一种双压无再热联合循环电厂及其性能优化方法与流程

1.本发明涉及一种联合循环电厂的技术领域，特别是涉及一种双压无再热联合循环电厂的性能优化方法的技术领域。


背景技术：

2.燃气轮机发电厂一般采用燃气
‑
蒸汽联合循环的发电方式，主要由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机三部分构成。重型燃气轮机的主要部件包括压气机，燃烧室以及透平，压气机吸入空气压缩后送入燃烧室内，使燃料(油或天然气)燃烧产生高温高压燃气，进入燃气轮机膨胀做功发电，再将燃气轮机排出的气体引入锅炉(余热锅炉)，作为锅炉的热源，利用锅炉产生的蒸汽进入蒸汽轮机再发电。这样就形成了燃气轮机和蒸汽轮机共同作为原动机的联合循环发电系统。
3.燃气轮机联合循环发电具有高效、清洁等特点，目前国内市场中燃气轮机主要作为调峰机组使用，大部分时间运行在部分负荷工况下。联合循环的效率由燃气循环和蒸汽循环共同决定，蒸汽循环的参数受到燃气轮机排气温度的限制，因而蒸汽循环的效率也会受到燃气循环的牵制。对于双压无再热联合循环机组，燃机排气温度一般在530℃
‑
570℃，主蒸汽温度限制在520
‑
530℃左右。提高燃气轮机排气温度可以使联合循环效率大大提高，然而在联合循环出力一定的情况下，提高燃机排气温度又会使得燃机效率降低。因此燃机排气温度存在一个最佳值，使得燃气
‑
蒸汽联合循环性能最优。按照目前电厂的常规运行策略，部分负荷工况时燃机排气温度与满负荷时保持一致(或略低于满负荷)，但由于部分负荷燃机的压比降低等原因，透平进口温度也远低于可以达到的最高温度，使得这一策略实际上并没有在部分负荷时充分利用透平叶片的承温能力，也无法使燃机和汽机的性能完美匹配，存在优化的空间。
4.另外，基于联合循环机组的运行特性，为了充分利用部分负荷时燃机透平叶片的承温能力，可以在部分负荷运行时提高燃机透平出口温度，并同时考虑机组各部件的温度限制和燃机运行稳定性，提高透平排气温度会对联合循环机组产生如下影响：
5.1、燃机透平入口温度升高，透平叶片承受更高的温度；
6.2、燃气轮机燃烧室空燃比发生变化，影响燃烧稳定性和排放；
7.3、进入余热锅炉的烟气温度升高，主蒸汽温度提高，余热锅炉排烟温度降低，汽水侧热效率提升，但同时承受更高的温度；
8.4、在保持联合循环出力不变的前提下，燃机热效率会下降；
9.当燃气轮机透平排气温度提高时，蒸汽循环热效率的提升量高于燃机热效率的下降量，因此总的联合循环热效率是升高的。然而，由于燃机排气扩散段、余热锅炉和汽轮机承温能力的限制，燃机透平排气温度并不能无限提高，当汽水侧温度达到限制后，会进行喷水减温，此时继续提高排气温度可能使得燃机效率的下降幅度超过汽水侧效率的上升幅度，从而导致联合循环效率下降。因此，燃气轮机部分负荷排气温度存在一个最优值，使得联合循环机组效率最高，而最优排气温度同样也与环境工况、机组负荷率、供热抽汽量、汽
机定压压力，汽机背压，循环水量等息息相关，并受到部件设计参数和调试边界的限制，因此需综合考虑从而确定最优排气温度。


技术实现要素：

10.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双压无再热联合循环电厂的性能优化方法，用于解决现有技术中难以彻底利用透平叶片的承温能力，以及利用后可能反而使联合循环热效率降低的问题。
11.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双压无再热联合循环电厂，其特征在于，包括：
12.压气机，所述压气机设有通有空气的进气口；所述压气机的主轴连接发电机；所述压气机的出气口通过燃烧室，所述燃烧室还设有一燃料进口；所述燃烧室的烟气经由透平进行排气；
13.换热组件，所述换热组件包括若干换热单元；若干所述换热单元相互串联，并且若干所述换热单元的压力逐级下降；每一所述换热单元的入口接有所述燃机排气，同一个所述换热单元的蒸汽出口连接汽轮机汽缸，同一个所述换热单元的烟气出口连接至次一级的所述换热单元，直至最后一次的所述换热单元的所述烟气出口连接至省煤器；所述省煤器的出口烟气排放至大气；
14.所述汽轮机汽缸的主轴连接所述发电机；所述汽轮机汽缸经过低压缸后排汽进入凝汽器和给水泵至所述省煤器；
15.控制单元，所述控制单元通过传感组件连接所述压气机、所述透平、所述换热组件、所述汽轮机汽缸以及所述省煤器。
16.一种如上述的双压无再热联合循环电厂的性能优化方法，包括：
17.步骤一、获取联合循环电厂使用的关键设备参数和运行限制；
18.步骤二、结合步骤一所获取的关键设备参数和运行限制确定所述联合循环电厂的运行包线；
19.步骤三、根据寻优设备参数建立所述联合循环电厂的热平衡模型，并根据所述联合循环电厂的实际运行数据进行校准；
20.步骤四、在所述运行包线允许运行的区间内，利用所述热平衡模型遍历计算得出每一个参数组合下的联合循环热效率；选择出最大联合循环热效率，将相应参数组合应用于所述联合循环电厂，调整所述联合循环电厂各项参数直至与相应的所述参数组合一致。
21.优选地：所述关键设备参数包括所述发电机功率的限制值，所述透平的排温上限，所述燃气轮机的各工况下压比限制，所述燃气轮机的最小环保负荷下限；所述汽轮机的蒸汽初温上限，所述汽轮机的最小运行蒸汽压力，所述省煤器出口的烟气温度下限。
22.优选地：所述步骤四中寻优的关键参数包括：所述透平的排气温度、所述换热组件的主蒸汽温度限制、所述换热组件的低压蒸汽温度限制、减温水流量、供热抽汽量、所述汽轮机的定压压力，所述汽轮机的背压，循环水量，以及环境条件。
23.优选地：所述环境条件包括：大气温度、压力和湿度。
24.如上所述，本发明的一种双压无再热联合循环电厂的性能优化系统，具有以下有益效果：
25.本发明可根据联合循环电厂的关键设备参数和运行限制定联合循环电厂的运行包线；并建立联合循环电厂整厂热平衡模型，通过利用模型迭代计算，在预先定义的包线内寻找使联合循环效率最高的参数组合；从而在不影响机组运行安全的前提下充分发挥燃机透平叶片的承温潜力，和机组的性能潜力，实时在线优化部分负荷运行方式，最大程度的提升联合循环电厂热效率。
附图说明
26.图1显示为本发明的一种双压无再热联合循环电厂的工作流程图；
27.图2显示为本发明的一种双压无再热联合循环电厂的性能优化方法的流程图；
28.图3显示为本发明的一种双压无再热联合循环电厂的运行包线的示意图；
29.图4显示为本发明的一种双压无再热联合循环电厂的性能优化方法的示意图；
30.图5显示为本发明的一种双压无再热联合循环电厂的性能优化方法后改进的效率的示意图。
31.元件标号说明
32.1压气机
33.11进气口
34.12出气口
35.12a发电机
36.12b发电机
37.13燃烧室
38.131燃料进口
39.14透平
40.2换热组件
41.21换热单元
42.3汽缸
43.31低压缸
44.32凝汽器
45.4省煤器
具体实施方式
46.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
47.请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
48.一种双压无再热联合循环电厂，包括：
49.燃气轮机，燃气轮机包括压气机1、燃烧室13和透平14；压气机1设有通有空气的进气口11；压气机1的主轴连接发电机12a；压气机1的出气口12通过燃烧室13，燃烧室13还设有一燃料进口131；燃烧室13的烟气经由透平14进行排气；
50.换热组件2，换热组件2包括若干换热单元21；若干换热单元21相互串联，并且若干换热单元21的压力逐级下降；每一换热单元21的入口接有由于透平14排出的排气，同一个换热单元21的蒸汽出口连接汽轮机的汽缸3，同一个换热单元21的烟气出口连接至次一级(次一级是指换热单元21的承压能力下降)的换热单元21，直至最后一次的换热单元21的烟气出口连接至省煤器4；省煤器4的出口烟气排放至大气；
51.汽缸3的主轴连接发电机12b；汽缸3经过低压缸31后排汽进入凝汽器32和给水泵至省煤器4；
52.控制单元，控制单元通过传感组件连接压气机1、透平14、换热组件2、汽缸3以及省煤器4。本发明通过设置压气机1实现对空气的压缩，再通过燃烧室13实现对空气和燃料混合的燃烧，燃烧后将高温高压的燃气排出，经过透平14进行膨胀做功；该过程中压气机1(即燃机的主轴)会转动从而带动发电机12a进行发电；为了充分利用透平14排出的高温燃气，在换热组件2处通过换热单元21(即锅炉)的方式产生高热高压的蒸汽，利用该蒸汽在汽缸3带动汽缸3的主轴转动，从而带动相连的发电机12b进行发电，该种方式利用换热组件2充分利用燃气的余热，提高了同样燃料下的发电效率。
53.本发明为了能够充分利用上述装置的基础下，进一步提高发电效率；现在设置如下的性能优化方法，包括：
54.步骤一、获取联合循环电厂使用的关键设备参数和运行限制；
55.步骤二、结合步骤一所获取的关键设备参数和运行限制确定联合循环电厂的运行包线；
56.步骤三、根据寻优设备参数建立联合循环电厂的热平衡模型，并根据联合循环电厂的实际运行数据进行校准；
57.步骤四、在运行包线允许运行的区间内，利用热平衡模型遍历计算得出每一个参数组合下的联合循环热效率；选择出最大联合循环热效率，将相应参数组合应用于联合循环电厂，调整联合循环电厂各项参数直至与相应的参数组合一致。
58.本发明首先根据联合循环电厂的关键设备参数确定燃气循环和蒸汽循环的运行包线(英文名：operating envelope，一种确定运行边界的方法，属于现有技术)，并对燃气轮机进行燃烧调整以摸清其各负荷段燃气轮机连续稳定运行且满足排放要求的排温区间，结合上述结果确定联合循环电厂运行包线；本发明再通过建立联合循环电厂的热平衡模型(通过寻优设备参数建立，属于现有技术)并将寻优设备参数和环境条件接入系统，通过模型迭代计算实现实时寻优，给出联合循环效率最优的参数组合，并将最优的参数组合反馈至燃机控制系统，通过燃机控制系统的闭环调节作用使排气温度达到最佳值。如图3所示，该图为运行包线的示意图，图中的非图案填充区域即安全运行区域；运行包线的方法可以得出安全运行区域；运行包线确定方法：
59.具体的，该图位igv(压气机进口可调导叶，igv具体英文写法：inlet guide vanes)调节范围内燃机的运行特性和运行边界。横轴igv流量开度表示进入压气机1的相对
空气流量，纵轴tet(turbine exhaust temperature)表示燃机透平排烟温度。机组的共同工作线反映了非设计点燃机各部件之间的匹配情况，在某一确定的负荷率下，随着igv开度变大，进入燃机的空气流量增大，会导致透平14排烟温度降低。基于各部件和设备的材料强度和安全稳定运行边界，燃气轮机并不能在图中所示的所有区间内运行，例如过高的透平排温(tet)会导致透平13内的透平叶片、各个换热单元21(利用余热的锅炉)和透平14的排气扩散段承受过高的温度因此tet存在允许运行的上边界。而过低的透平14的排温又会导致燃烧不稳定或污染物排放增加，因此tet存在允许运行的下边界。此外，tet的变化还会间接的引起发电机12a的负荷、压气机1压比、换热单元2出口蒸汽温度等参数的变化，因此，这些参数的边界限制应同样被考虑。所有边界围成的区域就是燃气轮机允许的运行范围。运行边界的确定与步骤1中所述的各相关部件的设计参数和运行限制以及电厂运行调试的结果相关，部件的设计参数和材料的温度限制由相关专业或厂商校核计算得到。
60.另外，运行包线需要的关键设备参数包括发电机12a功率的限制值，透平14的排温上限，燃气轮机的各工况下压比限制，燃气轮机的最小环保负荷下限；汽轮机的蒸汽初温上限，汽轮机的最小运行蒸汽压力，省煤器4出口的烟气温度下限；除以以外，还包括了燃气轮机的各负荷段的安全的排温区间，以及不同工况下燃调参数。上述提到的热平衡模型建立方法如下：
61.燃气轮机热平衡模型以特性线方式对压气机1、燃烧室13、透平14三大部件分别进行建模，但对包含了气封流量、冷却抽气的二次空气系统进行了简化。简化方法是从压气机1进口引一股气(称为等效冷却流量)不耗功直接进入压气机1尾部与压气机1出口气流混合进入燃烧室13，同时为透平室14定义一个titiso温度。等效冷却流量简化过程遵循了以下几个原则：
62.1)压气机1进、出口压力、温度、化学组成条件与机组真实情况相同
63.2)压气机1耗功与真实情况相同
64.燃气轮机整体的能量平衡如下：
65.q
a1
q
f4
＝p
s
q
r
q
g8
q
ae
q
m
66.式中：
67.为压气机1进气能量
68.为燃料能量
69.p
s
＝p
e9
q
g
为燃气轮机轴功
70.为辐射和对流热损耗
71.为透平排气能量
72.为泄露
73.q
m
为机械损耗
74.其中：
75.–
压气机1进气质量流量(kg/s)
76.h
a1
–
进入压气机1温度为t
a1
的空气比焓(kj/kg)
77.–
燃料质量流量(kg/s)
78.q
lo
–
温度为15℃、常压下的燃料低位热值(lhv)(kj/kg)
79.h
f4
–
温度为t
f4
燃料的比焓(kj/kg)
80.h0–
温度为15℃的燃料比焓(kj/kg)
81.p
e9
–
发电机出线端电功率(kw)
82.q
g
–
发电机损耗(kw)
83.η
tc
–
燃烧室效率，考虑了辐射和对流热损耗
84.–
透平排气质量流量(kg/s)
85.h
g8
–
排气温度为t
g8
的排气比焓(kj/kg)
86.–
泄露空气质量流量(kg/s)
87.h
ae
–
泄露的温度为t
ae
的空气比焓(kj/kg)
88.燃气轮机热效率计算公式如下：
[0089][0090]
上述燃气轮机整机热平衡模型与采用相同原理建立的部件热平衡模型以及部件特性线结合从而建立燃气轮机性能计算模型，利用模型可通过设定部分已知参数如压气机1进口温度压力、透平排气温度、燃气轮机负荷/igv开度等，计算该工况下的燃气轮机热效率、压比、排烟流量等未知参数。(具体建模方法参考iso2314和软件著作权“燃气轮机性能分析程序软件v1.0”，登记号：2021sr0202985)
[0091]
对于分轴联合循环机组来说，燃气轮机和换热单元21的联系即为透平14的排烟参数，燃气轮机的透平14的排烟的温度和流量决定了供给换热单元21的热量。烟气经过各个换热单元21与循环水和蒸汽进行换热，从而产生高压蒸汽和低压蒸汽。对于换热面的建模其关键参数为节点温差、接近点温差和换热面积及相应的变工况特性线，利用换热器模型可以根据烟气进出口参数和蒸汽进口参数计算得到高压蒸汽参数和低压蒸汽参数。蒸汽参数作为汽轮机的输入，通过建立汽轮机各个级组的模型，可根据进入汽轮机的蒸汽参数、凝汽器背压和汽轮机特性线等计算当前工况下的汽轮机出力和效率。
[0092]
汽水侧总体的能量平衡如下：
[0093]
q
g8
＝p
st
q
ex
q
c
q
ae
‑
st
q
m
‑
st
[0094]
式中：
[0095]
p
s
＝p
e
‑
st
q
g
‑
st
为汽轮机轴功
[0096]
为锅炉排烟能量
[0097]
为凝汽器冷却水带走的能量
[0098]
为汽轮机泄露蒸汽的能量
[0099]
q
m
‑
st
为汽轮机机械损耗
[0100]
其中：
[0101]
p
e
‑
st
–
汽轮机发电机出线端电功率(kw)
[0102]
q
g
‑
st
–
汽机发电机损耗(kw)
[0103]
h
ex
–
烟气温度为t
ex
的烟气比焓(kj/kg)
[0104]
–
冷却水质量流量(kg/s)
[0105]
h
ci
–
冷却水进口温度为t
ci
的比焓(kj/kg)
[0106]
h
co
–
冷却水出口温度为t
co
的比焓(kj/kg)
[0107]
–
泄露蒸汽质量流量(kg/s)
[0108]
h
ae
‑
st
–
泄露的温度为t
ae
‑
st
的蒸汽比焓(kj/kg)
[0109]
联合循环热效率计算公式为：
[0110][0111]
本实施例中，参数组合反馈至燃气轮机控制系统，在通过控制单元实现对联合循环电厂的控制；具体的，可改变燃气轮机的透平14的排气温度、汽缸3入口的主蒸汽温度限制或低压蒸汽温度限制、主蒸汽或低压蒸汽的减温水流量、汽缸3的供热抽汽量、汽机定压压力，凝汽器32的背压，给水泵的循环水量，以及环境条件等参数；以改变排气温度为例，可通过改变压气机1的进气口的导叶开度igv，从而调节排气温度变化，实现联合循环电厂的联合循环效率最优。
[0112]
具体的，改变燃气轮机排气温度参数为例，首先获取联合循环电厂的关键设备参数，形成运行包线；其次将运行数据实时传递至经过校准的联合循环电厂整厂热平衡模型中，联合循环模型根据当前工况运行数据计算不同运行参数组合下的联合循环效率从而确定最优排气温度，将最优的排气温度设定值反馈至控制单元，并作为当前工况的排气温度设定值。控制单元通过闭环调节压气机叶片的开度从而排气温度达到最优，从而确保联合循环达到最优性能。
[0113]
综上所述，本发明根据联合循环电厂的运行包线确定了运行安全区域，通过建立热平衡模型可对实际联合循环电厂进行模拟，随后在运行包线允许运行的区间内对热平衡模型进行遍历，从而求出联合循环效率最优下的参数组合，并根据该参数组合对实际的联合循环电厂进行调整；从而实现确定最优运行参数并反馈至控制单元，不影响机组运行安全的前提下充分发挥燃机透平叶片的承温潜力，和机组的性能潜力，实时在线优化部分负荷运行方式，最大程度的提升联合循环电厂热效率。
[0114]
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0115]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。