74 kg／s）较联合循环工况1的燃机排气流量（676.79 kg／s）低，2个平行工况燃机排气比焓分别为610.37，614.98 kJ／kg，故联合循环工况2余热锅炉输入热量比联合循环工况1低。从正平衡余热锅炉热效率计算的数学模型来说，当输入-输出热量同时变化，不明泄漏率低的联合循环工况2的余热锅炉热效率相对误差较联合循环1高（如图1所示）。

表7 低压系统泄漏对余热锅炉热效率影响Tab.7 Effect of leakage in high-pressure system on thermal efficiency of the waste heat boiler

图1 不同系统不明泄漏对余热锅炉热效率的影响Fig.1 Influence of unknown leakage of different systems on thermal efficiency of waste heat boiler

综上所述，2种计算模型得到的余热锅炉热效率变化趋势一致，但反平衡计算模型较正平衡的结果高，考虑系统不明泄漏后的正平衡余热锅炉热效率变化向反平衡效率的变化趋近，且高、中压系统泄漏修正后趋近基本一致，整体高于低压系统泄漏修正。即从正平衡余热锅炉热效率计算的数学模型来说，系统不明泄漏一定的情况下，低阶压力系统泄漏导致的锅炉热出力降低在整个热平衡过程占比较少。

无论是正平衡锅炉效率还是反平衡锅炉效率计算模型，根本目的都是为了得到余热锅炉整体性能状况，由试验结果都可以看出，反平衡计算模型更接近设备性能真实值，而正平衡更接近热力循环系统真实值。因此在余热锅炉设备考核过程中，可根据不同的考核需求，采取不同的方法对余热锅炉性能进行考核评价。