燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組供熱特性分析

許 可，李 蔚，李明超，虞熠鵬，陳堅紅，鐘 崴，吳燕玲

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燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組供熱特性分析

許 可，李 蔚，李明超，虞熠鵬，陳堅紅，鐘 崴，吳燕玲

（浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310058）

以某460 MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組為對象，研究了利用Ebsilon仿真軟件建立模型并進行變工況計算的過程，通過仿真結果與熱平衡圖上設計值的對比，驗證了模型及該建模方法的準確性和可靠性，證明該方法適用于燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組的計算。此外，對不同供熱抽汽流量、環境溫度以及負荷率下機組供熱特性進行分析。結果表明：在性能保證條件燃氣輪機100%負荷率工況下，當高、中、低壓抽汽流量分別從0增加到60 t/h時，機組聯合循環效率分別提高4.24%、4.31%、4.08%，熱耗率分別降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)；環境溫度低于15 ℃時，額定供熱工況下聯合循環熱耗率與環境溫度成負相關，環境溫度高于15 ℃時成正相關；燃氣輪機負荷降低會使汽輪機可運行功率范圍減小，機組調峰能力減弱；當供熱量大于300 GJ/h時，在相同供熱量下75%負荷率下機組的聯合循環效率高于100%負荷率。本文研究結果可為燃氣-蒸汽聯合循環熱電系統的優化運行提供數據支撐和理論依據。

燃氣蒸汽聯合循環；熱電聯產；供熱特性；Ebsilon軟件；建模

我國正處于燃用天然氣的燃氣-蒸汽聯合循環發電供熱系統的發展階段，市場容量較大。目前國內大部分聯合循環機組用于熱電聯供，發電同時為工業用汽或城市采暖提供蒸汽[1-3]。實行熱電聯產、集中供熱是提高供熱效率的根本方法[4]。如何建立準確可靠的模型，用以分析燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組的供熱特性是一個值得深入探究的課題。

國內學者對于燃氣-蒸汽聯合循環機組供熱特性的研究方法主要有數學模型法和試驗法。劉慧珍等[5]建立了某F級燃氣-蒸汽聯合循環機組抽凝模式下機組群負荷、供熱量的數學模型，得到了機組的供熱性能和調峰性能。劉俊峰[6]通過試驗方法建立了某F級燃氣-蒸汽聯合循環機組全廠熱效率的計算模型，并得出了聯合循環機組的供熱性能。然而數學模型法計算量大，計算過程不如軟件仿真直觀；試驗法花費代價太大，且周期長。而熱力計算軟件Ebsilon操作方便，人機界面友好，所建立模型經調試后計算準確性較高，適合用于燃氣-蒸汽聯合循環的仿真計算。Ebsilon是一款熱力循環過程的模擬軟件，廣泛地用于電站設計、評估和優化及其他熱力循環過程的仿真計算。丁敬芝[7]利用Ebsilon為某700 MW熱電站建模，展示出該軟件作為現代化工具的先進性和實用性。張楊林子等[8]以Ebsilon為平臺搭建了某450 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組模型，通過仿真結果與理論分析及廠家修正曲線的對比，驗證了該模型的有效性，并研究了環境參數對機組性能的影響。

本文利用Ebsilon軟件為某燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組建模，通過仿真結果與熱平衡圖中設計值對比，驗證模型的準確性。利用該模型進行一系列抽汽工況的變工況計算，研究該燃氣-蒸汽聯合循環熱電機組的供熱特性，為燃氣-蒸汽聯合循環熱電系統的優化運行提供數據支撐和理論依據。

1 燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組模型

1.1 模型建立

以某460 MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組為研究對象搭建熱力模型。該機組燃氣輪機部分配置TCA/FGH（透平轉子冷卻空氣/燃料性能加熱器）系統[9]，TCA冷卻水由高壓給水提供，中壓給水經過省煤器加熱后抽出一部分給燃料預熱（FGH）；采用天然氣為燃料，燃料的低位熱值為 47 369 kJ/kg；余熱鍋爐采用三壓再熱、無補燃、自然循環；汽輪機為抽凝式，高壓缸出口抽取一部分蒸汽用于供熱，中壓缸中間級抽取兩股供熱蒸汽。供熱蒸汽采用噴水減溫減壓后，達到所需的參數，三股供熱抽汽參數分別為2 MPa/330 ℃、1.3 MPa/250 ℃、0.58 MPa/165 ℃。按照熱平衡圖中燃氣循環、蒸汽循環以及余熱鍋爐各個部件的布置方式，繪制模型的拓撲結構。

Ebsilon軟件針對確定的模型有設計工況（Design）和變工況（Off-Design）2種計算模式[10]。設計工況計算模式根據熱平衡輸入和輸出參數確定各模塊的特性，變工況計算模式根據輸入參數以及模塊的特性曲線確定輸出參數。

本文以性能保證條件（環境溫度27.85 ℃，相對空氣濕度82.0%，大氣壓力100.41 kPa），燃氣輪機100%負荷率純凝工況為設計工況，按照機組熱平衡圖上的參數設置，完成設計工況熱力計算；將計算模式切換到變工況模式，改變負荷率和各抽汽量，調整其他參數，即可完成不同負荷率（75%、50%）和不同抽汽組合的變工況熱力計算。圖1為性能保證條件燃氣輪機100%負荷率三股供熱抽汽流量分別為55、50、35 t/h（G100-H55M50L35，其中G100表示負荷率，H表示高壓供熱抽汽，M表示中壓抽汽，L表示低壓供熱抽汽，下同）工況的模型示意。

Ebsilon軟件在仿真計算過程中，其實質是按照壓力、流量和焓值3個參數的守恒進行計算，再根據水蒸氣性質以及其他熱力學公式計算出溫度、功率等其他熱力參數。在設計工況模式下，按照熱平衡圖中的數據輸入計算熱平衡所需質量流量、溫度、壓力等參數（主要為燃氣輪機側燃料質量流量、壓氣機壓比、煙氣流量，余熱鍋爐各加熱器的端差，汽輪機側主蒸汽溫度和流量、各級進出口壓力、凝汽器背壓等），完成熱力循環計算；切換到變工況模式計算后，通過控制器控制燃氣的流量從而使燃氣輪機負荷降低，軟件根據流量變化以及內置的效率隨流量變化特性曲線迭代計算得到當前工況的煙氣參數。余熱鍋爐各加熱器通過內置特性曲線以及設計工況的計算值進行迭代計算，得出當前工況的傳熱量。汽輪機部分變工況按照弗留格爾公式計算，實現變負荷工況計算。改變抽汽流量，實現不同供熱工況的計算。

圖1 燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組模型示意

1.2 模型驗證

為驗證模型的可靠性和準確性，將仿真計算結果與熱平衡圖中設計值對比。驗證工況清單見表1。驗證模型計算工況包含了純凝工況和額定供熱工況、從50%到100%共3個負荷率、環境條件包括從–0.5 ℃的極端冬季溫度到38.2 ℃的夏季溫度5個環境溫度，共14個工況。仿真結果與熱平衡圖中設計值對比見表2和表3。

表1 驗證工況清單

Tab.1 The verification condition list

表2 設計工況計算模式下純凝工況100%負荷仿真結果

Tab.2 Simulation results of the condensing condition with load rate of 100% in design mode

表3 變工況計算模式下G100-H55M50L35工況仿真結果

Tab.3 Simulation results of condition G100-H55M50L35 in off-design mode

由表2、表3可見：純凝工況與供熱工況仿真結果均比較符合設計值；各參數相對誤差均在5%以內，為工程運用可接受范圍。因此仿真計算數據可用于聯合循環機組各特性的研究，具有實際工程運用價值。

2 聯合循環熱電聯產供熱特性分析

在熱電聯產機組生產過程中，同時存在電和熱2種品質不同的能量產品。供熱不僅影響著整個聯合循壞效率、熱耗率等指標，也對發電方面有很大的影響。通過比較純凝工況與供熱工況、不同供熱參數工況以及不同環境參數供熱工況下燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組的熱力學特性，分析熱電的耦合關系，能夠為產品的定價以及機組優化運行提供理論指導[11-12]。

2.1 不同參數蒸汽的供熱抽汽特性

由于存在三股不同參數的供熱抽汽，而不同品質抽汽做功能力不同，因此對機組的影響也不盡相同。在研究抽汽量對機組影響時，保持其中兩股供熱抽汽流量不變，僅研究一股抽汽流量變化時機組特性。表4為100%負荷率下改變高壓供熱抽汽流量（中壓抽汽和低壓抽汽量分別為50、35 t/h）的仿真計算結果。

表4 100%負荷率下改變高壓抽汽流量計算結果（燃氣輪機功率294 530 kW）

Tab.4 Simulation results at various high pressure steam extraction flows with 100% load rate (gas turbine power 294 530 kW)

從表4可以看出：供熱抽汽工況下余熱鍋爐的效率與純凝工況相差不大，均為87.2%左右；隨著高壓抽汽流量增加，汽輪機出力減少，聯合循環效率明顯提高，在抽汽流量大的工況下可達70%以上，較純凝工況聯合循環效率提升14%；純凝工況機組熱耗率高于6 100 kJ/(kW·h)，而隨著抽汽流量增至最大供熱抽汽量，熱耗率可降至5 500 kJ/(kW·h)以下。

按照以上思路分別改變中、低壓抽汽流量，各參數隨三股抽汽流量變化趨勢如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出：改變中、低壓抽汽流量時，機組聯合循環效率與熱耗率的變化規律與改變高壓抽汽流量相似；然而，由于蒸汽品質與抽汽位置的差異，當高、中、低壓抽汽流量分別從0增加到60 t/h時，機組聯合循環效率分別提高4.24%、4.31%、4.08%，熱耗率分別降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)。

圖2 聯合循環效率隨供熱抽汽流量的變化曲線

圖3 聯合循環熱耗率隨供熱抽汽流量的變化曲線

三股不同參數蒸汽做功能力不同，供熱能力也不同，相同抽汽總量有許多不同抽汽分配方式，因此不同的抽汽組合能得到多種發電量與供熱量的分配。表5為100%負荷率下抽汽總流量為205 t/h，三股抽汽流量不同組合方式下的計算結果對比。其中，工況1—工況3分別為性能保證條件下高、中、低三股抽汽的最大供熱量，工況4—工況8為三股供熱抽汽均未達到最大供熱量。從表5可以看出：不同抽汽組合下，機組的聯合循環效率均在73%左右，熱耗率在不同工況下有較大差異；工況1—工況3下，余熱鍋爐效率幾乎相等，由于抽汽品質的差異，高壓供熱抽汽流量取最大值時供熱量最大，為580 GJ/h，中壓抽汽流量取最大時供熱量減小了約10 GJ/h，低壓抽汽流量取最大時又減小了約 10 GJ/h；工況4—工況8時余熱鍋爐效率略有上升；在抽汽總流量為205 t/h的8個工況中，通過對不同參數的蒸汽流量分配，可得到最大汽輪機功率為100.026 MW，最大供熱量為580.58 GJ/h。

表5 供熱抽汽總流量為205 t/h不同分配方式計算結果（燃氣輪機功率294 530 kW）

Tab.5 Simulation results of different distribution modes with the total steam extraction flow of 205 t/h (gas turbine power 294 530 kW)

2.2 環境溫度特性

溫度對燃氣-蒸汽聯合循環的影響主要體現在溫度對燃氣輪機的影響。在夏季溫度高時，燃氣輪機出力較低；在冬季溫度低時，燃氣輪機出力較高：導致燃氣輪機后部余熱鍋爐及汽輪機的實際運行參數隨之發生改變。對不同溫度下聯合循環供熱機組的特性進行仿真計算，能夠直觀了解各季節機組的熱經濟性[13]。

圖4為純凝工況以及額定抽汽工況下機組聯合循環效率隨環境溫度變化曲線。

圖4 機組聯合循環效率隨環境溫度的變化曲線

由圖4可見：在純凝工況下，聯合循環效率隨溫度升高略微降低，該變化趨勢符合燃氣輪機性能隨溫度變化的規律，即當溫度升高時，機組的效率降低；而在額定供熱工況下，溫度對機組聯合循環效率影響不明顯，但整體較之純凝工況下聯合循環效率提升了約10%。

純凝工況和額定抽汽工況下機組熱耗率隨溫度變化趨勢與聯合循環效率相似，如圖5所示。由圖5可見：當溫度較低（低于15 ℃）時，聯合循環熱耗率與環境溫度成負相關；而溫度高于15 ℃時，熱耗率與環境溫度成正相關。該變化趨勢與韓朝兵[14]研究得出的環境溫度對聯合循環熱耗率的影響近似呈二次關系相似。

圖5 聯合循環熱耗率隨環境溫度的變化曲線

2.3 變負荷熱電耦合特性

在燃氣-蒸汽聯合循環實際運用中，根據用戶需求燃氣輪機常以低于設計值的功率變負荷運行。作為聯合循環的頂層循環，燃氣輪機變負荷運行會改變余熱鍋爐的輸入熱量，因此對余熱鍋爐產汽量以及參數造成影響。研究變負荷熱電耦合特性可以了解機組實際運行中各個負荷段的熱電關系，便于優化熱電分配以產生最大的經濟效益。

在聯合循環電站實際運行中，由于燃氣輪機在低負荷下效率低的特性，電廠往往會限制最低運行[15]。機組實際運行時常用負荷率為50%~100%，因此本文仿真計算了性能保證條件下燃氣輪機50%、75%、100% 3個負荷率的工況。圖6為3個負荷率下汽輪機功率隨供熱量變化曲線。由圖6可見：隨著燃氣輪機負荷降低，汽輪機功率整體降低；隨著供熱量的增加，不同負荷下汽輪機功率均呈線性減小且斜率大致相同；100%負荷下供熱量從0增加到最大供熱量時，汽輪機發電功率從144.95 MW降低至95.28 MW，機組的調峰能力大小為49.67 MW；當負荷率為75%和50%時機組調峰能力分別為 34.52 MW和24.07 MW，由此可知燃氣輪機負荷降低時，不僅會使汽輪機發電功率降低，還會使汽輪機可運行功率范圍減小，即機組調峰能力減弱；燃氣輪機負荷率為50%~100%時，蒸汽循環側發電量范圍為62.89~144.95 MW，最大可對外供熱614.82 GJ/h。

圖6 不同燃氣輪機負荷率下熱電關系

圖7為不同負荷率下機組聯合循環效率隨供熱量變化曲線。由圖7可見：在相同負荷率下，聯合循環效率隨供熱量線性增加，這與上文中分析結果一致；當供熱量小于300 GJ/h時，相同供熱量工況下燃氣輪機負荷率越高，聯合循環效率越大；當供熱量大于300 GJ/h時，在相同供熱量情況下，75%負荷率下機組的聯合循環效率高于100%負荷率下聯合循環效率。

圖7 不同燃氣輪機負荷率下聯合循環效率

3 結 論

利用Ebsilon熱力仿真軟件為某燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組建模，進行一系列純凝及抽汽工況的變工況計算。以仿真結果數據為基礎，對機組的多供熱抽汽參數的供熱特性作出分析，可得以下結論：

1）通過仿真結果與熱平衡圖中設計值的對比，證明了利用Ebsilon軟件建立聯合循環模型的可靠性，仿真結果可用于機組的熱力特性分析，指導電廠的運行。

2）在性能保證條件，燃氣輪機100%負荷率工況下，當高、中、低壓抽汽流量分別從0增加到60 t/h時，機組聯合循環效率分別提高4.24%、4.31%、4.08%，熱耗率分別降低193.6、215.4、203.3 kJ/(kW·h)；當抽汽總流量為205 t/h時，通過對不同參數的蒸汽流量進行分配，可得到最大汽輪機功率為100.026 MW，最大供熱量為580.58 GJ/h；

3）隨著環境溫度改變，機組在額定抽汽供熱工況下的聯合循環效率幾乎不變。而當環境溫度低于15 ℃時，聯合循環熱耗率與環境溫度成負相關，溫度高于15 ℃時，熱耗率與環境溫度成正相關；

4）當燃氣輪機負荷降低時，不僅會使汽輪機發電功率降低，還會使汽輪機可運行功率范圍減小，機組調峰能力減弱；當供熱量大于300 GJ/h時，在相同供熱量下75%負荷率下機組的聯合循環效率高于100%負荷率下聯合循環效率。

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Analysis on heat supply performance of gas-steam combined cycle cogeneration units

XU Ke, LI Wei, LI Mingchao, YU Yipeng, CHEN Jianhong, ZHONG Wei, WU Yanling

(College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

Taking a 460 MW gas-steam combined cycle cogeneration unit as the object, the process of modeling and calculating the variable conditions by using Ebsilon software was studied. The accuracy and reliability of the model and the method were verified by comparing the simulation results with the design values on the heat balance diagram. It proves that the modeling method is suitable for calculation of the gas-steam combined cycle cogeneration unit. Besides, the heat supply performances of different heating extractions, ambient temperatures and load rates conditions were analyzed. The results show that, as the mass flow of the high, medium and low pressure extraction steam increases from 0 t/h to 60 t/h, the combined cycle efficiency increases by 4.24%, 4.31% and 4.08%, respectively, and the heat consumption rate decreases by 193.6 kJ/(kW·h), 215.4 kJ/(kW·h) and 203.3 kJ/(kW·h). When the ambient temperature is lower than 15 ℃, the combined cycle heat rate is negatively correlated with the ambient temperature under rated heating conditions, and positively correlated when the ambient temperature is higher than 15 ℃. The reduction of the gas turbine load will shrink the operating power range of the steam turbine, and the peak shaving capacity of the unit will be weakened. When the heat supply is greater than 300 GJ/h, the combined cycle efficiency at 75% load rate will be higher than that of 100%. The results can provide data supports and theoretical guidance for the optimal operation of gas-steam combined cycle thermoelectric systems.

gas-steam combined cycle, cogeneration, heating performance, Ebsilon software, modeling

TK11+2

A

10.19666/j.rlfd.201809211

許可, 李蔚, 李明超, 等. 燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組供熱特性分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 1-7. XU Ke, LI Wei, LI Mingchao, et al. Analysis on heat supply performance of gas-steam combined cycle cogeneration units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 1-7.

2018-09-04

許可(1995—)，男，碩士研究生，主要研究方向為熱力系統建模與仿真，xukezju@163.com。

李蔚(1974—)，女，博士，副研究員，主要研究方向為熱力系統建模與仿真，energy@zju.edu.cn。

（責任編輯 劉永強）