压缩比对燃气轮机热效率和比功的影响及经济性分析

2020-07-16

节能技术 2020年2期

(大唐东北电力试验研究院有限公司，吉林长春 130000)

0 引言

相比于传统的火力发电机组和燃气发电机组而言，燃气-蒸汽联合循环机组具有供电效率高、运行可靠性高、投资费用低、建设周期短、发电环保性能好、启动速度快等优点，近些年使用相当多数量的燃气轮机及其联合循环拉开了序幕[2]。Carapellucci Roberto等研究热量回收对燃气电厂经济效益的影响，并利用软件对不同燃气轮机运行参数进行评价，得出燃气轮机热效率随压比的升高而升高，未来可能对再生能源进行分析，进一步提高发电厂的能源可用性[3]；王树国对燃气-蒸汽联合循环机组运行参数实施优化探究，首先，建立联合循环理论分析模型，其次，开发联合循环运行优化程序，最后，分析运行参数优化结果[4]。(1)燃气初温越高，联合循环热效率越高；(2)在给定的空气初始温度下，联合循环的热效率随压缩比变化而缓慢变化；(3)其余参数恒定的基础上，联合循环的功率由于压缩比的增大而不断减小，蒸汽发生器的排烟温度随压缩比的增加而升高；(4)大气温度越高，联合循环热效率越低[5]。周恩东等对40 MW燃气轮机热力循环优化进行分析，根据焓熵图进行燃气轮机热力循环计算，再通过改变燃气轮机的燃气初温和总压比来进行多组热力计算，得到在不同的参数选取条件下燃气轮机的总体性能参数的变化情况[6]；赵亚迪等研究燃气锅炉烟气潜热利用技术，得出降低排烟热损失的同时增加潜热回收率，系统热效率升高[7]；Kumar Nitul等分析了空气/燃料比和压缩比对燃气-蒸汽联合循环热效率的影响，即对包括压缩机、燃气轮机、燃烧器、蒸汽发生器、汽轮机和冷凝器等设备性能进行研究，计算确定不同参数值的空气/燃料比及压缩比等性能参数[10]。

本文对燃气轮机的回热循环、间冷循环以及再热循环进行理论分析，即针对燃机效率最大或者燃汽轮机比功最大相对应的压缩机压比的分配进行深度探究，得出相应结论并给出不同的压缩比配比方式供相关的研究学者进行参考。

1 燃气轮机回热循环

1.1 回热系统

图1为最简单燃机循环系统，它是由压气机、燃烧室和燃气透平组成，图1中1-2为压缩机中的绝热压缩，2-3为燃烧室中的等压吸热，3-4为燃气轮机中的绝热膨胀，4-1为等压放热过程。

与图1不同，图2是在图1基础上加装了一台回热器构成燃气轮机回热循环系统，即由压缩机C压缩的空气先在回热器RG中用透平T的排气进行加热，然后再进入燃烧室CC，在透平进气温度T3不变时减少了燃料量的同时，又提高了吸热过程的平均吸热温度，而且排气在回热器中温度降低，以低于透平出口燃气温度在大气中放热，从而降低了放热过程的平均放热温度，故使得燃机循环效率得以提高[7]。

图1 燃气轮机简单循环系统C-压缩机；CC-燃烧室；T-燃气透平；G-发电机

图2 燃气轮机回热循环系统C-压缩机；CC-燃烧室；T-燃气透平；G-发电机；RG-回热器

1.2 循环效率与比功

压气机耗功Wc、透平做功Wt和循环吸热量q1分别为[8]

(1)

根据循环系统效率的关系式(1)可得

(2)

燃机比功为

(3)

式中qm,a、qm,g——空气和燃气的质量流量/kg·s-1；

cp,a、cp,g——空气和燃气在定压下的热容/J·(kg·K)-1；

π——压缩机压比；

k——工质绝热系数；

ηc、ηt、ηcc——压气机、透平和燃烧室的燃烧效率/[%]。

1.3 燃气轮机回热循环系统计算案例

某一燃气轮机循环过程，假定大气温度t1=20℃，忽略空气和燃气比定压热容差异且两者均取为cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，绝热系数k=1.4，分别取透平进口温度t3=1 473 K、t3=1 673 K及t3=1 873 K，压缩比π取5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23；ηc=ηt=ηcc=0.85，回热度取εrg=0.8，由式(1)～(3)计算可得出燃机回热循环的热经济性指标参数的结果为图3～图6所示。

图3 燃机热效率变化规律(无回热)

图4 燃机有、无回热的热效率比较

图5 燃机热效率变化规律(有回热)

图6 燃机比功变化规律(有回热)

由图3可知，系统无回热时，燃机进气温度t3越高，燃机循环热效率越高，同时热效率η*的最有利位置将随着压缩比π增大而先增大后减小；由图4可知，t3相同时，有回热系统的热效率比无回热情况下系统的热效率高；图5可得，三种进气温度下，随着π的变化，存在最佳热效率，且所对应的压缩比几乎相同，低压比π=7时燃机热效率较大；图6通过比较三种进气温度下燃机比功的大小可知，t3越高，燃机比功越大，且两种进气温度下最佳比功所对应的压比近似相同，高压比π=12时燃机比功相对较高。

2 燃气轮机中间冷却循环

2.1 回热-间冷循环

图7 燃气轮机回热-间冷循环系统C-压缩机；CC-燃烧室；T-燃气透平；G-发电机；RG-回热器；IC-冷却器

2.2 最佳间冷压力的确定

第一段压缩功ωc1

(4)

第二段压缩功ωc2

(5)

压缩机压缩功ωc

(6)

因为

πc=πc1πc2ηc1=ηc2=ηc

(7)

为求得压缩机两段压缩比的最佳值，可对式(6)求极值，将(7)式中的πc2换成πc/πc1带入,求∂ωc/∂πc1,并使之为零得

(8)

即可得

(9)

这说明当两段压缩比平均分配时，压缩机所做的压缩功最大。

式中 πc1——第一段压气机的压缩比；

πc2——第二段压气机的压缩比；

ηc1——第一段压气机的效率/[%]；

ηc2——第二段压气机的效率/[%]。

2.3 燃气轮机回热-间冷循环系统计算案例

某一燃气轮机间冷循环过程，假定大气温度t1=293 K，忽略空气和燃气比定压热容差异且均取为cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，绝热系数k=1.4，透平进口温度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，以上一算例计算结果为基础，因此取最大热效率值对应的最佳压缩比πc=7以及最佳燃气轮机比功对应的压缩比πc=12，具有一次中间冷却，冷却到293 K，求πc1=2、2.5、2.646、2.8、3以及πc1=2、3、3.464、4、6时热经济性指标，计算结果如图8～图11所示。

图8 πcw.opt不同分配下热效率变化趋势

图9 πcw.opt不同分配下燃机比功变化趋势

图10 πcη.opt不同分配下热效率变化趋势

图11 πcη.opt不同分配燃机比功变化趋势

3 燃气轮机再热循环

3.1 间冷-回热-再热循环

如图12所示，再热循环把透平分成两段，在此之间加装一个再燃室，即把一段透平排气送入再燃室升温，然后进入二段透平膨胀作功。第二段透平膨胀做功量增大，从而使整个透平做功量增加[7]。

3.2 最佳再热压力的确定

第一段膨胀功ωt1为

(10)

第二段膨胀功ωt2为

(11)

图12 燃气轮机回热-间冷-再热循环系统C-压缩机；CC-燃烧室；T-燃气透平；G-发电机；RG-回热器；IC-冷却器；RCC-再燃室

透平膨胀功ωt为

(12)

其中

πt=πt1πt2ηt1=ηt2=ηt3

(13)

式中 πt1——第一段燃气轮机的膨胀比；

πt2——第二段燃气轮机的膨胀比；

ηt1——第一段燃气轮机的效率/[%]；

ηt2——第二段燃气轮机的效率/[%];

3.3 燃气轮机回热-间冷-再热循环系统计算案例

某一燃气轮机再热循环过程，假定大气温度t1=20℃，忽略空气和燃气比定压热容差值且两者均取为cpa=cpg=0.24 J/(kg·K)，绝热系数k=1.4，燃气透平进口温度t3=1 673 K，ηc=ηt=ηcc=0.85，取πt=7、πt=12，用一次再热两段膨胀，再热温度仍取1 673 K，求πt1=2、2.5、2.646、2.8、3及πt1=2、3、3.464、4、6时热经济性指标，计算结果如图13～图16所示。