透平材料和冷却技术及燃气轮机关键参数变化时联合循环热力性能分析

联合循环是目前天然气发电的重要技术,进一步提高效率是联合循环发展的需求。该文采用燃气轮机准一维透平冷却模型和底循环简明计算模型,以H级燃气轮机技术参数为基准,研究参数变化对燃气轮机及其联合循环透平冷却空气、效率的影响特性,得到燃气轮机部件效率、透平冷却及材料技术水平、燃烧室出口温度及循环压比等关键参数的影响。结果表明,在H级燃气轮机的部件技术水平下,仅靠提高温度和压比对联合循环性能提升较小,即使燃烧室出口温度提升至2000℃,在其最佳压比下,联合循环效率也只能比9HA.02燃气轮机联合循环效率提高约2个百分点,联合循环效率的进一步提高需全面提升部件效率和透平“冷却–材料”技术水平,研究结果可为进一步提高燃气轮机联合循环效率提供参考。     

高参数燃气轮机与超临界二氧化碳联合循环系统热力性能分析

构建高参数燃气轮机与超临界二氧化碳(S-CO₂)联合循环模型，并开展热力性能分析。顶循环采用燃烧室排气温度为1 800℃的高参数燃气轮机，底循环采用S-CO₂朗肯双透平循环，同时采用三级烟气加热和两级透平排气回热；通过惩罚函数法，得到优化后的联合循环工况下的参数和热力性能，分析了高参数燃气轮机顶循环和S-CO₂朗肯底循环主要参数对联合循环性能的影响规律。结果表明：在燃气轮机压比为35.5，燃烧室出口温度为1800℃时，联合循环热效率可达68.61%，燃气轮机与S-CO₂朗肯循环效率比燃气-蒸汽联合循环提高2.3百分点。     

考虑透平逐级冷却的重型燃气轮机热力学建模及关键参数影响分析

透平冷却系统是现代重型燃气轮机的核心之一，如何考虑冷气掺混影响，是燃气轮机热力学建模和关键参数影响分析中需要解决的首要问题之一。随着燃气轮机总体设计的不断深化，需要更细化的热力性能计算模型，以进行关键部件和总体的协调匹配和保障设计性能的最终实现。为此，提出了基于透平一维气动分析的燃气轮机透平逐级掺混及总体热力性能计算方法，建立了重型燃气轮机热力性能模型，并对关键参数的影响和G/H级燃气轮机热力性能方案进行了研究。分析表明：透平初温、压比和冷却空气量是影响燃气轮机总体热力性能的关键参数，在总体设计中应做到三者统一协调，提高透平初温的同时需研究达到该温度水平需要的最少冷却空气量，分析最佳压比，并结合部件设计进行迭代计算和深入研究后最终确认。该研究结果可为自主化重型燃气轮机总体性能设计提供参考。     

顶底循环参数对燃气–蒸汽联合循环全工况性能影响分析

基于现有燃气轮机机组,对于给定透平初温,重新划分顶循环与底循环的能量利用区间与比例,分析与三种常见底循环参数相匹配的燃气–蒸汽联合循环全工况性能。以PG9351FA燃气轮机为顶循环的联合循环机组作为基准机组,研究了3个案例机组的全工况性能(PG9351FA燃气轮机匹配底循环初参数为567.5℃;压气机设计压比提高为18匹配底循环初参数为538℃机组;压气机设计压比降低为12.73匹配底循环初参数为603℃机组)。研究结果表明:提高压气机设计压比,其全工况性能优于基准机组,并且具有良好的变工况性能,效率比基准机组提高幅度为0.03%~0.42%,然而其出功降低幅度为1.66%~2.72%;降低压气机设计压比,其全工况性能劣于基准机组,效率降低幅度为0.20%~0.39%,然而其出功增加,增加幅度为1.19%~3.27%。通过对顶循环与底循环的?分析发现联合循环整体性能的主要取决于顶循环,提高顶循环的热力学完善程度更有利于提高联合循环的全工况性能,对于底循环无需追求高参数;并且对于同一燃气透平入口温度,如果设计工况下联合效率较高则在全工况条件下效率也较高。因此,对于追出功的地区可以按照最佳比功来选择设计压比,然而对常参与调峰的机组可以选择压气机设计压比较高的机组。并且对于同一燃气透平入口温度,如果设计工况下联合循环效率较高则在全工况条件下效率也较高。因此,对于追求大出功的地区可以按照最佳比功来选择设计压比,然而对于经常参与调峰的机组可以选择压气机设计压比较高的机组。     

中小型燃气–蒸汽联合循环系统的部分回热调控方法

现代中小型燃气轮机相对具有较高的透平排气温度,而与之相匹配的底循环通常为单压或双压蒸汽动力系统,难以实现透平排气的高效、灵活热功转换。为提升该类燃气–蒸汽联合循环供能系统高效灵活性,提出回热可调控的燃气轮机联合循环系统(recuperative control,GTCC-RC),在全工况范围调节顶、底循环功比。以50MW级燃气轮机为例,以常规燃气-蒸汽联合循环系统为基准,设计GTCC-RC系统,并从?损失和热效率的角度进行全工况性能分析,提出系统的全工况最佳调控策略。案例研究表明：GTCC-RC提升了燃气轮机?效率。随着回热比例增加,燃料输入量减少。回热调控提升了案例联合循环系统的热效率和灵活性。与没有回热的基准系统相比,GTCC-RC系统调峰深度增加6.51%,联合循环热效率相对提升达6.47%。     

超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环参数优化

针对一级再热超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环建立循环热力学模型,分析循环关键参数对循环热效率的影响。结果表明:最佳再热压力的最佳值约为第一级透平的0.5倍;在给定条件下,使压缩机入口参数接近于临界值、减小夹点温差、提高透平入口温度、提高压缩机效率和透平效率都可以提高循环热效率;透平效率对循环热效率的影响大于压缩机效率对循环热效率的影响。     

基于联合冷却计算模型的9HA.02燃气轮机冷却空气量预测及参数分析EI北大核心CSCD

采用集成零维半经验模型和准一维模型的联合冷却计算模型对GE公司最新型的9HA.02燃气轮机透平一级静叶进行计算,并回带到准一维模型中进行验证和关键参数校核,以减少经验参数选取带来的不确定性。然后进行参数分析,获得9HA.02燃气轮机的冷却技术水平参数Z和叶片统一温度Tbu以及给定主燃气入口温度条件下单个叶片排的冷却空气量的取值,并与计算得到的PG9351FA燃气轮机的冷却参数进行对比。由于9HA.02燃气轮机透平一级静叶采用新型定向凝固单晶合金材料,推算得到透平一级静叶和冷却透平段叶片最高容许温度差值达200℃,一级静叶的叶片最高容许温度为1090℃,相比于F级燃气轮机大幅提高。计算结果表明,H级燃气轮机冷却技术水平较F级燃气轮机明显提升;9HA.02燃气轮机透平的一级静叶冷却空气约占总冷却空气的1/4,明显低于F级燃气轮机的1/3。     

9F级燃气-蒸汽联合循环机组总体性能优化

目前,燃用天然气的9F级燃气-蒸汽联合循环电厂发电成本较高,竞争力不强。可通过优化机组的总体性能,以获得更高的出力与效率,从而提高该类型电厂的竞争力。可对联合循环机组的进气系统优化、主机参数匹配优化、汽机冷端优化。主机参数匹配优化包括余热锅炉的热端温差、窄点温差、接近点温差、气侧阻力、排烟温度及余热锅炉的受热面、出口蒸汽压力、温度等参数进行优化。汽机冷端的优化如降低汽机排气背压,能有效提高汽机出力。     

重型燃气轮机简单循环燃烧试验

目前,亟需对燃气轮机机组燃烧过程进行有效控制和优化以控制NO_x排放。本文以德国西门子SGT5-4000F(4)重型燃气轮机为研究对象,考察了简单循环燃烧过程中不同燃气轮机负荷下空气系统、燃料系统、燃烧系统和排气系统各参数对NO_x排放的影响规律。结果表明:压气机压比、进口可调导叶(IGV)阀位、燃烧室差压随燃气轮机负荷变化呈特定线性变化关系,值班气流量和透平排气温度是影响NO_x排放的重要参数;当燃气轮机负荷低于110 MW时,NO_x排放质量浓度随负荷增加而增加;当负荷高于110 MW时,NO_x排放质量浓度随负荷增加迅速降至最低值后逐渐增加至趋于不变。     

SGT-800和6F.01联合循环机组热力性能分析

针对小容量F级燃气蒸汽联合循环机组朗肯循环效率较低问题,以SGT-800和6F.01联合循环机组为研究对象,对热力性能进行比较和分析。计算表明,SGT-800机组存在最佳主蒸汽压力点。在计算边界条件下其值约为14.5 MPa,此时朗肯循环效率可提升至32.801%。6F.01机组燃气轮机排烟热能品位较高,朗肯循环效率提升潜力更大。将主蒸汽参数由8.086 MPa/565℃提高16.2 MPa/585℃,朗肯循环效率可提升至33.745%。研究成果可为类似容量机组主蒸汽参数优化提供参考。     

联合循环机组中燃气轮机部件劣化对功率效率的敏感性分析EI北大核心CSCD

我国以市场换技术方式引进的F级燃气轮机,运行多年后其部件劣化不可避免。以机组现场运行数据为基础,应用回归分析法建立了燃气轮机的运行特性模型,并结合三压再热余热锅炉模型,研究了不同IGV开度下压气机劣化和透平劣化对联合循环机组功率、效率影响规律,以及对劣化所带来的影响提出了应对措施。以MPCP1-M701F联合循环机组为研究对象,分析表明:在相同IGV开度下,功率、效率的变化与部件劣化程度基本呈线性关系,透平劣化对功率、效率的影响大约是压气机的3倍;随着IGV开度的减小,功率对2种部件劣化的敏感性因子都呈下降趋势,效率对压气机劣化的敏感性因子呈上升趋势,但是对透平劣化的敏感性因子呈下降趋势。为弥补部件劣化带来的联合循环功率、效率下降,提出了调整IGV开度和改变透平排气温控线的方法来改善劣化工况,分析结果为挖掘机组的节能潜力提供参考。     

大型燃气轮机冷却空气量分配及透平膨胀功计算方法研究

根据大型发电燃气轮机的结构和性能信息。利用ASHN软件建立了较详细的系统及部件的热力计算模型。对其冷却空气参数及其分配规律进行了推测；以逐级计算冷却空气做功的详细计算方法为基准，在透平压比及排气温度相同的条件下，对使用两种透平进口温度计算透平膨胀功的简化方法进行了比较和分析，展示了不同计算方法得出的功率和效率存在差别的原因；分析结果证明，两种由透平初温计算透平膨胀功的方法对功率的计算结果相似，但根据ISO方法定义的透平进口温度透平膨胀功，相应效率的值更接近透平的级等熵效率，效率意义明确，是一种较理想的简便计算方法。     

燃气–蒸汽联合循环余热锅炉滑压运行

联合循环机组在运行过程中会偏离设计条件,如燃气轮机排气温度升高、燃气轮机排气流量变化等,但汽轮机依旧按原既定的滑压曲线方式运行,实际运行时偏离最佳的参数匹配。对此,采用MATLAB建立余热锅炉–汽轮机的仿真计算模型,优化得到余热锅炉–汽轮机的滑压参数,比较燃气轮机不同排气条件下余热锅炉最佳滑压曲线的变化情况。结果表明:当燃气轮机效率下降,机组按控制燃气轮机排气温度方式运行时,余热锅炉最佳滑压曲线上移;同时,燃气轮机效率下降导致排气流量上升,使得汽轮机出力升高,在一定程度上减小了燃气轮机效率下降对联合循环机组出力下降的影响。     

分布式燃气–蒸汽联合循环供能系统热经济性分析

动力循环参数热力学分析是系统参数配置、系统设计及变工况分析的基础。以既有典型航改型、工业型和114MW容量以下的燃气轮机构成的分布式燃气?蒸汽联合循环供能系统为研究对象,结合实际联合循环装置的设计参数,获得余热锅炉?汽轮机发电效率与透平排气温度之间的经验耦合;提出适合分布式燃气?蒸汽联合循环供能系统的热经济分析参数和分析模型;基于循环分析和热分析的方法获得系统诸设计参数对供能系统设计性能的影响规律。研究表明:引入抽汽做功不足单位系数的概念,可获得综合热效率的简明且物理意义清晰的表达式;当设计热电比及供热参数一定时,综合热效率最佳压比可认为与联合循环效率最佳压比相等;供热/冷蒸汽品位越低,则供能系统综合热效率越高;分布式燃气?蒸汽联合循环供能系统电价期望值高,提高燃气透平进气温度是改善供能系统热经济性的重要方向。研究可作为系统变工况性能分析及电/热/冷价与天然气价格联动机制的工作基础。     

整体煤气化联合循环系统变工况特性研究

采用ThermoFlex软件建立了200 MW级整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle,IGCC)系统模型,从系统的角度出发计算研究了200 MW级IGCC系统的变工况特性。详细讨论了燃气轮机负荷、大气环境条件和整体空分系数对系统性能的影响。结果表明,燃气轮机采用压气机进口可转导叶角度调节–等燃气透平初温的调节方式降负荷时,燃气透平排气温度先增加后降低,而系统效率先缓慢降低后快速降低。随大气温度增加,燃气轮机功率、汽轮机功率和系统净功率均下降。在大气温度不变的条件下,大气压力对燃气轮机效率和系统净效率基本没有影响。增加整体空分系数可提高系统净效率,却使系统净功率降低。     

PG 9351FA燃气-蒸汽联合循环机组性能劣化研究

为定量分析燃气-蒸汽联合循环机组性能劣化程度,提出机组在不同负荷下的性能-时间劣化研究模型。基于PG 9351FA型联合循环机组历史运行数据,利用GA-BP神经网络建立各年份燃气轮机效率及联合循环效率预测模型。在THERMOFLEX仿真软件中建立联合循环全工况物理模型,研究压气机和透平不同劣化程度对系统性能的影响。结果表明:基于数据驱动的系统效率预测模型的测试集相对误差均在3.5%以内,且相关系数R值均高于0.9,模型泛化能力较好;同一负荷下燃气轮机效率和联合循环效率逐年降低,机组A级检修对其高负荷工况下的效率有较明显恢复;透平劣化对机组性能的影响大致为压气机劣化的2倍。本文工作可为劣化机理的研究提供理论指导,具有工程应用价值。     

重型燃气轮机联合循环机组掺氢燃烧发电模型及变负荷研究

对F级重型燃气轮机联合循环机组掺氢发电的基础运行特性建立数学模型,使用Python计算预测在不同掺氢比（质量比0~20%）下机组的效率、功率和燃气温度以及二氧化碳排放。然后将数学模型与Thermoflow软件物理模型的结果以及实际机组运行数据做变工况对比验证。研究结果表明:当调节空气流量保持透平进气温度不变时,掺氢比从0增大到20%,燃气轮机效率从37.14%升高到37.65%,相对升高1.37%,空气的化学当量比从2.48增大到2.63;100%、75%、50%负荷率下燃气轮机出力随掺氢比从0增大到20%分别相对升高1.40%、1.44%和1.35%。在100%负荷率下掺氢比从0增大到5%和10%,燃气轮机联合循环的输出功率分别升高0.10%和0.16%,燃气轮机和余热锅炉的排烟温度略升。随着掺氢比的增加,烟气中二氧化碳的含量显著减小。该结论可为氢气作为可再生能源的天然气联合循环发电机组效能的监测和调节提供参考。     

H型燃机造价与经济性分析

H级燃气轮机是目前世界上功率最高、效率最高的燃气轮机,其燃气-蒸汽联合循环机组整体效率可超过60%,远高于其他形式的火力发电机组和其他型号的联合循环机组。本文选择目前国内应用较为成熟的9F燃机与H级燃机进行高效联合循环机组造价及经济评价对比研究,为有关项目决策与建设给出参考。通过造价对比可知,同期建设两台燃气-蒸汽联合循环机组,H型较F型燃机造价上高约6.5亿元,其中约5亿元的增加投资来自热力系统,占比达到77%;就单位造价而言,H型与F型造价较为接近,且后续H型有较为明显的下降空间。经济评价方面,H级联合循环机组项目经营期平均上网电价更低,有关经济指标更有竞争力。     

燃气轮机/超临界二氧化碳联合循环余热利用及动态特性分析

超临界二氧化碳(S-CO₂)循环具有透平尺寸小、压缩机功耗小、循环效率高等诸多优势。为了探究S-CO₂循环耦合燃气轮机发电系统后发电效率最高的循环配置，提出了4种循环布局；并通过遗传算法以循环效率最高为优化目标，对循环系统的主要参数进行优化；对该方案进行动态系统分析，以底部循环输入热负荷为扰动变量，探究从满负荷分别阶跃降低到90%负荷、80%负荷和70%负荷后系统的动态响应情况。结果表明：4种方案中燃气轮机/两透平S-CO₂联合循环系统循环效率最高，为44.87%；烟气换热器附近参数响应时间比较快，而由于热惯性的影响在工质流程中离烟气换热器越远响应时间越长；且在同一位置，压力的响应时间略长于温度的响应时间，高温透平附近参数的下降幅度大于低温透平。     

微型湿空气透平循环性能实验研究

湿空气透平循环是新型动力循环的重要发展方向之一。基于某微型燃气轮机,构建微型湿空气透平(humid airturbine,HAT)循环原型实验系统,研究了满负荷和部分负荷下HAT循环的热力性能和NOx排放性能,分析后冷器对循环性能的影响。结果表明,相比回热循环微燃机,满负荷时微型HAT循环发电功率提高约23%,发电效率提高约18%,且随负荷降低,发电效率的相对增加值提高;各负荷下微型HAT循环NOx排放降低30%以上。同时实验还证实对于微型HAT循环,有、无后冷器时循环热力性能相当。