影响燃气轮机及其联合循环特性的因素分析
姓名：张瑞琦学号：2012031426
联合循环发电技术对改变电力能源结构、改善环境、提高电网调峰灵活性有重要作用。
随着天然气开采技术的提高以及西气东输和引进液化天然气两大工程的启动, 燃气轮机及其联合循环在我国得到迅速发展和应用。
对任一个联合循环方案, 其热力系统及组成均有所区别, 而且环境条件和运行参数如环境温度、大气压力、空气相对湿度、海拔高度、空气进口压损及余热锅炉烟气阻力、燃料类型、蒸汽循环方式、循环水温度、入口空气冷却等对整个热力循环的出力和热耗的影响也不同。
为使建成后的联合循环电厂单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好经济效益, 对影响燃气轮机及其联合循环系统的出力和热耗的相关因素进行分析, 从而选择合适机型和运行方式。
1 环境因素的影响
1. 1 大气温度
大气温度对简单循环燃气轮机及其联合循环的性能有相当大的影响。
随着大气温度的升高,空气比容增大, 吸入压气机的空气质量流量减少,导致燃气轮机及其联合循环的出力减小。
即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定, 压气机的压缩比也会有所下降, 燃气透平做功量减少, 但排气温度却有所增高, 使得燃气轮机及其联合循环的出力和热耗产生变化。
随着大气温度升高, 燃气轮机及其联合循环的出力均成线性下降, 但是联合循环的出力的减小较燃气轮机平缓。
环境温度每升高10度 , 单循环燃气轮机出力下降5% ~ 7%,联合循环出力下降3. 5% ~ 5. 5% 。
这是由于联合循环的燃气透平排气温度略有增高, 可以在余热锅炉中获取更多的能量, 到蒸汽轮机中去做出更大数量机械功的缘故。
另外, 随温度升高, 燃气轮机相对效率成曲线下降, 每升高10度相对效率下降0. 05% ~ 1. 8% 。
然而, 大气温度对联合循环机组的相对效率影响不大, 这是由于大气温度变化对燃气Brayton 循环及蒸汽Rankine 循
环热效率的影响相反, 在大气温度约为15度时, 联合循环热耗达到最低点, 此时Brayton 循环及蒸汽Rankine 循环热效率的乘积为最大值。
1. 2 空气湿度
有研究表明: 当空气温度< 37度时, 即使相对湿度为100% 时, 大气中所含的水蒸气数量仍然是很少的( 即绝对湿度值很小) , 其影响是可以忽略不计的。
然而, 随着燃气轮机单机功率增大, 以及为降低NOx 的排放而进行的注水注汽,绝对湿度的影响变得越来越明显。
从图2 中不难看清: 空气绝对湿度与燃气轮机及其联合循环机组的出力和热耗均成线性关系, 且各自的影响几乎一样。
绝对湿度每增加0. 01, 出力下降0. 001% ~ 0. 002%, 而热耗上升0. 002%~ 0. 004% 。
1. 3 大气压力和海拔高度的影响
目前燃气轮机及其联合循环大都是按ISO 状态条件( 大气压力p a = 0. 1013MPa、环境温度15度、相对湿度60%) 进行设计的。
不同的海拔高度将导致不同的平均大气压力, 随着海拔的升高,p a 和t a 都在下降。
而燃气轮机的出力与所吸入的空气质量流量成正比, 而质量
流量又与吸气压力p a 成正比, 显然燃气轮机的功率应与大气压力p a 成正比。
另外, 燃气轮机排气质量流量以及余热锅炉中可用于蒸汽发生过程的余热, 同样也会随大气压力按正比关系发生变化。
因此, 联合循环的总功率也将与大气压力p a 成正比。
2 进排气压力损失变化的影响
为保证安全、可靠地运行并减少环境噪音, 燃气轮机的空气进口处装有空气过滤器和消声器,排气处也装有消声器。
用于联合循环时, 排气管道上安装有余热锅炉, 有时为提高夏季的出力加装了入口空气冷却器。
此外, 在排气道上还有连接管、弯头和排气烟囱等。
所有这些措施都会使燃气轮机的进气和排气造成压力损失, 降低它和联合循环的性能。
在保持最大出力不变时, 进气压力损失会使空气比容增加, 流量减少, 压气机耗功增大, 导致机组出力和效率下降。
排气压力损失( 即排气压力升高) 减小了透平中的膨胀比, 透平出力下降, 同样会导致机组出力和效率下降。
另外, 进气和排气压力损失对排气温度都有影响, 压损增加, 排气温度会升高。
3 循环冷却介质的影响
循环冷却介质的温度随大气温度变化, 对于联合循环性能的影响程度与机组选用凝汽器的型式有密切关系。
其影响程度的大小依次是: 直接用空气冷却的凝汽器受大气温度的影响程度最大; 湿式冷却塔次之; 采用直流冷却水凝汽器时则最小, 但冷却水温度对联合循环机组汽轮机的出力影响程度比常规火电厂汽轮机要大。
4燃料类型
燃气轮机燃用的燃料对电站的环境特性、经济性、安全性和可靠性等都有很大的影响, 主机选型时需全面考虑可供燃用的燃料问题[ 3] 。
天然气和轻油分别是气、液体燃料中品质较高的燃料, 能够保护燃料系统的设备, 延长其寿命, 因此在实际中应用最多。
就国内应用的机组而言, 普遍可以接受的是天然气和轻柴油的双燃料方案。
燃料特性对燃料系统设计方案有直接的影响, 并影响到燃气轮机及其联合循环的出力。
燃用天然气要比燃用轻柴油增加2% ~ 3% 的出力, 这是因为天然气的燃烧产物中有较高的比热, 其原因在于氢碳比较高的甲烷可产生较多的水蒸汽含量。
此外, 机组的清洁程度对其性能( 效率、出力)也有较大的影响。
而燃用不同燃料对机组积垢的影响也不同, 天然气比较干净, 几乎不对燃气轮机的清洁度造成影响, 轻柴油次之, 而原油和重油由于燃烧后燃气中灰分较多, 在透平的热流通道中积垢很快, 因此对机组性能影响最大, 需要定期进行清洗以恢复机组的性能。
大多数联合循环电厂按最大效率设计, 这类电厂通常采用整体式燃料气加热器。
对燃料气加热会降低燃料气质量流率、升高燃料气燃烧温度,从而获得更大的透平效率。
但燃料气加热也会导致燃气轮机的出力略微降低, 这是由于体积流率增加的原故。
基于热力学考虑, 常采用蒸汽循环给水加热燃料, 该方式可提高联合循环效率大约0. 6%左右。
5 蒸汽循环形式
联合循环机组蒸汽系统的设计和配置( 有再热或无再热, 三压、双压或单压及它们的参数) 需根据电厂海拔高度、气温、燃料等不同条件进行选择和优化, 设计优化的优劣将直接决定联合循环机组的效率和出力。
随着蒸汽压力的升高, 以及采用双压、三压和再热等复杂的系统, 联
合循环的效率都会有一定程度提高的趋势。
三压循环较双压循环的效率约高0. 4%~ 0. 6%, 采用再热循环后, 效率能再提高约0. 2% ~ 0. 4% , 超临界参数比亚临界参数效率能再提高约0. 5%。
但这是以系统的复杂化为代价的, 循环方式越复杂, 其效率越高, 但是投资也相应地增加。
具体应用中采用哪一种循环方式主要取决于电站的投资费用、燃料价格和质量、电站的负荷性质、运行维护费用和环境要求等。
不同循环方式对联合循环性能的影响与所选用的机型有较大关系, 蒸汽循环由单压到双压, 联合循环出力与效率提高约4% , 由双压到三压, 再提高0. 8% ~ 1. 0% , 三压再热较三压无再热的出力与效率高0. 7% ~1. 2%。