基于天然气联合循环电厂的热量—功率—燃气容量分析

姜海燕

摘 要：以天然气为燃料的热电联产电厂是连接天然气管道、电网及区域供热管网的中心枢纽，因此这种燃气电厂的供热量、供电量和燃料消耗能力是协调城市能源系统的关键。本文根据能量守恒定律，建立燃气-蒸汽联合循环发电机组的过程模型，通过仿真设计，得出一组边界数据。通过这些数据可为燃气电厂在城市能源系统的协调上反馈一定的信息。

关键词：热电联产 供热量 供电量 天然气消耗量

中图分类号：TM611.31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0111-02

1 系统配置

（1）系统描述。

汽轮机（ST）中的蒸汽被分为两部分：一部分带动汽轮机发电，经凝汽器冷凝后，

抽回到余热锅炉中作为给水；从汽轮机抽取的另一部分蒸汽作为热交换器的热源。热网的回水被加热后，继续循环到热网系统中；热交换器中的水凝结后被抽回到余热锅炉中作为给水。因此，我们可以通过调节蒸汽流量参数和恒负载情况下抽汽流量来操控机组供热量和功率。

（2）系统分析。

①曲线1：热量-功率上限。

当流量保持在最大值时，燃气轮机发电量也为最大值。随着蒸汽量损失增加，蒸汽轮机的功率就会下降，从而降低了整个系统发电能力。

②曲线2：热量-功率下限。

当燃气轮机负荷保持在最低值时，损失的蒸汽量会随着供热量的增加而增加，从而降低了燃气轮机发电量。当低压蒸汽流量达到它的最低阈值时，整个系统的电量曲线会存在一个转折点。过了该转折点，系统的发电量随着供热量、进气量以及蒸汽量的上升而上升。

③曲线3：热量-燃气上限。

天然气流量的最大值对应燃气轮机的最大负荷。

④曲线4：热量-燃气下限。

天然气流量的最小值对应燃气轮机的最小负荷。

⑤曲线5：燃气-功率上限。

蒸汽出口流量值为0时，发电量将达到最大值。若将供热量保持在0，那么燃气-功率的上限值是一一对应的。

⑥曲线6：燃气-功率下限。

当燃气供应量由最小值变为最大值，ST蒸汽流量也保持在最小值时，就得到了功率下限值。

（3）过程模拟。

下面采取三套仿真设计来分析系统燃料的供应和消耗能力。

曲线1、曲线3：将燃气流量保持在最大值，把热交换器的蒸汽流量由0变为区间的最大值，通过仿真计算出系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线2、曲线4、曲线6：将燃气轮机负荷保持在最小值，将热交换器蒸汽流量从区间0值逐渐增加到低压蒸汽流量最小值；然后逐渐增加燃气轮机负荷，同时保持低压蒸汽最小值不变，直至热交换器蒸汽流量达到区间最大值，然后记录系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线5：保持电加热器蒸汽流量为0，将燃气流量由0逐渐增加到最大值，然后进行仿真并记录系统发电量。

2 系统分析

（1）组态软件设计。

我们按照满负荷情况下建立仿真模型。分别采用100%、75%、50%负荷进行仿真结果数据验证。下面我们通过改变功角来改变燃气主机负荷（负荷从30%～100%）。

（2）结论与讨论。

曲线A表示在无供热情况下的燃气-功率之间的关系；曲线B和曲线C分别表示在最大和最小燃气量情况下的热量-功率之间的关系；曲线D表示当LP和ST在最小蒸汽流量工况下热量-功率-燃气之间的关系。这四条曲线总体可以用来描述热量-功率-燃气消耗量的边界容量。

3 结论

根据能量守恒定律建立的天然气热电联产电厂，通过三种仿真设计，得到了四条曲线，这四条曲线组成的闭合边界范围描述了热量-电量-燃气量之间的关系，因此可被作为城市能源系统调度的一种方式。endprint

摘 要：以天然气为燃料的热电联产电厂是连接天然气管道、电网及区域供热管网的中心枢纽，因此这种燃气电厂的供热量、供电量和燃料消耗能力是协调城市能源系统的关键。本文根据能量守恒定律，建立燃气-蒸汽联合循环发电机组的过程模型，通过仿真设计，得出一组边界数据。通过这些数据可为燃气电厂在城市能源系统的协调上反馈一定的信息。

关键词：热电联产 供热量 供电量 天然气消耗量

中图分类号：TM611.31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0111-02

1 系统配置

（1）系统描述。

汽轮机（ST）中的蒸汽被分为两部分：一部分带动汽轮机发电，经凝汽器冷凝后，

抽回到余热锅炉中作为给水；从汽轮机抽取的另一部分蒸汽作为热交换器的热源。热网的回水被加热后，继续循环到热网系统中；热交换器中的水凝结后被抽回到余热锅炉中作为给水。因此，我们可以通过调节蒸汽流量参数和恒负载情况下抽汽流量来操控机组供热量和功率。

（2）系统分析。

①曲线1：热量-功率上限。

当流量保持在最大值时，燃气轮机发电量也为最大值。随着蒸汽量损失增加，蒸汽轮机的功率就会下降，从而降低了整个系统发电能力。

②曲线2：热量-功率下限。

当燃气轮机负荷保持在最低值时，损失的蒸汽量会随着供热量的增加而增加，从而降低了燃气轮机发电量。当低压蒸汽流量达到它的最低阈值时，整个系统的电量曲线会存在一个转折点。过了该转折点，系统的发电量随着供热量、进气量以及蒸汽量的上升而上升。

③曲线3：热量-燃气上限。

天然气流量的最大值对应燃气轮机的最大负荷。

④曲线4：热量-燃气下限。

天然气流量的最小值对应燃气轮机的最小负荷。

⑤曲线5：燃气-功率上限。

蒸汽出口流量值为0时，发电量将达到最大值。若将供热量保持在0，那么燃气-功率的上限值是一一对应的。

⑥曲线6：燃气-功率下限。

当燃气供应量由最小值变为最大值，ST蒸汽流量也保持在最小值时，就得到了功率下限值。

（3）过程模拟。

下面采取三套仿真设计来分析系统燃料的供应和消耗能力。

曲线1、曲线3：将燃气流量保持在最大值，把热交换器的蒸汽流量由0变为区间的最大值，通过仿真计算出系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线2、曲线4、曲线6：将燃气轮机负荷保持在最小值，将热交换器蒸汽流量从区间0值逐渐增加到低压蒸汽流量最小值；然后逐渐增加燃气轮机负荷，同时保持低压蒸汽最小值不变，直至热交换器蒸汽流量达到区间最大值，然后记录系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线5：保持电加热器蒸汽流量为0，将燃气流量由0逐渐增加到最大值，然后进行仿真并记录系统发电量。

2 系统分析

（1）组态软件设计。

我们按照满负荷情况下建立仿真模型。分别采用100%、75%、50%负荷进行仿真结果数据验证。下面我们通过改变功角来改变燃气主机负荷（负荷从30%～100%）。

（2）结论与讨论。

曲线A表示在无供热情况下的燃气-功率之间的关系；曲线B和曲线C分别表示在最大和最小燃气量情况下的热量-功率之间的关系；曲线D表示当LP和ST在最小蒸汽流量工况下热量-功率-燃气之间的关系。这四条曲线总体可以用来描述热量-功率-燃气消耗量的边界容量。

3 结论

根据能量守恒定律建立的天然气热电联产电厂，通过三种仿真设计，得到了四条曲线，这四条曲线组成的闭合边界范围描述了热量-电量-燃气量之间的关系，因此可被作为城市能源系统调度的一种方式。endprint

摘 要：以天然气为燃料的热电联产电厂是连接天然气管道、电网及区域供热管网的中心枢纽，因此这种燃气电厂的供热量、供电量和燃料消耗能力是协调城市能源系统的关键。本文根据能量守恒定律，建立燃气-蒸汽联合循环发电机组的过程模型，通过仿真设计，得出一组边界数据。通过这些数据可为燃气电厂在城市能源系统的协调上反馈一定的信息。

关键词：热电联产 供热量 供电量 天然气消耗量

中图分类号：TM611.31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0111-02

1 系统配置

（1）系统描述。

汽轮机（ST）中的蒸汽被分为两部分：一部分带动汽轮机发电，经凝汽器冷凝后，

抽回到余热锅炉中作为给水；从汽轮机抽取的另一部分蒸汽作为热交换器的热源。热网的回水被加热后，继续循环到热网系统中；热交换器中的水凝结后被抽回到余热锅炉中作为给水。因此，我们可以通过调节蒸汽流量参数和恒负载情况下抽汽流量来操控机组供热量和功率。

（2）系统分析。

①曲线1：热量-功率上限。

当流量保持在最大值时，燃气轮机发电量也为最大值。随着蒸汽量损失增加，蒸汽轮机的功率就会下降，从而降低了整个系统发电能力。

②曲线2：热量-功率下限。

当燃气轮机负荷保持在最低值时，损失的蒸汽量会随着供热量的增加而增加，从而降低了燃气轮机发电量。当低压蒸汽流量达到它的最低阈值时，整个系统的电量曲线会存在一个转折点。过了该转折点，系统的发电量随着供热量、进气量以及蒸汽量的上升而上升。

③曲线3：热量-燃气上限。

天然气流量的最大值对应燃气轮机的最大负荷。

④曲线4：热量-燃气下限。

天然气流量的最小值对应燃气轮机的最小负荷。

⑤曲线5：燃气-功率上限。

蒸汽出口流量值为0时，发电量将达到最大值。若将供热量保持在0，那么燃气-功率的上限值是一一对应的。

⑥曲线6：燃气-功率下限。

当燃气供应量由最小值变为最大值，ST蒸汽流量也保持在最小值时，就得到了功率下限值。

（3）过程模拟。

下面采取三套仿真设计来分析系统燃料的供应和消耗能力。

曲线1、曲线3：将燃气流量保持在最大值，把热交换器的蒸汽流量由0变为区间的最大值，通过仿真计算出系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线2、曲线4、曲线6：将燃气轮机负荷保持在最小值，将热交换器蒸汽流量从区间0值逐渐增加到低压蒸汽流量最小值；然后逐渐增加燃气轮机负荷，同时保持低压蒸汽最小值不变，直至热交换器蒸汽流量达到区间最大值，然后记录系统发电量、供热量及燃气消耗量。

曲线5：保持电加热器蒸汽流量为0，将燃气流量由0逐渐增加到最大值，然后进行仿真并记录系统发电量。

2 系统分析

（1）组态软件设计。

我们按照满负荷情况下建立仿真模型。分别采用100%、75%、50%负荷进行仿真结果数据验证。下面我们通过改变功角来改变燃气主机负荷（负荷从30%～100%）。

（2）结论与讨论。

曲线A表示在无供热情况下的燃气-功率之间的关系；曲线B和曲线C分别表示在最大和最小燃气量情况下的热量-功率之间的关系；曲线D表示当LP和ST在最小蒸汽流量工况下热量-功率-燃气之间的关系。这四条曲线总体可以用来描述热量-功率-燃气消耗量的边界容量。

3 结论

根据能量守恒定律建立的天然气热电联产电厂，通过三种仿真设计，得到了四条曲线，这四条曲线组成的闭合边界范围描述了热量-电量-燃气量之间的关系，因此可被作为城市能源系统调度的一种方式。endprint