《京丰燃气电厂M701F联合循环机组蒸汽系统性能优化.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《京丰燃气电厂M701F联合循环机组蒸汽系统性能优化.pdf（64页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、华北电力大学硕士学位论文摘要本文根据总能系统的理论，以京丰燃气一蒸汽联合循环电站为对象，为使联合循环电站达到较高的效率进行了优化分析。本文的研究主要集中在以下几个方面：1)分析了联合循环中影响整体性能的主要因素，对联合循环的整体配套原则进行研究，使联合循环在整体上实现了最佳的配置，同时对京丰燃气电厂的整体配置进行了实例分析。2)在燃机选定的情况下，蒸汽系统的优化对提高整个联合循环的效率至关重要，本文进行了余热锅炉与联合循环的性能关联分析，建立蒸汽系统的优化模型。3)根据建立的模型对京丰燃气电厂的三压再热蒸汽系统进行了优化，分析了各个参数变化对底循环效率的影响，得出了最佳的蒸汽参数，并将电厂设计
2、工况下的实际运行参数与优化结果进行了比较分析。关键词：燃气一蒸汽联合循环，蒸汽系统，优化，底循环效率A B S T R A C TB a s e do nt h et h e o r yo ft h et o t a le n e r g ys y s t e m，t h a ti sm a d e，i nt h i sp a p e r，i no r d e rt oo b t a i nu p p e re f f i c i e n c y，t h eo p t i m i z e da n a l y s i si sp u tu pw h i c ha c c o r d i n g
3、t ot h ec h i e f c o u r s eo f J i n gf e n gg a s-s t e a mc o m b i n e dc y c l eu n i t n l cr e s e a r c ho f t h et h e s i si sm a i n l yb a s e do nt h ef o l l o w i n g s：1 1 1 l ef a c t o rw h i c he f f e c tt h et o t a le f f i c i e n c ym o s t l yi nc o m b i n e dc y c l ei sa
4、 n a l y z e d I no r d e rt oa c h i e v et h ep r i m eo v e r a l lc o n f i g u r a t i o no fc o m b i n e dc y c l e，t h ep r i n c i p l eo fo v e r a l lc o n f i g u r a t i o ni ss t u d i e d 1 1 l et o t a lc o n f i g u r a t i o no fJ i n gf e n gg a su n i ti sa n a l y z e da sa ne x
5、 a m p l e 2 I nt e r m so f t h es e l e c t i o no f g a st u r b i n e，t h eo p t i m i z a t i o no f s t e a ms y s t e mi Sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h eo v e r a l le f f i c i e n c yo fc o m b i n e dc y c l e，t h er e l a t i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc
6、 o m b i n e dc y c l ei sa n a l y z e di nt h et h e s i s，a n da l s ot h eo p t i m i z i n gm o d e lo fs t e a ms y s t e mi sb u i l t 3 T h et r i p l ep r e s s u r er e h e a t i n gs t e a ms y s t e mo f J i n gf e n gg a su n i ti so p t i m i z e db a s e do nt h em o d e lw h i c hh a
7、 sb e e nb u i l ta b o v e t h ee f f e c to nt h ee f f i c i e n c yo fb o t t o mc y c l ei sa n a l y z e dw h e nt h ep a r a m e t e r sv a r i e d，t h e nt h eo p t i m u ms t e a mp a r a m e t e r si se d u c e d，t h ec o m p a r a t i o nb e t w e e nt h eo p t i m i z e dr e s u l ta n d
8、t h ep r a c t i c a lr u n n i n gp a r a m e t e r si ss t u d i e d L iY i n g(t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yp r o f A nL i a n-S u oK E YW O R D S：g a s s t e a m，c o m b i n e dc y c l e，s t e a ms y s t e m，o p t i m i z a t i o n，t h ee f f i c i e n c yo fb o
9、t t o m声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文京丰燃气电厂M 7 0 1 F 联合循环机组蒸汽系统性能优化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：邋日期：墅!覃13 霸关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文
10、的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：日期趁山。，7、3、1导师签名：日期：塑也华北电力大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题产生的背景近年来燃气一蒸汽联合循环电站在我国得到了高度的重视和发展，这主要是由于燃气一蒸汽联合循环电站的高效率、低污染、调峰性能好的诸多优点对促进我国整个电力行业的发展具有极其重要的意义。我国的资源丰富，能源资源总量居世界第3 位，但人均能源消
11、费水平很低，仅占世界平均值的5 5，是发达国家的l 5 1 1 0【1】，我国已经成为世界上第一大能源消耗国，人均能源资源严重不足，这成为制约我国经济发展的瓶颈，因此我国经济的发展只能走高效、清洁利用能源的可持续发展之路，这就需要以天然气为主要燃料的燃气一蒸汽联合循环。目前世界上的能源结构发生了明显变化。油、气在一次能源中所占比例不断上升，固体燃料所占比例不断下降。而我国是一次能源消耗以煤为主的国家，石油、天然气消费在能源结构中所占比例远远低于世界平均水平，在条件允许的情况下，应努力提高石油、天然气的消费比重。当前石油、天然气资源在世界范围内正处在利用的黄金时期，根据已探明的储量，考虑目前世界
12、需求的增长趋势，石油在3 5 至4 0 年内，天然气在5 0至6 0 年内可保持较高的供应水平 2 1 1 3 1，虽然世界油气资源分布不均衡，但我国与产油国所处的地理位置是比较有利的，完全有可能从国内、国外获得必要的油、气资源。我国利用天然气资源有四方面的渠道：利用我国中西部天然气资源，修建输送管道或就近建设天然气发电基地。由沿海一带新开发的油气田向沿岸发达城市供应天然气。通过天然气输气管道从俄罗斯等国进口天然气。从国外进口液化天然气。经多方面论证，我国引进液化天然气或管道天然气修建联合循环电厂是可行的。同时，我国的能源消费结构也决定了在发电机组中火电机组占绝对的优势，但是目前火电机组普遍存
13、在效率低，能耗高的缺点，通过技术改造将一部分效率低的老电厂改建成燃气一蒸汽联合循环电站可以实现容量增加5 0 6 0，热效率增加1 0 左右的效果【4 l。随着国民经济结构的变化和人民生活用电的迅速增长，我国电网的日峰谷差日益增大，近年来几个主要电网的日峰谷差为3 0 1 5 1。在几种调峰电站中，抽水蓄能调峰电站由于建设周期长、能耗高、受地理位置及水资源情况影响大等因素，发展受到一定的限制。用常规蒸汽轮机电站调峰，又正是我国目前地区电网中因缺乏专用调峰电站，不得已采用的手段。由于大批机组经常在非设计工况下运行，经济性较差。而燃气轮机联合循环因其启停灵活的特点而适合于调峰发电，在电网中建立一定
14、容量的燃气轮机联合循环电站用作调峰是合理的选择。我国以煤为主的能源结构和以煤为主的发电结构，已经对环境构成了严重威胁，成为制约我国可持续发展战略能否顺利实旌的重要因素。而燃气一蒸汽联合循环采用油或华北电力大学硕士学位论文天然气为燃料，燃烧效率高，无粉尘排放，s 0 2 的排放几乎为零，N o x、C O 排放量也降低到几个至几十个m l m 3。因此发展燃气蒸汽联合循环发电对改善环境具有重要意义。I 2 联合循环在国内外的发展近2 0 年来燃气轮机在发电行业中的地位己日益明显，其原因主要是：可靠性的提高，从而提高其可用率；容量的不断增加，完全能满足大型电站的需要；机组效率的提高，从而在综合经济
15、性方面能与蒸汽轮机相匹敌。各主要燃气轮机制造厂商在原有的机型基础上，采用渐进法，不断提高初温、压比，先后研制开发出不少大功率、高效率燃气轮机机组。已投运的如G E 的9 F A，S I E M E N S 公司的V 9 4 3 A，A B B 公司的G T 2 6 及w H 的7 0 1 F等，这些机型单机功率2 2 0 M W 以上，初温1 2 6 0 C 一1 3 0 0 C，净效率3 7 3 8，由此组成的联合循环功率可达3 8 0 M W 左右，供电效率为5 4 5 7，已研制成功即将投运的有：G E的9 G 和9 H，初温可达1 4 2 7，简单循环的单机功率为2 8 0 M W，压
16、缩比2 0 一3 0，净效率3 9 4 0，联合循环的单机功率4 2 0 4 8 0 t 唧，供电效率可望达到6 0 6 1。大容量燃机的性能在不断提高的同时，促使联合循环技术得以同步发展，联合循环热力系统的设计在国外也比较成熟。例如G E 公司的S T A G 发电产品系列有多种蒸汽循环可供选择，它可以适应各种燃料价格、负荷方式和其它的经济性方面的要求。燃机功率愈大，蒸汽系统愈复杂，经济性愈好。以G E 的S T A G 产品系列为例，S T A G 产品系列采用的蒸汽循环包括单压无再热、多压无再热以及三压、再热等循环形式，每种类型均有标准的参数匹配。我国的燃气轮机制造业始于2 0 世纪5
17、0 年代末期(引进机组)；6 0 年代，由上海汽轮机厂制成了第一台船用燃气轮机(功率2 9 4 0 K W)；南京汽轮机厂制成了第一台发电用燃气轮机(功率1 5 0 0 k w)，安装于四川五通桥电厂，曾燃用天然气实验运行；哈尔滨汽轮机厂制成了第一台汽车用燃气轮机(功率2 2 0 5 K W)，并将自行设计生产的3 0 0 0 H P 船用燃机改成发电机组在天津并网运行，并利用排气余热给蒸汽电站的锅炉的省煤器供热，这可算是我国第一个燃气一蒸汽联合循环【7】。7 0 年代后期，国内其它燃机生产厂(主要是航空发动机厂)也开始了将航机改型为船用燃机和工业燃机的研制工作。如南方航空动力机械公司、哈尔滨
18、东安发动机公司改型的W J 6 G I(2 1 M w)，w J 6 G 2(2 2 7 M W)，W J 5 G 1(1 4 0 1 唧)等。1 9 7 4 年哈汽厂用国产8 5 1型发动机改装的1 2 M W 机组为当时最大功率的国产机组，这些机组运行状态良好，主要问题是航空发动机在地面使用寿命太短。1 9 8 6，成都发动机公司与美国和加拿大P a公司签订了合作生产阿8(2 4 8 9 W)机组的合同，首台于1 9 9 1 年安装于深圳福田电站，1 9 9 3 年两套v r 8 燃机安装于海南三亚市南三电力股份公司，同时F T 8 也有舰船推进型和机械驱动型，在转速5 0 0 0 r m
19、 i n 时功率输出为3 5 7 3 7 M W 7 l。8 0 年代后期，南京汽轮机厂为G E 公司生产过M S 5 0 0 0 机组，在合作成功基础上，2华北电力大学硕士学位论文批量生产M S 6 0 0 1 系列燃机，至今已生产1 0 台以上。目前该厂已累计生产燃机约3 0 0 M W以上，有8 座电站采用以上机组，以简单循环或联合循环发电【7 1。9 0 年代陆续建造的一批燃气轮机电站和联合循环发电站主要都分布在东南沿海经济发达的地区。实践运行证明在高效、节能、改善环境污染、提高电网调蜂能力方面起到了良好的作用。近年来，武汉、重庆、合肥、成都等经济发达地区也随着电力市场的需要，逐步稳定
20、地兴建了一批燃机电站，着重发展了P G 9 E 型的联合循环发电机组，其中浙江镇海、龙湾的两套3 0 0 M W 燃气一蒸汽联合循环机组为国内最大的机组之一，其燃机技术具有8 0 年代国际先进水平，燃气初温为1 0 9 4 C，单循环热效率达3 2 6 左右，联合循环热效率达4 7 3 左右。我国的燃气轮机电站，特别是9 E 等级的烧重油燃机机组，在9 0 年代中得到了迅速的发展。但是燃机总装机容量在电网中的比例仅2 3 左右，远低于发达国家的水平。而且相对于近几年燃机电站飞速发展的局面，我国燃机的开发技术发展缓慢，品种和产量远不能满足国内市场的需要，即使南汽与G E 合作生产的M S 6 0
21、 0 I B 系列机组，也只处于国外8 0 年代水平，而且核心技术仍由G E 公司掌握。设计制造大型高性能燃机的能力更是不具备，因此进口燃机在我国仍处于垄断地位。随着我国西气东输工程和广东等沿海地区L N G(液化天然气)工程的启动，整个电力的装机结构必然发生重大变革。燃气一蒸汽联合循环在整个电网的装机容量中所占的比重将大幅度提高，前景非常广阔。因此就迫切需要我们生产具有自主知识产权的高性能燃气轮机，使燃机的生产、设计本土化，以满足国内市场的需要。1 3 联合循环中影响其性能的关键因素联合循环机组主要由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机三大主要部件组成，其中燃气轮机是联合循环中的关键部件，其性能也是影
22、响联合循环效率的关键，燃气轮机及其辅助设备组成了联合循环的燃气系统，而由余热锅炉、蒸汽轮机组成了联合循环的蒸汽系统，其蒸汽参数主要取决于燃气轮机的排气参数，其性能要受到燃机排气条件的限制，要使联合循环获得较高的效率，首先就要在整体上使联合循环达到最佳的配置，这就涉及到联合循环整体配套的问题。同时在燃机选定的情况下，由于蒸汽系统本身存在复杂性、多样性，仍需对蒸汽系统进行合理选择和优化，最大限度地利用燃气轮机的排气余热，使蒸汽系统取得较高的效率，从而使联合循环获得较高的效率。在联合循环系统中，要求蒸汽系统和燃气轮机优化匹配，从而使整个电站的综合性能更好，蒸汽系统设备中的余热锅炉与常规蒸汽发电锅炉设
23、备有所不同，这就首先要了解余热锅炉的一些特点。3华北电力大学硕士学位论文1 3 1 余热锅炉的特点余热锅炉的确切含义是热回收蒸汽发生器(H e a tR e c o v e r yS t e a mG e n e r a t o r s，简称H R S G)。在联合循环中，余热锅炉回收燃气轮机排气余热，产生蒸汽推动汽轮机发电。在整个联合循环中起到乘上启下的重要作用。联合循环效率的提高，一方面得益于燃气轮机技术的进步一主要表现为燃气初温的提高和热效率的提高。另一方面也由于H R S G(余热锅炉)的汽水系统和底循环系统的改善。余热锅炉虽然也是锅炉，但与常规锅炉相比有很大不同。其中最主要的区别就是
24、加热的热源不同，在联合循环中的H R S G 中的热源是烟气余热。联合循环中燃料燃烧，高温段在燃气轮机中膨胀做功，低温排气进入余热锅炉产生蒸汽然后利用，H R s G 所利用的是烟气的显热。燃气轮机的排气温度通常在7 0 0 以下，因此H R S G 中的换热主要依靠对流，辐射传热可以忽略不计；而在常温余热锅炉中辐射吸热量占了全部吸热量的4 0 5 0，甚至更多。辐射受热面具有较高的热负荷，传递相同数量的热量时，比对流受热面节省材料。因此H R S G 需要布置比常规锅炉更多的受热面，因而体积较大。另一方面H R S G 的过热段与蒸发段，特烈是蒸发段的烟气温度水平要比常规锅炉低得多，从而平均
25、的传热温差小，因此受热面通常都采用扩展受热面一螺旋翅片管来强化传热，使H R S G的结构紧凑，同时节点温差又决定了蒸汽产量和排烟温度，而不是任意可取的。中温、大流量工质是H R S G 的一个显著的热力特点。随着燃气轮机技术的发展，用于联合循环余热锅炉热源载体的进口烟气温度越来越高(5 0 0 6 1 0 C)。流量越来越大(1 2 0 6 0 0 k g s)，烟气与蒸汽的质量比在4 1 0 之间，而普通锅炉只为1 1 2。同时燃气轮机排气是完全发展的紊流，流速和温度都很不均匀，在余热锅炉进口截面上，烟气流速变化有时为4 0 0，温度不均匀度达5 5。余热锅炉中烟气大流量、高流速和高紊流度
26、的气动力学特点对传热是有利的，但也会引起一些其他问题，如烟道挡板和传热构件的振动，烟气偏流和传热不均，烟道及挡板等热部件的磨损、热变形等。这些问题对于H R S G 的快速启动和频繁启停尤为突出。所以合理选择H R S G 的系统性能参数和结构型式是非常重要的。1 3 2 余热锅炉的分类余热锅炉的分类可以按以下几种型式来划分：(1)按余热锅炉烟气侧热源分类可以分为无补燃的余热锅炉和有补燃的余热锅炉。前者只是单纯回收燃气轮机排气的热量，产生一定压力和温度的蒸汽，而后者则是在余热锅炉的恰当位置安装补燃燃烧器，补充天然气和燃油等燃料进行燃烧，提高烟气温度，还可以保持蒸汽参数和负荷稳定，以相应提高蒸汽
27、参数和产量，改善联合循环的变工况特性。(2)按余热锅炉产生的蒸汽压力等级划分可分为单压级余热锅炉和双压或多压级余热锅炉。(3)按受热面布置方式可分为卧式布置余热锅炉和立式布置余热锅炉。在卧式布置的余热锅炉，各级受热面部件的4华北电力大学硕士学位论文管子是垂直的，烟气横向流过各级受热面，而在立式布置的余热锅炉中，各级受热面部件的管子是水平的，各级受热面部件是沿高度方向布置，烟气自下而上流过各级受热面。(4)按工质在蒸发受热面中的流动特点分类可以分为自然循环余热锅炉、强制循环余热锅炉和直流余热锅炉。，1 4 余热锅炉的系统性能和研究情况1 4 1 余热锅炉的汽水系统及影响其性能的关键在上一小节余热
28、锅炉的分类中，对H R S G 按其产生的蒸汽压力等级划分可分为单压级余热锅炉和双压或多压级余热锅炉。从这一角度出发，目前余热锅炉的汽水系统主要有单压、双压、双压再热、三压和三压再热等5 种汽水系统。单压汽水系统的结构比较简单，设备的费用比较低，但由于产生的蒸汽初参数也比较低，因此热效率也很低。通常，单压汽水系统仅适用于低排气温度的燃气轮机。当燃气轮机的排气流量大于1 2 0 k g s、排烟温度高于5 1 0 时，如果采用单压蒸汽循环系统，余热锅炉的排烟温度就过高，排烟损失太大，合理的解决办法是采用多压系统。通常可以采用双压、双压再热或三压、三压再热的汽水系统，一般当燃气轮机的排气温度大于5
29、 9 0 时，采用三压再热的汽水系统。余热锅炉的性能主要表现为余热锅炉主蒸汽参数(压力、温度和流量)与汽轮机的匹配。影响余热锅炉性能的主要因素有余热锅炉的给水温度、热端温差、节点温差、接近点温差、余热锅炉烟气侧阻力、余热锅炉的排烟温度等。热端温差是换热过程中过热器入口烟气与过热器出口过热蒸汽之间的温差。降低热端温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差，同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。节点温差和接近点温差是影响余热锅炉乃至整个联合循环的两个重要因素。节点温差也叫窄点温差，是换热过程中蒸发器出口烟气与被加热的饱和水之问的最小
30、温差。接近点温差是指余热锅炉省煤器出口压力下饱和水温度和出口水温之间的温差。对节点温差和接近点温差来说，温差小则蒸发量增加，H R S G 的效率也随之上升，而所需受热面积也就更大，燃气轮机的负荷降低，节点温差和接近点温差也会变小，但易造成省煤器的汽化，因此要综合考虑选择合适的值。对于i t R S G 来说，降低排烟温度就意味着捐 烟热量损失减小，也就是燃气轮机的排气余热被回收的充分，即H R S G 的当量效率高，但因此要扩大受热面积和设备费用；同时H R S G 出1 3 的排烟温度不是独立的热力变量，而与所选的蒸汽循环型式、节点温差以及燃料中的硫含量有密切关系。降低排烟温度还要受到露点
31、温度的制约，以防止其发生酸腐蚀，特别是对于含有重油的燃气轮机，排烟温度一般不宜低于1 5 0 (2。5华北电力大学硕士学位论文烟气的压力损失，为提高对流传热系数，减少传热面积，就要提高烟气流速，这就会使其烟气压力损失增大，燃气轮机背压升高，导致其输出功率和效率就减少，联合发电设备整体效率也降低。当采用减少节点温差和多压系统时，由于H R S G 传热面积的增大使烟气侧流阻增大，从而导致燃气轮机背压上升，功率和效率下降。一般来说，燃气轮机背压每增加1 K p a，其功率下降0 6 0 7。热耗率会增大0 6 0 7。因此，减少余热锅炉的压力损失是一个需要综合优化的问题。严格地讲，应该从联合循环效
32、率和比投资费用最优化的角度来加以选择。1 4 2 余热锅炉系统性能研究的意义在联合循环系统中，燃气轮机和汽轮机的产品都已经形成了系列化、标准化，而余热锅炉则是根据经验设计的。因此在燃气轮机排气参数已定的前提下，对余热锅炉的性能进行研究，对于提高整个联合循环的效率具有重要意义。特别是对于我国目前的联合循环发电现状，燃汽轮机的制造与生产水平和国外相比差距很大，而余热锅炉和汽轮机的设计制造基础都比较好。在S 1 0 9 F A 联合循环电站中，总设备价格是1 3 9 1 0 万美元，每千瓦预算价格是3 5 6 美元，P G 9 3 5 1 F A 及一台空冷发电机组成的简单循环燃气轮机电站的基本设备
33、价格是每千瓦1 9 0 美元【s】。可见联合循环中余热锅炉及汽轮机所占的价格约为整个设备价格的一半。因此对余热锅炉的性能进行研究，以使其实现国产化，对于加快我国的联合循环发展具有重要意义。1 4 3 余热锅炉性能研究的现状在余热锅炉的性能参数选择和系统优化方面，国内外学者在这方面进行了一些研究。0B o l l a n d 1 9 9 1 年对一些大型新颖燃气一蒸汽联合循环4 0 0 M W 方案选择进行了评价比较，通过改进蒸汽循环的布置来提高所选定的燃气一蒸汽联合循环发电效引9】。我国对联合循环技术的研究起步晚、力度小。对余热锅炉的研究也是有限的，基本上处于边引进、边学习的阶段。但随着我国对
34、联合循环需求的日益增长，也需要在余热锅炉的性能研究理论方面有所突破。肖云汉等人1 9 9 7 年根据“梯级利用和温度对口原则”，建立了余热锅炉不同温区内的能量平衡与温区间的转运模型，将模型应用于多种燃机排气条件已定的蒸汽底循环的热力系统优化设计【1 0 1。胡剑辉等人利用该模型建立了蒸汽循环系统稳态工况特性模型并进行了计算分析【1 1 l。邓世敏等人1 9 9 7 年通过对联合循环的蒸汽系统进行热力分析和推导，运用做功系数的概念，进而建立起联合循环蒸汽系统局部定量分析的方法，并用它对实际蒸汽系统的偏差因素进行了定量分析【1 2】。江丽霞等人2 0 0 1 年基于总能系统的概念。把能的梯级利用原
35、理与超结构等方法有机地结合起，提出I G C C 蒸汽系统流程与参数优化新思路和新方法I l。根据目前的研究成果，根据系统优化可以确定余热锅炉合理的压力级数以及流程和6华北电力大学硕士学位论文参数。通常来说，单压H R S G 只在小型燃气轮机系统上采用，它的汽水系统比较简单，设备费用也比较低，但是排烟温度较高，为1 5 0 1 8 0。C，发电效率较低，约3 8 4 8，多压的汽水系统稍许复杂，但可充分回收燃气轮机排气的热量，加之蒸汽的多压化，使得蒸汽的高温高压参数及再热得以实现。发电效率得到提高。9 0 2 0 0 M W 的燃气轮机配用H R S G 多采用双压系统，排烟温度为1 0 0
36、 1 3 04 C，发电效率约4 2 5 2。三压蒸汽系统H R S G 用在2 5 0 M W 的大容量燃气轮机机组上，排烟温度为8 0 9 0 C，发电效率高达5 0 5 8。在影响余热锅炉的性能因素方面，比如节点温差、接近点温差和热端温差的确定，排烟温度的确定，清华大学的焦树建教授，林勇虎等做了一些研究1 4 1。为了适应燃气轮机越来越高的初温和大流量的特点以及更加严格的环保要求，更好地满足联合循环发展的需要，国内已从H R S G 的总体结构、材料、传热元件等各个方面开始重视H R S G 的研究，对受热面的研究主要侧重于鳍片传热性能的研究，比如采用开口螺旋翅片管，进一步提高传热系数，
37、使H R S G 结构更为紧凑，同时又要使烟气侧的压力损失保持在合适的范围之内【l”。在余热锅炉于联合循环机组的配置以及余热锅炉的变工况特性等方面，国内学者和工程技术人员也进行了一些研究，然而这些研究的实用性成果比较少【1 0 1。1-5 论文研究的目的和内容I 5 1 论文研究的主要目的燃气一蒸汽联合循环的出现主要是基于总能系统概念的提出，所谓的总能系统就是在系统的高度上，综合考虑能量转换过程中功和热的梯级利用，不同品位和形式能的合理安排以及各系统构成的优化匹配等，总体合理利用各级能，以获得最好的总效果。燃气一蒸汽联合循环系统主要是由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机三大部件组成，对于这三个主要部
38、件来讲，每一个部件都有自己最佳的运行点，但当三者联合到一起共同工作的时候，由于物质和能量传递上的相互影响，它们所组成的整个热力系统的最佳运行状态已不是各自部件最佳运行状态的简单叠加，而是发生了变化。因此要使联合循环发出最大的功率，就需要这三个部件达到最优的配置。在联合循环电站的设计中，装置的基本性能是由主要部件燃气轮机来决定的，汽轮机和余热锅炉的负荷和性能取决于燃气轮机的排烟能量和参数，处于被动状态。原则上就应该首先做燃机的性能分析，再向锅炉和汽轮机提出设计技术条件。但是，由余热锅炉和汽轮机组成的蒸汽底循环系统在系统上却存在着复杂性和多样性，汽轮机、余热锅炉、蒸汽流程结构、汽水分配等存在着相当
39、大的活动余地，有着很大的自由度，需要重点加以考虑。只有底循环中的余热锅炉和汽轮机具有了良好的匹配特性，才能尽可能地7华北电力大学硕士学位论文提高余热利用率和联合循环效率。1 5 2 论文研究的主要内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：1 对联合循环的整体配套原则进行研究，包括燃气轮机的选型、余热锅炉的炉型选择以及蒸汽系统流程选择，燃气系统与蒸汽系统的轴系配置方式，并根据这些基本原则对京丰燃气电厂整体配置的合理性做出评价。2 通过分析余热锅炉效率与联合循环效率的性能关联，建立蒸汽系统性能优化的理论模型，包括余热锅炉和汽轮机的理论优化模型，为对京丰燃气电厂的蒸汽系统进行优化奠定理论基础。3 建立
40、京丰燃机电厂b 1 7 0 1 F 联合循环机组三压再热蒸汽系统性能优化的模型，对其蒸汽系统进行优化，以得出运行时达到最佳底循环效率时的蒸汽参数，并将电厂目前的运行参数与其进行比较，做出评估分析。8兰些皇查盔竺堡圭兰垡笙塞第二章联合循环整体配套研究2 1 燃气一蒸汽联合循环发电原理与类型2 1 1 燃气一蒸汽联合循环的发电原理燃气轮机联合循环技术从热力学角度而言，是将具有高温加热优势的燃气轮机(B r a y d o y)动力装置和较低排气温度的蒸汽(R a n k i n e)循环动力装置有机结合起来，取长补短，按能量品位的高低进行梯级利用，达到扩容降耗的作用。其发电原理图如21 所示：空图
41、2-1 联合循环发电原理示意图燃气轮机从大气中抽取大量空气经过滤器过滤后进入压气机进行压缩，压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧，产生高温烟气推动燃气透平带动发电机发出电力，这就是燃气轮机循环系统。”由于燃气轮机产生的废气温度还很高(4 5 0 6 0 0。C)，将它送入余热锅炉，烟气中的热能转换成蒸汽推动汽轮机带动发电机发出电力，这就是蒸汽循环系统。蒸汽循环系统主要由余热锅炉和汽轮机组成。燃气轮机系统具有较高的燃气初温，目前己达到1 4 3 0 C，但是它的排气温度很高(一般在4 5 0 6 0 0。C)，而且燃气工质的流量又很大，致使大量热能进入排气而损失掉，热效率也不高(3 5 4 0)
42、，蒸汽轮机系统的排汽温度很低，可以接近大气温度，但是由于受到设备材料的限制，蒸汽初温不是很高，考虑到它们各自的温度区间，将它们9华北电力大学硕士学位论文串联在一起，对两个不同的循环按照能量品位的高低进行梯级利用，即按“温度对口，梯级利用“2 1 J 的原理，总体安排好功、热(冷)与工质内能等各种能量之间的配合关系与转换使用；在系统的高度上，总体综合利用好各级能量，对高温热源使用燃气轮机循环，对低温热源使用蒸汽轮机循环，就可以得到极高的发电效率。目前，大多数联合循环的发电效率超过5 0，较高的可达5 6 5 8【埘。2 1 2 燃气一蒸汽联合循环的类型目前，常规的联合循环有五种基本类型方案：无补
43、燃的余热锅炉型联合循环、补燃的余热锅炉型联合循环、排气全燃型联合循环、增压锅炉型联合循环以及给水加热型联合循环。(1)无补燃的余热锅炉型联合循环所有的热量都从循环的燃气轮机部分加入联合热力循环。该方案中燃气轮机的高温排气被引到装在其后面的余热锅炉中去加热给水、产生蒸汽，以推动汽轮机做功。由于输入循环的热量是在燃气侧的较高温度下加入的，是一种以燃气轮机为主的联合循环。燃气侧参数对联合循环系统性能的影响较大，而汽轮机功率的蒸汽参数主要取决于燃气轮机的排气参数。一般，这种循环系统的汽轮机与燃气轮机功率比约为1：2。在这种联合循环中，如果燃气轮机和蒸汽轮机的性能匹配达到最佳，那么这种方式可以实现联合循
44、环中最高的效率。因而是目前大型燃气联合循环的主流，最适合于基本负荷和中间负荷的用途。(2)补燃的余热锅炉型联合循环此方案是在燃气轮机与余热锅炉之间的通道中(或余热锅炉中)加装补燃器，将燃气轮机排气中剩余的氧气用来帮助另行喷入的燃料进行燃烧，以提高排气温度，使余热锅炉产生参数更高、数量更多的蒸汽，借以增加汽轮机的功率或对外有效的供热量。因其没有有效利用补燃燃料的理论火焰温度，所以其总体循环效率没有设计完善的余热回收型循环高，但它适合于燃气轮机与汽轮机难以匹配的场合和调峰负荷幅度大的情况。(3)排气全燃型联合循环，它是一种排气助燃型联合循环，工质中剩余的氧几乎全部与燃料发生化学反应。该方案是利用燃
45、气轮机排气作为常压锅炉的助燃介质，并同时回收排气余热。这一循环特别适合于现有电厂老机组的改造，因为它能最大程度地利用现有设备，降低电站改造的投资。(4)增压锅炉型联合循环它是把蒸汽发生器放在循环的燃气侧燃烧室之后和燃气透平之前的联合循环。该方案的特点是锅炉与燃气轮机的燃烧室合为一体，燃气轮机的压气机取代了锅炉的送风机，锅炉是在燃气轮机的工作压力下燃烧和换热的，由于这种联合循环装置的流程结构1 0华北电力大学硕士学位论文特征，燃气轮机和汽轮机都不能单独运行。(5)给水加热型联合循环它是一种把燃气轮机的排气主要用于加热联合循环系统给水的联合循环。该方案中，由于锅炉给水所需的加热量有限，使燃气轮机的
46、容量比汽轮机的小的多，所以该联合循环是以汽轮机为主的联合循环。联合循环系统性能主要取决于蒸汽侧循环参数，适用于燃气轮机排气温度较低的情况。?”本文主要的研究对象是余热锅炉型联合循环，其原理图如2 2 所示。水泵图2-2 余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环2 1 3 联合循环系统的组成从热力系统而言，燃气轮机联合循环发电装置由两个子系统组成，一个是燃气侧的顶置循环系统，主要设备为燃气轮机及其辅助系统；另一个是蒸汽侧的底置循环系统，主要设备为汽轮机及其辅助系统；余热锅炉作为换热器，则是两个子系统的耦合点，一般将燃气轮机称为联合循环(余热锅炉型)的主机，将汽轮机、余热锅炉等称为蒸汽系统。联合循环发电装置按
47、轴系配置有单轴联合循环和多轴联合循环。单轴联合循环指循环的有用功输出来自一根轴的联合循环，多轴联合循环为循环的有用功输出来自一根以上的轴的联合循环。联合循环发电装置的成套配置的主要目的就是将上述两个子系统(燃气和蒸汽)配备完全、以实现发电功能，并将其性能优化完善，再在此基础上选定轴系的配置方式。2 2 联合循环发电装置的整体配套原则联合循环发电装置的成套配置主要包括主机的选型，蒸汽系统的设计选型与优化，1 l华北电力大学硕士学位论文轴系的配置等。为使建成后的燃气轮机联合循环电厂单位投资少，热效率高，投产后具有较好的收益，对两个子系统的主要组成部件及其轴系连接进行合理的选择至关重要。目前，国外的
48、联合循环技术对于机组的成套配置已经形成了一套体系，而我国由于起步比较晚，在这方面还有很大的差距。因此，研究适合我国电力系统具体情况的联合循环电厂配置是有必要的，也是十分紧迫的。2 2 1 燃气轮机的选型燃气轮机是余热锅炉型联合循环中的主要部件，是决定电站的供电效率、发电成本和运行可用率等的关键。联合循环的发电装置中的燃气轮机选型的核心问题是“3 E”和“R A M”性能，即热力性能(效率)、环境(与燃料密切相关)、经济性和可靠性、可用性与可维护性(R A M)，对燃气轮机选型时，主要从这几方面来考虑。2 2 1 1 机组的热力性能特性，”燃气轮机的热力性能是其发展应用的前提，相当长时间以来，燃
49、气轮机的发展都是围绕提高热力性能为主要目标进行。在联合循环机组的成套配置过程中，对燃气轮机选型，首先要详细了解制造厂商相应机型的型号、参数性能、结构特点、运行维护要求以及价格成本等。对于热力性能指标来说，一般厂商多会给出规定条件下的额定值，这时选型原则比较明确，对基本负荷和中间负荷用途，在适合拟用的燃料前提下，优先选择热效率高和可用性高的型号；对于备用尖峰负荷和尖峰负荷用途，要综合考虑额定工况、变工况、启动过程以及备用待机状态等情况下的热力性能与燃料耗量，优先选择加速加载性能好、热效率又高的机型。对热力性能的考虑主要注意以下几点：1 热效率和燃料成本相结合的综合经济性单方面考虑热效率高低常常是
50、不全面的，一般需要把机组热效率和燃用的燃料成本结合起来，更全面权衡机组经济性。因为有时地理因素更优先于热效率，某些地区的用户可能更注重燃气轮机对燃用廉价原油与重油的能力与相应的常热部件寿命性能。2 热力循环系统优化的问题在联合循环中，燃气轮机影响联合循环性能的关键特性是其比功，联合循环的热效率随燃机比功的增大而增加，而燃机的燃烧温度是决定其比功的主要因素。因此，从热力性能的角度来讲，提高联合循环电厂热效率的首要途径是选择透平初温较高的燃机。燃气轮机除了应具有尽可能高的燃气初温外，还必须具有对联合循环最佳的压比和较高的排气温度。即既要兼顾到燃气循环的效率又要兼顾到蒸汽循环的效率，才能获得联合循环