曲勝，佟軼杰，李楊

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽 110043）

某型燃氣輪機燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案分析

曲勝，佟軼杰，李楊

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機專業(yè)軍事代表室，沈陽 110043）

曲勝（1970），男，從事艦船燃氣輪機、航空發(fā)動機的故障診斷、測試、維修與全壽命保障技術研究。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是利用燃氣側高溫吸熱和蒸汽側低溫放熱來擴大循環(huán)平均吸放熱溫差，促進能源的梯級利用，以提高循環(huán)效率。分析了某燃氣輪機采用余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)后性能改善情況。簡述了余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的工作原理，采用能量平衡法分析聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率及其影響因素，采用G ateCycle軟件搭建聯(lián)合循環(huán)模型，分析給出適合該型燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)方案。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)；余熱鍋爐；性能

0 引言

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將2種使用不同工質的獨立的動力循環(huán)通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)方式，兼顧了燃氣輪機布雷頓（Bragton）循環(huán)高溫加熱和汽輪機朗肯（RanKine）循環(huán)低溫排熱損失小的優(yōu)勢，形成了總能系統(tǒng)設計新概念，匯集燃氣輪機的先進技術，以及余熱鍋爐和汽輪機發(fā)電的優(yōu)勢，使聯(lián)合循環(huán)的效率提高。聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機是目前世界上效率最高的實用動力機械之一，現(xiàn)在運行的主力機組效率為55%～58%，最高效率已突破60%。與純蒸汽電站相比，聯(lián)合電站具有投資少、起步快、建設周期短、效率高、污染少等優(yōu)點，因此，采用聯(lián)合循環(huán)方式成為老舊電站改建的主要途徑之一。

本文對某型燃氣輪機燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案進行了分析。

1 余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)工作原理及熱力學分析

燃氣輪機燃燒室出口溫度雖高達1000～1500℃，但排氣溫度為400～650℃，熱量損失較大，故其循環(huán)效率較低。受到材料耐溫、耐壓程度的限制，汽輪機動力循環(huán)上限溫度不高，極少超過600℃，而平均放熱溫度約30℃，熱能利用卻比較理想。若在燃氣輪機后加裝余熱鍋爐，利用燃氣透平排氣加熱余熱鍋爐系統(tǒng)的給水，然后將其產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽送到蒸汽輪機作功，不僅能多作出部分機械功，相應地也可提高燃料化學能與機械能的轉化效率。這種能夠使能量得以階梯利用的循環(huán)方式稱為余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

為分析余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率及其影響因素，建立補燃式余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案的典型系統(tǒng)及能量平衡，如圖1所示。取供入燃氣輪機燃燒室的燃料量為1 kg/h、供入補燃式余熱鍋爐的燃料量為A kg/h。

圖1 補燃式余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案系統(tǒng)和能量平衡

根據(jù)圖1中聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的能量平衡得到各部件的能量平衡關系。

（1）燃氣輪機的能量平衡關系

不考慮燃料物理顯熱hf的微量影響，則

式中：Q1為相對于1 kg/h燃料而言吸入燃氣輪機壓氣機的空氣(包括對外泄漏的空氣)所攜帶的熱能；Qar,net,p為燃料的低位發(fā)熱量；ηr1為燃氣輪機燃燒室的效率；Qa2為燃氣輪機對外泄漏的空氣所攜帶的熱能；Qc1為燃氣輪機進入余熱鍋爐的燃氣所攜帶的熱能；為燃氣輪機軸端的作功功率。

燃氣輪機循環(huán)效率為

設燃氣輪機部分的機械傳動效率為ηmgt，發(fā)電機效率為ηGgt，則燃氣輪機發(fā)電端的作功功率為Pgt=ηmgtηGgt，可推出燃氣輪機的循環(huán)有效效率為

（2）補燃式余熱鍋爐的能量平衡關系

式中：A為進入補燃式余熱鍋爐的燃料量與進入燃氣輪機燃燒室的燃料量的比值；ηr2為燃料在補燃式余熱鍋爐中的燃燒效率；Qw1為從蒸汽輪機的給水回熱系統(tǒng)供入余熱鍋爐的給水所攜帶的熱能；Qstr為從蒸汽輪機的高壓缸排出的再熱蒸汽在進入余熱鍋爐時所攜帶的熱能；Qst1為在余熱鍋爐中產(chǎn)生的主蒸汽所攜帶的熱能；Qst2為經(jīng)余熱鍋爐加熱后的再熱蒸汽所攜帶的熱能；Qst3為在雙壓式余熱鍋爐中產(chǎn)生的低壓蒸汽所攜帶的熱能；QA2為從余熱鍋爐排向大氣的燃氣所攜帶的熱能。

（3）蒸汽輪機系統(tǒng)的能量平衡關系

蒸汽輪機的循環(huán)效率可定義為

設蒸汽輪機的機械傳動效率為ηmst，發(fā)電機效率為ηGst，則蒸汽輪機發(fā)電端的作功功率為Pgt=ηmgtηGgt，可推出蒸汽輪機的循環(huán)有效效率為

（4）聯(lián)合循環(huán)的熱效率及發(fā)電效率聯(lián)合循環(huán)的熱效率為

式（8）就是有補燃的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱效率的表達式。

顯然，有補燃的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率應為

對于非補燃的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)來說，其發(fā)電效率為

其中

非補燃的功率比為

因此式（11）可改寫為

顯然，從由式（11）可見，在設計非補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)時，當燃氣輪機已經(jīng)選定后，通過使Pst為最大這一原則來確定余熱鍋爐和蒸汽輪機中使用的蒸汽的主要參數(shù)，可以保證所設計的非補燃式聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率為最佳。

若燃氣輪機本體需重新設計時，當燃氣輪機的主要參數(shù)(如溫比、壓氣機的等熵效率、燃燒效率、透平的等熵效率、燃氣輪機的流阻參數(shù)等)已經(jīng)選定后，燃氣輪機循環(huán)的有效效率ηgt只是壓氣機壓比π的函數(shù)。而C2ηst也是π的函數(shù)，因而可根據(jù)使(ηgt+C2ηst)為最大的原則，確定出1個最佳的壓縮比πη，max，進而可以保證由此組成的聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率為最大。某計算實例中C2ηst=f(π)，ηgt=f(π)，=f(π)，蒸汽透平的比功Wst=f(π)及聯(lián)合循環(huán)的比功（Wgt+Ws）t=f(π)的變化規(guī)律如圖2～3所示。

圖2 C2ηst=f(π)、ηgt=f(π)和=f(π)的關系曲線

圖3 Wst=f(π)和（Wgt+Wst）=f(π)的關系曲線

由此看見：

（1）從圖2中可見，C2ηst隨π的增大而不斷減小。說明在低壓比條件下，由于C2ηst較大，因此二者的疊加結果將使聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率隨π變化而變化的趨勢比較平緩。

（2）從圖3中可見，蒸汽輪機的比功Wst與聯(lián)合循環(huán)的總比功Wgt+Wst隨著π的增大而單調地下降，因此在聯(lián)合循環(huán)中只存在1個與最大值相對應的最佳壓縮比πη，max，但不會出現(xiàn)與Wgt+Wst相對應的最佳壓縮比πw，max。

（3）通常由航空發(fā)動機改裝的聯(lián)合循環(huán)機組的效率一般都比較低，這是由于航空發(fā)動機的壓縮比較大，意味著燃氣輪機的排氣溫度不高，限制了蒸汽系統(tǒng)參數(shù)的選取，致使C2ηst隨壓比的增大有較大幅度的減小趨勢，因此其聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率比較低。

3 某型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)方案分析

單壓余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(以下簡稱聯(lián)合循環(huán))結構較為簡潔，煙氣排氣溫度一般為160～250℃，煙氣余熱利用不充分。為了進一步利于煙氣余熱(在鍋爐排煙溫度高于煙氣露點條件下)，在選擇鍋爐時，可以采用雙壓或3壓的汽水系統(tǒng)，這樣余熱鍋爐中將產(chǎn)生2種或3種壓力水平的過熱蒸汽帶動蒸汽透平作功。

本文采用Gate Cycle軟件計算某燃氣輪機采用3種非補燃式余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案下整個系統(tǒng)性能參數(shù)變化情況，并通過比較給出較佳方案，為該航改燃氣輪機后續(xù)發(fā)展提供參考。

考慮到本文所選燃氣輪機功率與透平出口燃氣流量較小及使用場所情況，不宜選用結構較復雜的余熱鍋爐型燃氣-蒸氣聯(lián)合循環(huán)方案，因此本文僅比較單壓循環(huán)(無再熱)、單壓帶低壓蒸發(fā)器循環(huán)(無再熱)、雙壓循環(huán)(無再熱)3種結構相對簡單型聯(lián)合循環(huán)方案，選擇較合適方案。

燃氣輪機進口條件為ISO條件，蒸氣參數(shù)的選取參考GE公司的蒸汽循環(huán)參數(shù)規(guī)范表(見表1)。進入到蒸汽輪機進口的蒸汽初溫度是燃氣輪機排氣溫度減去余熱鍋爐中的傳熱溫差△ta，一般為25～50℃，余熱鍋爐節(jié)點溫差δ一般為10～20℃，接近點溫差△tb一般為5～20℃。為了便于比較，本文取△ta、δ、△tb分別為33、15、15℃。

表1 GE公司的蒸汽循環(huán)參數(shù)規(guī)范

3.1 單壓聯(lián)合循環(huán)方案

燃氣輪機采用單壓聯(lián)合循環(huán)方案流程如圖4所示。從圖中可見，冷凝水被泵送到余熱鍋爐內(nèi)的省煤器中加熱，并經(jīng)除氧后進入鍋筒。通過循環(huán)水泵強制循環(huán)，使水在蒸發(fā)器中循環(huán)加熱，達到飽和溫度，并產(chǎn)生一部分飽和蒸汽。從鍋筒中引出飽和蒸汽，使之在余熱鍋爐的過熱器中加熱，成為滿足一定條件的過熱蒸汽后，送到蒸汽輪機中作功。采用Gate cycle軟件計算得到單壓聯(lián)合循環(huán)性能參數(shù)，見表2。從表2中可見，與燃氣輪機單獨工作相比，采用單壓聯(lián)合循環(huán)后，功率提高38.23%，效率提高38.21%（相對值，下同），排氣溫度下降338℃，性能參數(shù)有較明顯改善。由于省煤器出口排煙溫度仍然高達245℃，煙氣會帶走很大一部分熱能，余熱利用不充分，致使余熱鍋爐的換熱效率較低，不利于聯(lián)合循環(huán)熱效率和蒸汽輪機輸出功率的提高。

圖4 單壓聯(lián)合循環(huán)

表2 單壓聯(lián)合循環(huán)相關參數(shù)

3.2 帶低壓蒸發(fā)器的單壓循環(huán)方案

為了一步改善余熱的利用程度，在省煤器后增加低壓蒸汽加熱回路組成帶低壓加熱的單壓聯(lián)合循環(huán)，系統(tǒng)流程如圖5所示。從圖5中可見，冷凝水經(jīng)水泵送至除氧器，經(jīng)加熱回路蒸發(fā)器經(jīng)加熱后，經(jīng)水泵送至省煤器加熱后進入鍋筒。通過循環(huán)水泵強制循環(huán)，再經(jīng)高壓蒸發(fā)器加熱變成飽和蒸汽。飽和蒸汽從鍋筒中引出，使之在余熱鍋爐的過熱器中繼續(xù)加熱，成為滿足一定條件的過熱蒸汽后，送到蒸汽輪機中去作功。通過這個方案，除氧器不再從鍋筒中抽取飽和蒸汽加熱給水，由此增大了蒸汽輪機的作功量，從而進一步提高聯(lián)合循環(huán)的總效率。采用Gate cycle軟件計算得到的參數(shù)見表3。從表3中可見，與燃氣輪機單獨工作相比，余熱鍋爐的排氣溫度下降到124℃，循環(huán)總功率增加50.6%，循環(huán)效率增加50.55%。與單壓循環(huán)相比，加低壓蒸發(fā)器后，循環(huán)總功率增加12.37%，熱效率提高12.34%。該方案不會使原單壓循環(huán)方案的系統(tǒng)復雜化，相應的投資費用增加也較少。

圖5 設有低壓加熱的單壓聯(lián)合循環(huán)

表3 有低壓加熱的單壓聯(lián)合循環(huán)相關參數(shù)

3.3 雙壓聯(lián)合循環(huán)方案

燃氣輪機采用雙壓聯(lián)合循環(huán)流程如圖6所示。從圖6中可見，冷凝水被泵送到除氧器中除氧，一部分經(jīng)循環(huán)水泵送至低壓蒸發(fā)器中循環(huán)加熱，產(chǎn)生部分低壓飽和蒸汽從鍋筒中引出，在余熱鍋爐的低壓過熱器中加熱，成為滿足一定條件的過熱蒸汽后，送至蒸汽輪機低壓缸中作功；另一部分經(jīng)循環(huán)水泵送至高壓省煤器中加熱產(chǎn)生飽和水，再通過循環(huán)水泵使飽和水在高壓蒸發(fā)器中循環(huán)加熱，產(chǎn)生飽和蒸汽從鍋筒中引出，在余熱鍋爐的高壓過熱器中加熱，滿足一定條件后，送到蒸汽輪機高壓缸中作功。采用Gate cycle軟件計算得到的雙壓聯(lián)合循環(huán)性能參數(shù)見表4。從表4中可見，與燃氣輪機單獨工作相比，采用雙壓聯(lián)合循環(huán)后，循環(huán)總功率相對提高53.47%，總效率提高53.4%。與設有低壓加熱的單壓聯(lián)合循環(huán)相比，循環(huán)總功率及總效率略有提高，余熱鍋爐出口排氣溫度(低壓蒸發(fā)器出口)下降4℃，性能參數(shù)變化較小。與低壓加熱的單壓聯(lián)合循環(huán)相比，雙壓聯(lián)合循環(huán)方案余熱鍋爐及蒸汽輪機系統(tǒng)較為復雜，因此需增加相應的占地空間及投資費用。

圖6 雙壓聯(lián)合循環(huán)

表4 雙壓聯(lián)合循環(huán)相關參數(shù)

4 結束語

本文對某燃氣輪機采用單壓循環(huán)、單壓帶低壓蒸發(fā)器循環(huán)、雙壓循環(huán)3種聯(lián)合循環(huán)方案進行了比較，分析了3種方案的性能改善情況、需增加的投資費用和系統(tǒng)的復雜性。對于單壓聯(lián)合循環(huán)方案，該燃氣輪機采用聯(lián)合循環(huán)后，燃機出口排氣剩余熱量得到進一步利用，功率及效率得以提高，性能參數(shù)改善較為明顯。但由于單壓聯(lián)合循環(huán)方案省煤器出口排煙溫度仍然較高，將單壓聯(lián)合循環(huán)方案改進成帶低壓蒸發(fā)器的單壓聯(lián)合循環(huán)方案。與單壓聯(lián)合循環(huán)相比，改進后的單壓聯(lián)合循環(huán)方案總功率和總效率都得到進一步提高，且該方案不會使聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)結構復雜化，相應的投資費用也不會增加太多。與改進后的單壓聯(lián)合循環(huán)相比，采用雙壓聯(lián)合循環(huán)后性能參數(shù)變化不明顯。由于本文所選用的該燃氣輪機透平出口燃氣流量較低，限制進入蒸汽輪機蒸汽量，從而限制汽輪機的作功量。采用雙壓聯(lián)合循環(huán)還會使系統(tǒng)結構更加復雜化，增加相應的投資費用。另外，與電廠發(fā)電不同，由于船上對動力設備占用空間及質量都有嚴格要求，因此，綜合比較認為可選設有低壓加熱的單壓余熱鍋爐型燃氣-蒸氣聯(lián)合循環(huán)方案作為該燃氣輪機后續(xù)發(fā)展方案。

在設計非補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)時，當燃氣輪機已經(jīng)選定后，除通過使Pst為最大這個原則來保證所設計的非補燃式聯(lián)合循環(huán)的效率為最佳外，還應考慮使用環(huán)境、系統(tǒng)結構簡潔性、設備質量及經(jīng)濟性等方面要求。參考文獻：

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Project Analysis of Gas Steam Combined Cycle for a Gas Turbine

QU Sheng，TONG Yi-jie，LI Yang
（Naval Aeroengine Consumer Representative Office in Shenyang，Shenyang 110043,China）

The gas steam combined cycle is using the gas high temperature gaining heat and steam low temperature losing heat to enlarge mean gaining heat and losing heat temperature difference,which improvecascade utilization of energy and enhance cycle efficiency.The performance imporvement was analyzed after using waste heat boiler combined cycle for a gas turbine.The principle of waste heat boiler gas steam combined cycle was summarized and the thermal efficiency and influencing factors of combined cycle units was analyzed by the energy balance method.The combined cycle model was bulit by the GateCycle software and the suitable combined cycle project was proposed by the analysis.

gas steam combined cycle;exhaust heat boiler;performance

2012-01-13