燃气-蒸汽联合循环热电联产机组供热特性分析

许 可，李 蔚，李明超，虞熠鹏，陈坚红，钟 崴，吴燕玲



燃气-蒸汽联合循环热电联产机组供热特性分析

许 可，李 蔚，李明超，虞熠鹏，陈坚红，钟 崴，吴燕玲

（浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310058）

以某460 MW燃气-蒸汽联合循环热电联产机组为对象，研究了利用Ebsilon仿真软件建立模型并进行变工况计算的过程，通过仿真结果与热平衡图上设计值的对比，验证了模型及该建模方法的准确性和可靠性，证明该方法适用于燃气-蒸汽联合循环热电联产机组的计算。此外，对不同供热抽汽流量、环境温度以及负荷率下机组供热特性进行分析。结果表明：在性能保证条件燃气轮机100%负荷率工况下，当高、中、低压抽汽流量分别从0增加到60 t/h时，机组联合循环效率分别提高4.24%、4.31%、4.08%，热耗率分别降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)；环境温度低于15 ℃时，额定供热工况下联合循环热耗率与环境温度成负相关，环境温度高于15 ℃时成正相关；燃气轮机负荷降低会使汽轮机可运行功率范围减小，机组调峰能力减弱；当供热量大于300 GJ/h时，在相同供热量下75%负荷率下机组的联合循环效率高于100%负荷率。本文研究结果可为燃气-蒸汽联合循环热电系统的优化运行提供数据支撑和理论依据。

燃气蒸汽联合循环；热电联产；供热特性；Ebsilon软件；建模

我国正处于燃用天然气的燃气-蒸汽联合循环发电供热系统的发展阶段，市场容量较大。目前国内大部分联合循环机组用于热电联供，发电同时为工业用汽或城市采暖提供蒸汽[1-3]。实行热电联产、集中供热是提高供热效率的根本方法[4]。如何建立准确可靠的模型，用以分析燃气-蒸汽联合循环热电联产机组的供热特性是一个值得深入探究的课题。

国内学者对于燃气-蒸汽联合循环机组供热特性的研究方法主要有数学模型法和试验法。刘慧珍等[5]建立了某F级燃气-蒸汽联合循环机组抽凝模式下机组群负荷、供热量的数学模型，得到了机组的供热性能和调峰性能。刘俊峰[6]通过试验方法建立了某F级燃气-蒸汽联合循环机组全厂热效率的计算模型，并得出了联合循环机组的供热性能。然而数学模型法计算量大，计算过程不如软件仿真直观；试验法花费代价太大，且周期长。而热力计算软件Ebsilon操作方便，人机界面友好，所建立模型经调试后计算准确性较高，适合用于燃气-蒸汽联合循环的仿真计算。Ebsilon是一款热力循环过程的模拟软件，广泛地用于电站设计、评估和优化及其他热力循环过程的仿真计算。丁敬芝[7]利用Ebsilon为某700 MW热电站建模，展示出该软件作为现代化工具的先进性和实用性。张杨林子等[8]以Ebsilon为平台搭建了某450 MW燃气-蒸汽联合循环机组模型，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，并研究了环境参数对机组性能的影响。

本文利用Ebsilon软件为某燃气-蒸汽联合循环热电联产机组建模，通过仿真结果与热平衡图中设计值对比，验证模型的准确性。利用该模型进行一系列抽汽工况的变工况计算，研究该燃气-蒸汽联合循环热电机组的供热特性，为燃气-蒸汽联合循环热电系统的优化运行提供数据支撑和理论依据。

1 燃气-蒸汽联合循环热电联产机组模型

1.1 模型建立

以某460 MW燃气-蒸汽联合循环热电联产机组为研究对象搭建热力模型。该机组燃气轮机部分配置TCA/FGH（透平转子冷却空气/燃料性能加热器）系统[9]，TCA冷却水由高压给水提供，中压给水经过省煤器加热后抽出一部分给燃料预热（FGH）；采用天然气为燃料，燃料的低位热值为 47 369 kJ/kg；余热锅炉采用三压再热、无补燃、自然循环；汽轮机为抽凝式，高压缸出口抽取一部分蒸汽用于供热，中压缸中间级抽取两股供热蒸汽。供热蒸汽采用喷水减温减压后，达到所需的参数，三股供热抽汽参数分别为2 MPa/330 ℃、1.3 MPa/250 ℃、0.58 MPa/165 ℃。按照热平衡图中燃气循环、蒸汽循环以及余热锅炉各个部件的布置方式，绘制模型的拓扑结构。

Ebsilon软件针对确定的模型有设计工况（Design）和变工况（Off-Design）2种计算模式[10]。设计工况计算模式根据热平衡输入和输出参数确定各模块的特性，变工况计算模式根据输入参数以及模块的特性曲线确定输出参数。

本文以性能保证条件（环境温度27.85 ℃，相对空气湿度82.0%，大气压力100.41 kPa），燃气轮机100%负荷率纯凝工况为设计工况，按照机组热平衡图上的参数设置，完成设计工况热力计算；将计算模式切换到变工况模式，改变负荷率和各抽汽量，调整其他参数，即可完成不同负荷率（75%、50%）和不同抽汽组合的变工况热力计算。图1为性能保证条件燃气轮机100%负荷率三股供热抽汽流量分别为55、50、35 t/h（G100-H55M50L35，其中G100表示负荷率，H表示高压供热抽汽，M表示中压抽汽，L表示低压供热抽汽，下同）工况的模型示意。

Ebsilon软件在仿真计算过程中，其实质是按照压力、流量和焓值3个参数的守恒进行计算，再根据水蒸气性质以及其他热力学公式计算出温度、功率等其他热力参数。在设计工况模式下，按照热平衡图中的数据输入计算热平衡所需质量流量、温度、压力等参数（主要为燃气轮机侧燃料质量流量、压气机压比、烟气流量，余热锅炉各加热器的端差，汽轮机侧主蒸汽温度和流量、各级进出口压力、凝汽器背压等），完成热力循环计算；切换到变工况模式计算后，通过控制器控制燃气的流量从而使燃气轮机负荷降低，软件根据流量变化以及内置的效率随流量变化特性曲线迭代计算得到当前工况的烟气参数。余热锅炉各加热器通过内置特性曲线以及设计工况的计算值进行迭代计算，得出当前工况的传热量。汽轮机部分变工况按照弗留格尔公式计算，实现变负荷工况计算。改变抽汽流量，实现不同供热工况的计算。

图1 燃气-蒸汽联合循环热电联产机组模型示意

1.2 模型验证

为验证模型的可靠性和准确性，将仿真计算结果与热平衡图中设计值对比。验证工况清单见表1。验证模型计算工况包含了纯凝工况和额定供热工况、从50%到100%共3个负荷率、环境条件包括从–0.5 ℃的极端冬季温度到38.2 ℃的夏季温度5个环境温度，共14个工况。仿真结果与热平衡图中设计值对比见表2和表3。

表1 验证工况清单

Tab.1 The verification condition list

表2 设计工况计算模式下纯凝工况100%负荷仿真结果

Tab.2 Simulation results of the condensing condition with load rate of 100% in design mode

表3 变工况计算模式下G100-H55M50L35工况仿真结果

Tab.3 Simulation results of condition G100-H55M50L35 in off-design mode

由表2、表3可见：纯凝工况与供热工况仿真结果均比较符合设计值；各参数相对误差均在5%以内，为工程运用可接受范围。因此仿真计算数据可用于联合循环机组各特性的研究，具有实际工程运用价值。

2 联合循环热电联产供热特性分析

在热电联产机组生产过程中，同时存在电和热2种品质不同的能量产品。供热不仅影响着整个联合循坏效率、热耗率等指标，也对发电方面有很大的影响。通过比较纯凝工况与供热工况、不同供热参数工况以及不同环境参数供热工况下燃气-蒸汽联合循环热电联产机组的热力学特性，分析热电的耦合关系，能够为产品的定价以及机组优化运行提供理论指导[11-12]。

2.1 不同参数蒸汽的供热抽汽特性

由于存在三股不同参数的供热抽汽，而不同品质抽汽做功能力不同，因此对机组的影响也不尽相同。在研究抽汽量对机组影响时，保持其中两股供热抽汽流量不变，仅研究一股抽汽流量变化时机组特性。表4为100%负荷率下改变高压供热抽汽流量（中压抽汽和低压抽汽量分别为50、35 t/h）的仿真计算结果。

表4 100%负荷率下改变高压抽汽流量计算结果（燃气轮机功率294 530 kW）

Tab.4 Simulation results at various high pressure steam extraction flows with 100% load rate (gas turbine power 294 530 kW)

从表4可以看出：供热抽汽工况下余热锅炉的效率与纯凝工况相差不大，均为87.2%左右；随着高压抽汽流量增加，汽轮机出力减少，联合循环效率明显提高，在抽汽流量大的工况下可达70%以上，较纯凝工况联合循环效率提升14%；纯凝工况机组热耗率高于6 100 kJ/(kW·h)，而随着抽汽流量增至最大供热抽汽量，热耗率可降至5 500 kJ/(kW·h)以下。

按照以上思路分别改变中、低压抽汽流量，各参数随三股抽汽流量变化趋势如图2和图3所示。从图2和图3可以看出：改变中、低压抽汽流量时，机组联合循环效率与热耗率的变化规律与改变高压抽汽流量相似；然而，由于蒸汽品质与抽汽位置的差异，当高、中、低压抽汽流量分别从0增加到60 t/h时，机组联合循环效率分别提高4.24%、4.31%、4.08%，热耗率分别降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)。

图2 联合循环效率随供热抽汽流量的变化曲线

图3 联合循环热耗率随供热抽汽流量的变化曲线

三股不同参数蒸汽做功能力不同，供热能力也不同，相同抽汽总量有许多不同抽汽分配方式，因此不同的抽汽组合能得到多种发电量与供热量的分配。表5为100%负荷率下抽汽总流量为205 t/h，三股抽汽流量不同组合方式下的计算结果对比。其中，工况1—工况3分别为性能保证条件下高、中、低三股抽汽的最大供热量，工况4—工况8为三股供热抽汽均未达到最大供热量。从表5可以看出：不同抽汽组合下，机组的联合循环效率均在73%左右，热耗率在不同工况下有较大差异；工况1—工况3下，余热锅炉效率几乎相等，由于抽汽品质的差异，高压供热抽汽流量取最大值时供热量最大，为580 GJ/h，中压抽汽流量取最大时供热量减小了约10 GJ/h，低压抽汽流量取最大时又减小了约 10 GJ/h；工况4—工况8时余热锅炉效率略有上升；在抽汽总流量为205 t/h的8个工况中，通过对不同参数的蒸汽流量分配，可得到最大汽轮机功率为100.026 MW，最大供热量为580.58 GJ/h。

表5 供热抽汽总流量为205 t/h不同分配方式计算结果（燃气轮机功率294 530 kW）

Tab.5 Simulation results of different distribution modes with the total steam extraction flow of 205 t/h (gas turbine power 294 530 kW)

2.2 环境温度特性

温度对燃气-蒸汽联合循环的影响主要体现在温度对燃气轮机的影响。在夏季温度高时，燃气轮机出力较低；在冬季温度低时，燃气轮机出力较高：导致燃气轮机后部余热锅炉及汽轮机的实际运行参数随之发生改变。对不同温度下联合循环供热机组的特性进行仿真计算，能够直观了解各季节机组的热经济性[13]。

图4为纯凝工况以及额定抽汽工况下机组联合循环效率随环境温度变化曲线。

图4 机组联合循环效率随环境温度的变化曲线

由图4可见：在纯凝工况下，联合循环效率随温度升高略微降低，该变化趋势符合燃气轮机性能随温度变化的规律，即当温度升高时，机组的效率降低；而在额定供热工况下，温度对机组联合循环效率影响不明显，但整体较之纯凝工况下联合循环效率提升了约10%。

纯凝工况和额定抽汽工况下机组热耗率随温度变化趋势与联合循环效率相似，如图5所示。由图5可见：当温度较低（低于15 ℃）时，联合循环热耗率与环境温度成负相关；而温度高于15 ℃时，热耗率与环境温度成正相关。该变化趋势与韩朝兵[14]研究得出的环境温度对联合循环热耗率的影响近似呈二次关系相似。

图5 联合循环热耗率随环境温度的变化曲线

2.3 变负荷热电耦合特性

在燃气-蒸汽联合循环实际运用中，根据用户需求燃气轮机常以低于设计值的功率变负荷运行。作为联合循环的顶层循环，燃气轮机变负荷运行会改变余热锅炉的输入热量，因此对余热锅炉产汽量以及参数造成影响。研究变负荷热电耦合特性可以了解机组实际运行中各个负荷段的热电关系，便于优化热电分配以产生最大的经济效益。

在联合循环电站实际运行中，由于燃气轮机在低负荷下效率低的特性，电厂往往会限制最低运行[15]。机组实际运行时常用负荷率为50%~100%，因此本文仿真计算了性能保证条件下燃气轮机50%、75%、100% 3个负荷率的工况。图6为3个负荷率下汽轮机功率随供热量变化曲线。由图6可见：随着燃气轮机负荷降低，汽轮机功率整体降低；随着供热量的增加，不同负荷下汽轮机功率均呈线性减小且斜率大致相同；100%负荷下供热量从0增加到最大供热量时，汽轮机发电功率从144.95 MW降低至95.28 MW，机组的调峰能力大小为49.67 MW；当负荷率为75%和50%时机组调峰能力分别为 34.52 MW和24.07 MW，由此可知燃气轮机负荷降低时，不仅会使汽轮机发电功率降低，还会使汽轮机可运行功率范围减小，即机组调峰能力减弱；燃气轮机负荷率为50%~100%时，蒸汽循环侧发电量范围为62.89~144.95 MW，最大可对外供热614.82 GJ/h。

图6 不同燃气轮机负荷率下热电关系

图7为不同负荷率下机组联合循环效率随供热量变化曲线。由图7可见：在相同负荷率下，联合循环效率随供热量线性增加，这与上文中分析结果一致；当供热量小于300 GJ/h时，相同供热量工况下燃气轮机负荷率越高，联合循环效率越大；当供热量大于300 GJ/h时，在相同供热量情况下，75%负荷率下机组的联合循环效率高于100%负荷率下联合循环效率。

图7 不同燃气轮机负荷率下联合循环效率

3 结 论

利用Ebsilon热力仿真软件为某燃气-蒸汽联合循环热电联产机组建模，进行一系列纯凝及抽汽工况的变工况计算。以仿真结果数据为基础，对机组的多供热抽汽参数的供热特性作出分析，可得以下结论：

1）通过仿真结果与热平衡图中设计值的对比，证明了利用Ebsilon软件建立联合循环模型的可靠性，仿真结果可用于机组的热力特性分析，指导电厂的运行。

2）在性能保证条件，燃气轮机100%负荷率工况下，当高、中、低压抽汽流量分别从0增加到60 t/h时，机组联合循环效率分别提高4.24%、4.31%、4.08%，热耗率分别降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)；当抽汽总流量为205 t/h时，通过对不同参数的蒸汽流量进行分配，可得到最大汽轮机功率为100.026 MW，最大供热量为580.58 GJ/h；

3）随着环境温度改变，机组在额定抽汽供热工况下的联合循环效率几乎不变。而当环境温度低于15 ℃时，联合循环热耗率与环境温度成负相关，温度高于15 ℃时，热耗率与环境温度成正相关；

4）当燃气轮机负荷降低时，不仅会使汽轮机发电功率降低，还会使汽轮机可运行功率范围减小，机组调峰能力减弱；当供热量大于300 GJ/h时，在相同供热量下75%负荷率下机组的联合循环效率高于100%负荷率下联合循环效率。

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Analysis on heat supply performance of gas-steam combined cycle cogeneration units

XU Ke, LI Wei, LI Mingchao, YU Yipeng, CHEN Jianhong, ZHONG Wei, WU Yanling

(College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Taking a 460 MW gas-steam combined cycle cogeneration unit as the object, the process of modeling and calculating the variable conditions by using Ebsilon software was studied. The accuracy and reliability of the model and the method were verified by comparing the simulation results with the design values on the heat balance diagram. It proves that the modeling method is suitable for calculation of the gas-steam combined cycle cogeneration unit. Besides, the heat supply performances of different heating extractions, ambient temperatures and load rates conditions were analyzed. The results show that, as the mass flow of the high, medium and low pressure extraction steam increases from 0 t/h to 60 t/h, the combined cycle efficiency increases by 4.24%, 4.31% and 4.08%, respectively, and the heat consumption rate decreases by 193.6 kJ/(kW·h), 215.4 kJ/(kW·h) and 203.3 kJ/(kW·h). When the ambient temperature is lower than 15 ℃, the combined cycle heat rate is negatively correlated with the ambient temperature under rated heating conditions, and positively correlated when the ambient temperature is higher than 15 ℃. The reduction of the gas turbine load will shrink the operating power range of the steam turbine, and the peak shaving capacity of the unit will be weakened. When the heat supply is greater than 300 GJ/h, the combined cycle efficiency at 75% load rate will be higher than that of 100%. The results can provide data supports and theoretical guidance for the optimal operation of gas-steam combined cycle thermoelectric systems.

gas-steam combined cycle, cogeneration, heating performance, Ebsilon software, modeling

TK11+2

A

10.19666/j.rlfd.201809211

许可, 李蔚, 李明超, 等. 燃气-蒸汽联合循环热电联产机组供热特性分析[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 1-7. XU Ke, LI Wei, LI Mingchao, et al. Analysis on heat supply performance of gas-steam combined cycle cogeneration units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 1-7.

2018-09-04

许可(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向为热力系统建模与仿真，xukezju@163.com。

李蔚(1974—)，女，博士，副研究员，主要研究方向为热力系统建模与仿真，energy@zju.edu.cn。

（责任编辑 刘永强）