燃气-蒸汽联合循环中耦合参数压比的分析

王 雷，姜 阳

（沈阳工程学院a.国际教育学院；b.研究生院，辽宁 沈阳 110136）

目前，针对燃气轮机与联合循环的参数优化和经济性分析问题，国内外的学者展开了大量的研究和探讨［1-4］。但目前的研究一般都是将系统分解，单纯地从燃气轮机系统和蒸汽系统分别构建热经济性诊断模型，也就是主要针对上位电站和下位电站参数分别进行优化。这类优化仅仅局限于局部的系统优化，考虑到联合循环系统的复杂性和设备之间的相互影响性，对系统局部的优化是很难得到联合循环机组最优解的，在联合循环电站设计初期应该针对整体系统进行优化，实现联合循环整体效率最大。

在燃气-蒸汽联合循环机组中，燃气轮机系统和蒸汽系统互相关联，各环节热力系统参数间存在着一定的耦合性，例如燃气轮机的排气参数位于上位电站和下位电站的连接节点处，并且这类边界节点参数对上位电站和下位电站的效率影响方向是不同的，这类参数的变化对燃气轮机和蒸汽轮机侧的效率都会产生影响，并且对二者的影响方向是相反的。因此，可以把这类参数称为影响联合循环效率变化的耦合参数［5］，如燃气轮机的压比、中压蒸汽压力和低压蒸汽压力等。可见，在分析重要参数对联合循环性能影响时，应充分考虑到参数间的耦合性和传递性，从整体角度分析耦合参数对联合循环机组效率的影响。

本文对燃气-蒸汽联合循环机组中燃气轮机、余热锅炉和汽轮机热力系统参数压比进行分析，重点研究耦合参数压比的改变对联合循环的燃气侧和蒸汽侧的效率的影响，为实现耦合参数的优化奠定基础。

1 耦合参数压比π与联合循环机组热效率的关系分析

由联合循环机组经济性分析可知，联合循环总的热效率是主要设备或主要环节的效率的函数［3］，即

式中，ηcc是联合循环机组热效率；ηgt为燃气轮机组热效率；ηh为余热锅炉热效率；ηst为蒸汽轮机热效率；[η]H代表上位电厂热效率，由ηgt决定；[η]L代表上位电厂热效率，由ηh和ηst决定。

燃气轮机组效率的表达式为［6］

则上位电站循环效率[η]H：

余热锅炉效率ηh表达式为［7］

对于蒸汽轮机循环，效率表达式为［3］

式中，Pst为蒸汽透平轴端的做功功率；MsH为高压蒸汽流量；MsI为中压蒸汽流量；MsL为低压蒸汽流量；ΔH′H=hs0H-hc，ΔHH=hs0H-hfw，hs0H为新高压蒸汽的比焓，hfw为给水比焓，hc为汽轮机排汽比焓；ΔH′I=hs0I-hc，ΔHI=hs0I-hfw，hs0I为中压新蒸汽比焓；ΔH′L=hs0L-hc，ΔHL=hs0L-hfw，hs0L为低压新蒸汽比焓；ΔHR=hrhh-hrhc，hrhh为热再热蒸汽比焓，hrhc为冷再热蒸汽比焓。

则下位电站循环效率为

因此，由式（1）～（6）可得联合循环机组效率是压比π的函数，即

2 耦合参数压比π对联合循环效率的影响分析

2.1 耦合参数压比π对上位电站性能的影响

令公式（2）中x=1.2、y=1、τ=4.78、ηc=0.88、ηcc=0.98、ηt=0.88、m=0.4，计算不同压比下的燃气轮机效率ηgt，可得实际循环中压比和效率的关系曲线，如图1所示。

图1 实际循环中压比和效率的关系曲线

由图1可知，简单实际循环的燃气轮机效率ηgt随着压比成非线性关系。随着压比的增加，简单实际循环的燃气轮机效率ηgt先增大后减小，说明存在使燃气轮机循环效率ηgt最大的最优参数π。

2.2 耦合参数压比π对联合循环效率的影响

由式（7）可知，为了使ηcc为最大，也必然存在一个最佳压比πmax，能够确保由此组成的联合循环的效率最大。为了验证该结论，以1台燃气-蒸汽联合循环机组为例，进行经济性分析。

该燃气轮机的型号为V94.2的三压有再热余热锅炉型联合循环，其主要参数如表1所示。以VWO工况为基准，建立热力系统结构，如图2所示。完成调试整个计算模型后，使用汽轮机制造厂提供的主蒸汽压力及温度、再热蒸汽压力及温度、背压、端差等边界条件进行计算，将计算结果与厂家提供数据进行了对比，验证模型的准确性。

表1 鞍山某联合循环机组热力系统主要参数

采用EBSILON软件搭建仿真模型，边界条件：环境温度为15℃，相对湿度为50%，大气压力为0.1 MPa，如图2所示。

图2 燃气-蒸汽联合循环EBSILON模型

利用该模型，改变机组的压比，计算该电厂各部分的热效率变化，分析燃气轮机的压比与各个效率之间的关系，如图3所示。

图3 压比对各个效率的影响曲线

由图3可以看出，在4种不同的工况下，随着燃气轮机压比的变化，使得上位电站[η]H和下位电站[η]L的变化方向相反。所以，必然存在一个压比使得联合循环效率ηcc最大，这个压比就是使联合循环电站总体效率最高的燃气轮机压比πηcc.opt。

3 结论

本文利用EBSILN建立了燃气-蒸汽联合循环模型，通过调整机组压比，分析这个耦合参数对燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机单个设备效率的影响，以及对上位电站和下位电站效率的影响，其表明这类参数的改变会同时对联合循环的燃气侧和蒸汽侧的效率有着不同方向的影响。