燃气蒸汽联合循环机组节能降耗分析

吴寅琛

摘 要：实现节能降耗发展是燃气蒸汽联合循环机当下的新要求。本文从燃气蒸汽联合循环机的工作原理出发，基于热力学进行详细分析，分别研究其在凝泵变频、水泵驱动模式、停机真空运行方面节能降耗的工作原理、方法及效益，为有蒸汽燃气联合循环机节能降耗需求的企业提供技术支持。

关键词：燃气蒸汽联合循环机;热力学;凝泵变速

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0034-02

0引言

环境污染日益严重，加快新型清洁能源开发成为各行各业普遍共识。燃气蒸汽联合循环机因其具有效率高、污染小、运行稳定的特点，成为各大城市发电供热的首要选择，进一步研究其在运行过程中的节能降耗方式，更充分地应用到日常作业中，可在提高经济效益的同时减少环境污染。

1燃气蒸汽联合循环原理及热力学分析

1.1燃气蒸汽联合循环原理

燃气蒸汽联合循环机是指以燃气作为高温工质、以蒸汽作为低温工质，以燃气轮机中的排气作为蒸汽轮机的加热源所构成的联合循环装置。在此循环中，燃气轮机中的热功率在温度相对较低的温度段进行，此阶段被称为低位循环或下位循环。实施循环的方法就是在轮机后方加一台余热锅炉，燃气机中的高温烟雾在预热锅中加热成蒸汽，输送到蒸汽透平中，以提高整体的利用效率。一般情况下，联合机热功率可比普通循环机热功率高50%，供电效率远高于以煤炭作为燃烧源的传统蒸汽轮机，其以天然气或液体燃料作为原料，环保性能极好，且投资周期短，用水量较少，运行过程中实现全自动化，随时都可启停，可用率最高可达95%。

1.2燃气蒸汽热力学分析

图1为联合循环机的能量图，以此来进行热力分析。此处可选取燃料量1kg/h来进行计算。其中燃气轮机的平衡公式为Q1+Qar，net，prl=p0gt+Qc1+Qc2+Qa2;余锅热量的平衡公式为Qc1+Qw1+Qstr=Qst1+Qst2+Qst3+QA2;蒸汽轮机能量的平衡公式为p0st+Qstr+Qw1+QA3=Qst1+Qst2+Qst3;热力分析可分为上位燃气轮机热力分析及下位气轮机热力分析。上位燃气轮机分析包括单轴燃气轮机热力分析、最佳压比分析;下位燃气轮机分析包括余热锅炉热力分析、及蒸汽轮机热力分析。以此得出蒸汽机效率公式为：Nst=P0st/（Qst1+Qst2-Qw1）+（Qst2-Qstr）×NmgtNGgt。

2节能降耗方式分析

据研究可知，蒸汽燃气联合循环机运行中分别在凝泵速度恒定、传统水泵驱动方式、停机后依然处在真空状态三方面消耗过多能量，因此研究其节能降耗的方式从改变这三方面着手。

2.1凝泵变频调速

2.1.1调速技术工作原理

电机公式为n×60×f/p=（1-s）×n2-n1，由此可知，只要改变电源的频率就可以改變转速和电机转速的同步率，其中频率下降会导致磁通增加，形成磁路的饱和，而励磁电流的增加，会使功率因数下降，铁线圈过热，这是不符合规定的，因此要同时降频和降压，此部分就要求电压与频率协调控制。完成变频调速的装置被称为变频器，变频器是由滤波器，驱动电路及控制器等组成。变频器工作时，会先将三相交流电源进行滤波后，形成基本固定的直流电压附加在逆变器当中，运用逆变器功率进行控制，使其输出端能获得一定的脉冲波形，通过改变脉冲波形的宽度来控制电压的数值;通过改变周期来控制输出的频率，进而实现在逆变器上对输出电压和频率的双重控制，以满足协调要求。

2.1.2变速系统构建

变速系统构建主要分为5部分。第1部分为变频调控，变频调控主要分为两方面，一为硬件方面，此方面的主要任务是增加结构变频器模块化及其附加装置控制电缆和动力敷设，这方面的工作需要电气专业人员来完成;另一方面就是对系统工艺进行控制，这方面工作需要根据系统工艺要求进行相关的逻辑设计、不断进行实验和调试，以实现变频控制的自动化。第2部分为变速装置的完成，此部分主要分为两点，第一点为变速模块的建立，变速装置模块中的高压部分及配套的一体化模块都由专业公司进行供货，户外可直接安装，在安装之后只需要连接高压电缆、控制信号电缆即可，对电缆的距离没有要求，且在不经任何改动的情况下就可以直接使用;第二点为街上DCS接口，变速器的所有开关均是无源接点，与DCS连接的具体容量为5A，变速器输送至DCS的信号有4mA～20mA的凝结水泵电流和凝结水泵转速;变速器接收到来自DCS的有4mA～20mA的转速给定信号[1]。第3部分为给电气设备进行连锁处理，根据变频装置的需要，保证变速器出现故障时跳开6kV的开关电源，以避免后续故障的产生，且为了防止变速和旁路同时进行，可以用刀闸信号设置变速器闭锁回路，其中要对进线、出线、电源断路器设置闭锁条件。第4部分为对操作界面的控制，水泵在运行中，会产生气化现象和汽蚀现象，因此可将泵的最低转速设置成≧900rpm，水压力≧1.2MPa，对应的转速为986rpm，由此，可以初步设定水泵在变速器下最低转速为1000rpm，手操器上设置对应最低限值为67.4%。第5部分为变速器运行过程中的调节，此部分分为节流调节和变速调节两点，其中节流调节消耗功率公式为N=yWAhJ/1000A×kW;变流调节功率与转速关系方程为W1/W2=n1/n2，以此来进行计算调节[2]。

2.2改变水泵驱动方式

2.2.1改造方案及数学模型

以实行改造方案前的一台电动驱动机为例，其高压用液力耦合装置进行调速处理，而中压则采用定速方式，高、中压均为余热锅炉中的低压气泡，而低压气泡来自于凝结水泵的给水。当高压和中压的给水分别进入到高压气泡和中压气泡后，将和燃气轮机进行换热，换热后产生主蒸汽。改动方案是将其中一台高压水泵驱动方式改造成凝结小汽轮式轮机驱动，其中抽气来自于中压的排气缸，排气进入到主机的凝结器中。在汽轮机启动时可以使用另一台传统电驱动给水泵高压处上水，在达到额定负荷30%以上后换另一台机器给水泵上水，以此检测节能效果。

计算模型分为热功率计算、输入功率计算、汽轮机用气量及热效率计算4部分。热功率是指在机器运行中发电量产生的热量与供给燃料消耗热量的百分比，计算公式为rj=3600prj/GfQf×100;当总功率恒定时，汽轮机与电动机两种驱动方式的输出功率相同，而输入功率在计算上有所不同，其计算公式为pin=9.8×106q（pout-pin）/（3600y）[3];由质量守恒定律可知，气泵多消耗的汽量用于汽轮机的抽汽量，则汽轮机用汽量计算公式为qxj=9.8×1o3q（pout-pin）/（hp-hd）y;汽轮机热效率计算公式为Q=（qe-qxj）（hp-hs）+qxj（hp-hd）+3.6Wq/3.6Wi。

2.2.2改造后节能效果分析

通过对水泵的驱动模式进行改造，并对改造后实验多次的计算数据进行分析可以得出改造后的循环机具有以下3点节能效益。（1）在耗能方面，有计算可得出气泵的节省功率效果要远高于电泵节省效果，可在更为节能的情况下实现组内效率的提高;（2）在全厂热能方面，由于改造后的一小部分抽气作用于水泵，产生能量转换，效果要远高于改造前只用于供热的状态，在提高效率的同时能够分别对水泵和抽气减少使用时间，提升寿命;（3）在运行过程方面，供热期间进行改造使用，可节省研发成本约21万元，可在投入生产后10年内收回成本，在节能的同时创造经济效益。

2.3停机后破坏真空运行

2.3.1方案及相关模型

停机后破坏真空运行方案分为当日关机真空操作、次日开启机器真空操作两部分。当日停机真空操作分为4步：（1）在正常停机情况下，机组跳闸后就停止真空泵，停机期间需要的辅汽可以采用汽轮机侧边高中压的残压;（2）当真空转速达到0以后，就代表着轴封、轴抽风机的停止，在停止抽风机运行后可以停止凝结水泵的运行;（3）在停止轴封后，气机管道中的残留蒸汽会通过高压侧闸和再热炉侧闸进行泄压，以保证停机后的机体管道中不发生蒸汽凝结情况[4];（4）采取中压过热时用蒸汽供给组辅汽的方式，此方式需在停机后中压汽包上水，上水量≧250mm。

2.3.2停机节能效用分析

破坏真空停机的节能效用主要分为3方面：（1）能减少用电量，提高节能效率。例如某厂全年173d都连续开启机器，假设每天都有7h的真空状态，破坏真空状态可让真空泵、结水泵都得到休息，大大地提高了节能效果;（2）保护相关设备不被损坏。汽轮机机组在停机后还保持真空状态，就需要不断的供热及其它设备也维持真空状态，外源汽的温度会有所降低，较低的温度会让高压金属温度迅速下降，导致供应力过于集中而损伤设备，破坏真空状态能有效地延长设备使用年限，在节能环保的同时降低成本，提高经济效益;（3）破壞真空状态能够节约天然气和蒸汽的使用量。当停机破坏真空后就不再需要提供轴封，可以有效的节省轴封的辅汽使用量，进而节约设备启动时的天然气燃料用量，还可以进一步的减少启动炉的启动次数，延长设备的使用时间。

3结论

综上所述，提高燃气蒸汽联合循环机的节能降耗能力可以从改变凝泵变频方式、水泵驱动方式及停机后破坏真空运行三方面来实现。具体需要操作人员熟练掌握热力学原理及燃气蒸汽联合循环机的运行方式，了解三种方式构建模型，才能实现真正的节能降耗，减少环境污染，创造新收益。

参考文献

[1] 王明坤，高林，郇庆秋.基于太阳能和燃气的多能互补系统热电负荷分配技术研究[J].热力发电，2019，48（7）：39-46.

[2] 刘强.某燃气-蒸汽联合循环机组节能降耗措施浅析[J].科技经济导刊，2019，27（16）：140.

[3] 李广伟，陈鑫.9F燃气-蒸汽联合循环机组运行优化及节能改造[J].节能，2019，38（4）：76-79.

[4] 刘俊峰，贾兆鹏，李俊忠.燃气-蒸汽联合循环机组给水泵驱动改造及节能分析[J].燃气轮机技术，2018，31（4）：59-62.