联合循环机组建模及环境参数对其性能的影响

张杨林子，刘双白，庞春凤，孙建平

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045)



联合循环机组建模及环境参数对其性能的影响

张杨林子1，刘双白2，庞春凤2，孙建平1

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045)

摘要：利用某联合循环电厂450 MW机组在性能保证工况温控模式下的设计参数，以热力循环模拟软件EBSILON为平台，搭建燃气-蒸汽联合循环机组模型。同时，改变压气机入口处的环境参数进行仿真，分析和研究不同环境参数下联合循环系统出力和热效率的变化情况。通过仿真结果与理论分析及厂家修正曲线的对比，验证了该模型的有效性；该模型可用于联合循环机组优化运行研究，指导燃气电厂的经济运行。

关键词：燃气轮机；联合循环；环境参数；建模

0引言

众所周知，我国是一个以煤为主要消费能源的国家[1]，然而，燃煤发电在带来便利的同时，不可避免地也带来了许多环境问题。目前，因煤炭燃烧而造成的严重污染已经引起我国各界的关注[2]。随着节能减排和可持续发展战略的推进，发电产业除了需要保证机组的安全、经济、稳定运行之外，还需要把眼光更多的放在降低污染物排放上[3]。天然气是一种洁净能源，燃烧后产生的污染物质很少，随着科技的发展，燃气轮机及其联合循环装置已越来越多的应用于清洁能源建设和发电工业中。联合循环发电技术对改善环境、提高电网调峰灵活性有着十分重要的作用[4-6]。

燃气轮机是对大气环境十分敏感的动力装置，燃气轮机的输出参数与压气机入口处的空气参数有很大的关系[7]，环境参数变化会对燃气轮机及其联合循环机组的性能产生很大的影响。因此，研究和讨论机组在不同大气温度、压力和相对湿度下的出力和热效率变化对促进系统安全、稳定、高效运行具有十分重要的意义[8]。

本文参考某电厂性能保证工况下的设计数据，利用热力循环模拟软件EBSILON搭建燃气-蒸汽联合循环机组模型，改变压气机入口处的环境参数，模拟仿真联合循环系统的运行状况，计算机组在不同大气条件下功率和热效率的变化情况。

1利用EBSILON建立联合循环模型

EBSILON软件是一款热力循环过程模拟软件，可用于计算热力过程的热量、功量、循环效率、热力状态参数等物理量，每次计算都遵循质量守恒、能量守恒等原则[9]。EBSILON软件中包含的热力元件齐全，使用方法灵活，可模拟太阳能、核能、火电站、燃气轮机等热力循环电站的工作运行状况，可用于电站规划、设计和优化。

本文参考某电厂450 MW联合循环机组在性能保证工况下的设计数据，以EBSILON软件为平台，在搭建燃气-蒸汽联合循环机组模型的基础上，探究环境参数变化对联合循环系统性能的影响。

利用EBSILON软件元件库中的单个元件模型，搭建余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环系统如图1所示，根据电厂热平衡图中的设计参数设置每个元件所需的进出口参数，为保证计算成功，仿真时根据软件的错误提示功能加入管道测点，测点用来单独设置管道内工质的压力、温度、质量流量和焓等，遵循质量守恒、能量守恒等规律。在建模过程中，需要注意的是，元件之间的连接线只有数据传输作用，因此，还要加入管道、调节阀等元件模拟实际管道和工质传输中的阻力和压损等。加入功率累加器(图1中标号为6)可算出联合循环总功率，并用出力与燃料热能输入之比求出机组热效率。图中的每组数据表示各管道内流体的状态参数，包括温度、压力、质量流量及焓。

1.压气机；2.燃烧室；3.性能加热器；4.燃气透平；5.发电机；6.功率累加器；7.低压省煤器；8.低压汽包；9.低压过热器；10.中压省煤器；11.中压汽包；12.中压过热器；13.高压省煤器；14.高压汽包；15.再热器；16.高压过热器；17.蒸汽轮机；18.凝汽器；19.测点图1　燃气-蒸汽联合循环机组模型

如图1所示，左边虚线框中是燃机侧部分，空气经压气机压缩后进入燃烧室与天然气混合燃烧，得到的高温高压燃气进入燃气透平中膨胀做功，做功后的高温烟气直接排放到大气中十分浪费，因此加入余热锅炉和蒸汽侧部分，构成联合循环；模型中间为余热锅炉部分，热量完全来自燃机排出的高温烟气，循环水到余热锅炉中换热，流经省煤器，在汽包中生成高温高压蒸汽，而烟气的热量被充分吸收后才排放到大气中，减少了能量浪费；右边虚线框中为汽机侧部分，汽包出口处的高温蒸汽进入过热器进一步加热后进入蒸汽轮机中推动叶片做功，最终将机械功转化为电能。相比于单纯燃气轮机发电，加入余热锅炉和蒸汽机的联合循环机组提高了整个系统的能量利用率。

2环境参数变化的影响

季节的变换、地域的差别、海拔的高低都会对使得大气温度、压力和湿度等参数发生变化，搭建好燃气-蒸汽联合循环机组模型后，改变压气机入口处的空气参数，调整冷却空气量，在保证透平前燃气初温不变的情况下分析环境参数变化对整个联合循环机组输出功率和热效率的影响。

2.1大气温度

利用EBSILON软件仿真计算成功后，导出大气温度对燃气-蒸汽联合循环机组出力的影响如图2(a)，大气温度对机组效率的影响如图2(b)所示。

图2　大气温度对机组功率及热效率的影响

由理论分析可知，当大气温度升高时，空气密度减小，进入压气机的空气流量减少，天然气流量随之降低，系统中燃料的热能输入减少，机组做功能力降低，出力有较为明显的减少。同时，随着大气温度的升高，单位工质的耗功量增加，燃机效率降低，若蒸汽循环效率不变，联合循环热效率也会降低。

从仿真结果图2(a)中可以看到，大气温度每升高10 ℃，机组输出功率约下降5.7%；模型是在背压不变的情况下运行的，背压不变时会削弱大气温度对机组热效率的影响，但从图中也可看到联合循环热效率由明显的下降。

图3　机组出力随环境温度修正曲线(厂家)

2.2大气压力

利用EBSILON软件仿真计算成功后，导出大气压力对燃气-蒸汽联合循环机组出力的影响如图4(a)，大气压力对机组效率的影响如图4(b)所示。

图4　大气压力对机组功率及热效率的影响

由理论分析可知，当大气压力升高时，空气密度增大，压气机入口处的空气流量随之增加；在环境温度、机组转速不变的情况下，为保证燃气初温恒定的冷却抽气百分比不变，因此，参与燃烧的空气与压气机吸入的空气流量成正比，燃机出力增大；此时燃气透平的排气量也与压气机入口的空气质量流量成正比，若蒸汽循环效率不变，则联合循环中的机组功率也会与吸入的空气流量成正比，进而与大气压力成正比增加。由于机组燃空比不变，当大气温度一定时，燃料量会与压气机入口处的空气流量同比变化，因而燃机效率不变；当蒸汽循环效率不变时，大气压力的变化不会对联合循环机组的效率产生影响。

从仿真结果图4(a)中可以看到，大气压力每升高1 kPa，机组输出功率约升高1%，与图5厂家的修正曲线结果一致。

图5　机组出力随大气压力修正曲线(厂家)

2.3大气相对湿度

利用EBSILON软件仿真计算成功后，导出大气相对湿度对燃气-蒸汽联合循环机组出力的影响如图6(a)，大气相对湿度对机组效率的影响如图6(b)所示。

图6　大气相对湿度对机组功率及热效率的影响

大气湿度是用来衡量空气中水蒸气含量的，湿度的变化会影响空气的密度和比热容值，使压气机的压缩功和透平的膨胀功发生变化[11]，从而影响机组性能。

由理论分析可知，在联合循环中，随着大气湿度的增加，空气中的水蒸气含量增加，湿空气比热容数值增大，压气机耗功增加，机组效率降低。联合循环模型仿真的是机组在温控模式下的运行情况，温控模式需要保证燃气初温恒定不变，随着大气相对湿度的增加，湿空气密度变小，进入压气机的空气流量减小，但为了保持燃气初温不变，从压气机抽走的冷却空气量也减少，使得进入燃烧室参与燃烧的空气流量略有增加，机组做功增加，输出功率稍有变大。

从图6(a)中可以看到，即使大气相对湿度从0%变化到90%，联合循环机组的输出功率只增加了0.13%，热效率变化程度也非常小，与图7厂家的修正曲线保持一致，因此，在只有在大气温度很高或湿度很大时才需对湿度变化加以考虑，大多数情况可忽略不计。

图7　机组出力随大气相对湿度修正曲线(厂家)

3结论

利用热力循环模拟软件EBSILON，建立燃气-蒸汽联合循环机组模型，对联合循环系统在不同大气温度、压力和相对湿度环境下的运行情况进行仿真，得到了环境参数变化对机组性能的影响数据和趋势图。从图表显示的结果中可以看出，环境温度越低或相对湿度越小，机组热效率越高，因此，在环境温度较高的夏季工况，往燃气轮机的压气机进气口处加装进气冷却装置有助于提高机组性能；在下雨频率高，空气湿度大的南方，加装进气防雨雾筛网或采取进气干燥措施有助于提高联合循环系统性能并确保机组高效率可靠运行。

通过仿真结果与理论分析及电厂实际运行情况的对比，证明了本文所建立的燃气-蒸汽联合循环机组模型的有效性；该模型还可用于联合循环机组优化运行研究，指导燃气电厂的经济运行。

参考文献:

[1]顾大为.燃气-蒸汽联合循环机组变工况建模与模拟[D].沈阳：东北大学，2010.

[2]刘万琨，魏毓璞，赵萍，等.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3]陈戈伐. M701F型燃气-蒸汽联合循环机组变工况热力性能分析[D].广州：华南理工大学,2013.

[4]吴海燕.分轴燃气轮机的建模和仿真研究[D].上海：上海交通大学,2013.

[5]高建强,裴闪,吴迎光.单轴燃气轮机模块化仿真模型及其运行特性研究[J].华北电力大学学报(自然科学版),2006,33(5):52-55.

[6]刘华强，汪晨晖.燃气轮机在我国应用情况分析[J].中国新技术新产品,2012(6)：149.

[7]张娜，蔡睿贤.环境温度对燃气轮机功热并供装置及联合循环变工况性能的影响[J].工程热物理学报，2001，22(5)：529-532.

[8]李韵婷.联合循环电厂单轴燃气轮机的动态模型研究[D].北京：华北电力大学，2010.

[9]丁敬芝.利用EBSILON软件为某700MW热电站建模[J].华电技术，2014(3)：17-20.

[10]焦树建.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007.

[11]许明.燃气-蒸汽联合循环机组变工况运行性能及影响因素分析[J].科技传播，2013(23)：102-103.

Combined Cycle Unit Modeling and the Impact of Environmental Parameters on Performance of the Unit

ZHANG Yanglinzi1， LIU Shuangbai2， PANG Chunfeng2，SUN Jianping1

(1.School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100045，China)

Abstract：Using the design parameters of a combined cycle power plant 450 MW unit in performance guarantee condition of temperature control mode, based on thermodynamic cycle simulation software EBSILON platform, sets up the gas and steam combined cycle unit model. At the same time, simulated by changing the environment parameters at the entrance of compressor. Analyzed and studied the changes of the output and thermal efficiency of the combined cycle system under different environment parameters.The simulation results were compared with theoretical analysis and factory correction curve to verify the effectiveness of this model. This model can be used in the study of combined cycle unit optimizing operation, and it can guide the economic operation of gas plants.

Keywords：gas turbine；combined cycle；environment parameters；modeling

收稿日期：2016-04-12。

作者简介：张杨林子(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为燃气-蒸汽联合循环机组性能的研究，E-mail：zhangyanglinzi@sina.com。

中图分类号:TK211

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.012