摘要：天然气发电厂是我国当前绿色能源产业建设的重要内容。本文以9FA型燃气轮机系统为案例，开展了系统联合循环性能研究。
关键词：9FA型燃气轮机；联合循环；性能优化
随着我国西气东输工程的推进以及环保能源理念的发展，燃气轮机联合循环发电电厂建设技术研究，已经成为了环保发电技术研究的重要组成部分。其中燃气轮机联合循环发电系统具有发电效果好、环保性能高、运行中的启停效率高以及发电中调峰能力强四个主要优势。因此技术人员根据燃气轮机联合循环性能运行中的技术参数选择，特别是锅炉余热当量效率以及汽轮机循环效率之间的数据关系, 对汽轮机运行中汽、水参数选择开展优化研究。其研究的主要内容包括了燃气轮机系统，如系统中余热锅中各段换热器设备、锅炉中的汽轮机系统、凝汽器等部件的数学模型设计。
一、热力系统主要技术参数
此次研究中技术人员采用的9FA型燃气轮机联合循环系统如图一所示。
图一：9FA型燃气轮机联合循环系统平衡图
（一）燃气轮机设备
该系统采用了燃气轮机型号为PG9351FA，使用的压气机系统为十八级，设计中的系统压比15.4，运行中的进气流率数据为2298.8t/h，使用了3级透平，系统运行中的H/C比为3.95，低位热值48 686.3kJ/kg。
（二）余热锅炉系统
在系统设计中其余热锅炉使用了三压再热汽水循环模式，其给水形式为除氧式凝汽器凝水模式，经过经凝结水泵进入余热锅炉循环运行。为了保证锅炉运行中的给水温度不低于70摄氏度，设计中技术人员采用了低压省煤器两路出水模式。其主要的运行模式包括了以下两点：一路是进水与系统凝结水进行混合，进而确保锅炉进水温度；另一路直接进入锅炉的低压汽包。之后由锅炉低压蒸发器出口饱和蒸汽，经过系统中的低压蒸汽过热器进入汽轮机低压缸设备。其中余热锅炉中的低压汽包作用。一是作为锅炉系统的高压汽水系统。二是成为中压汽水系统给水箱。其给水可以分为两个主要部分：一部分水经过系统高压给水泵，经过系统增压进入锅炉中的高压省煤器与高压汽包，之后经蒸发与两级过热处理，形成高压主蒸汽，最后进入汽轮机中的高压缸。其中系统两级过热器中应布置过热减温器，确保系统安全。另一部分水流经过中压给水泵，经过增压处理后进入中压省煤器与中压汽包设备，之后经过中压蒸汽过热器，最后水流与汽轮机高压缸排汽气流混合后进入锅炉的两级再热器，再由其出口蒸汽进入汽轮机系统的中压缸。所有系统排汽后，其水蒸气进入系统的真空除氧式凝汽器，实现锅炉水循环。
在余热锅炉运行中，其主要的技术参数包括了以下几点：一是系统高压蒸发器中的节点温度差保持在6.5℃，其系统循环倍率为8；二是系统中压蒸发器中的节点温度差保持在16.2℃，其循环倍率为20；三是系统中低压蒸发器中的节点温度差保持在6.3℃，其循环倍率为20 。锅炉系统设计最终的排气温度为83℃。
二、系统主要设备数学模型研究
（一）燃气轮机主要数学模型
燃气轮机的数学模型计算主要根据其设计参数以及此类燃气轮机设计中采用的主要修正曲线开展。其主要的技术修正曲线数据包括了系统运行中的大气温度、运行环境中的湿度变化，以及轮机运行中的循环水温度等客观因素对燃气轮机运行技术参数（如系统运行功率与效率、系统排气流量与温度，以及相关压力等）的修正曲线。
（二）余热锅炉主要数学模型
在余热锅炉运行中，其数学模型的建立是依据燃气在锅炉中流动主要方向，逐级完成模型建立的计算过程。在此次研究中，技术人员根据锅炉运行中每级换热器的能量平衡原则，在模型建立中使用了有效度-NTU法。经技术人员计算，换热器运行中其实际传热速率如公式一所示:
公式一：余热锅炉实际传热速率
之后技术人员可以根据传热效率与系统设计中的最大可能传热速率的比值，求得锅炉系统烟气出口温度，以及锅炉运行中水蒸气或水进出口温度。
（三）汽轮机主要数学模型
在系统汽轮机运行中，其主要数学模型包括了高、中、低压缸在设计中的等熵膨胀效率。在设计中，这三个数据分别设定为高压缸0.85、中压缸0.9、低压缸0.91。在计算中，技术人员可以通过设定轮机系统进口温度、压力，及系统排汽压力，进而获得较为理想的做功量以及实际轮机所做内功。
（四）凝汽器主要数学模型
在凝汽器运行中，根据其能量平衡原则可以得到平衡数学模型：
公式二：凝汽器能量平衡数字模型
通过这一模型，技术人员可以获得凝汽器运行中的主要技术参数。
三、实验结果分析
（一）系统运行中，高、中、低压蒸汽压力情况对联合循环系统性能影响。在此次实验中，技术人员对系统蒸汽压力研究参数设定为：高压蒸汽（9.6-12.6MPa）、中压蒸汽（2.1～ 2.8MPa）、低压蒸汽（0.2～ 0.6MPa），并以此为基本负荷开展了蒸汽压力最佳值研究。经研究显示，在系统中高压缸蒸汽压力为11.54MPa，中压缸蒸汽压力2.48MPa，低压缸蒸汽压力为0.403MPa 的情况下，系统整体的运行效率较高，进而发挥出系统最佳运行状态。在系统运行中，其各钢体蒸汽压力部分最佳状态如表1 所示。
表一：系统部分最佳压力数值
（二）系统中的给水温度变化联合循环系统性能的的主要影响。在实验中研究者发现余热锅炉给水温度对于循环中高、中压蒸汽影响较小，但是对于低压蒸汽蒸发量影响较大。在余热锅炉运行中随着给水温度升高，其低压蒸汽蒸发量也在不断减少。这主要是因为随着水温提升，就需要增加其和凝结水混合后得水流总量，进造成了低压省煤器出口水温度的降低，进而造成了低压蒸汽蒸发量的减少以及联合循环效率降低。同时随着锅炉运行中给水温度的提升，锅炉整体排气温度也会增高，最终造成了锅炉当量效率的下降。
（三）大气环境变化与循环水温度变化对联合循环系统性能影响。在此次研究中，技术人员根据全年大气气候变化与循环水变化对联合循环效率影响开展了分析。研究中技术人员发现，系统运行中联合循环效率冬季明显高于夏季。在实验中冬季效率ISO的基本负荷数据提高大约0.9%；而在夏季则降低了大约0.78%。而在运行中其燃料消耗量也随着季节有了明显变化。
参考文献:
[1]姜焕农. 对9FA燃气轮机联合循环机组性能试验的思考[J]. 燃气轮机技术. 2007(06)
[2]陈盈盈; 向文国; 丁立旗. 浅论联合循环热力性能的验收试验[J]. 燃气轮机技术. 2006(06)
论文作者:骆黎明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：系统论文; 燃气轮机论文; 锅炉论文; 蒸汽论文; 低压论文; 余热论文; 温度论文; 《电力设备》2018年第27期论文;