燃气—蒸汽联合循环机组变负荷运行特性分析

黄伟栋，苏明旭

（1.上海理工大学，上海200093；2.上海漕泾热电有限责任公司，上海201507）

0 引言

燃气轮机作为集新技术、新材料、新工艺于一身的新一代动力装置，被誉为装备制造业皇冠上的明珠，欧美等发达国家都将优先发展燃气轮机列为保障国家安全与能源安全的重大战略产业［1］。但是，由于能源政策、技术垄断等方面的原因，我国燃气轮机事业发展总体缓慢，在机组变工况特性方面的研究还有待完善［2］。燃气轮机及其联合循环机组是由布雷顿循环和朗肯循环构成的能源梯级利用系统［3］，联合循环机组的性能受燃气轮机运行特性影响较大。文献［4］，文献［5］采用Thermoflex 软件建立了某200 MW 级整体煤气化联合循环机组系统仿真模型，分析了底循环系统的变工况运行特性，文献［6］基于Apros 软件建立了PG9171E型燃气轮机仿真模型，分析了环境参数变化对燃气轮机性能的影响，但缺乏对联合循环机组系统关键运行参数的变负荷特性分析，因此有必要对联合循环机组变负荷运行特性进行进一步研究。

高级过程仿真软件（Advanced process simulation software，Apros）是由芬兰国家科学院与富腾公司联合研发的热力系统仿真建模软件［7-8］，其包含了丰富的热力过程基本模块库，采用该工具可以方便地建立对象机组的系统仿真模型，为工程技术人员研究系统运行特性提供了极大的便利。

1 模型建立及计算条件

为分析燃气—蒸汽联合循环机组的变负荷运行特性，采用Apros 软件建立了其系统仿真模型［9］，如图1所示。该系统由PG9171E 型燃气轮机、抽汽凝汽式汽轮机以及立式螺旋翅片管自然循环余热锅炉构成，其中燃气轮机包括17级轴流式压气机、燃烧室和3级透平，余热锅炉沿烟气流程方向依次布置各级换热器，用于将燃气轮机排气热量换热给凝结水产生高、低压两股蒸汽去汽轮机中做功，实现能源的梯级利用，机组的主要设计参数如表1所示。

表1 燃气轮机及其联合循环机组系统设计工况Table 1 On-design of combined cycle gas turbine system

图1 PG9171E型燃气—蒸汽联合循环机组Apros仿真模型Fig.1 PG9171E gas-steam combined cycle unit simulation model based on Apros

2 燃气轮机负荷率变化对联合循环机组性能的影响

2.1 负荷率对燃气轮机性能的影响

通常，燃气轮机负荷调节方式有3 种，分别为等IGV 调节、等透平初温调节和等排气温度调节［10］。图2给出了本文研究对象PG9171E型燃气轮机负荷率变化对压气机出口空气温度、压气机压比和透平进口初温的影响关系。

由图2 可知，在燃气轮机从满负荷开始降负荷过程中，压气机出口温度及压气机压比均呈逐渐下降趋势，而透平进口初温先略微上升后快速下降。这是由于当燃气轮机负荷率在100%至60%范围内变化时，机组采用等透平初温的方式调节机组负荷，在此过程中，压气机进口空气流量随着IGV 角度关小而逐渐降低，压比也随之降低。当燃气轮机负荷率进一步降低时，机组采用等排气温度的方式进行负荷调节，透平排气温度保持不变，此时IGV角度继续关小，而透平进口初温则逐渐减小。

图2 燃气轮机负荷率变化对压气机出口空气温度、压气机压比及透平进口初温的影响Fig.2 Influence of variable gas turbine load rate on compressor outlet air temperature,compressor pressure ratio and turbine inlet temperature

图3给出了燃气轮机负荷率变化对机组排气参数的影响规律，可见在PG9171E 型燃气轮机负荷率从100%下降到60%过程中，燃气轮机排气温度逐渐增加，而燃气轮机排气流量则呈下降趋势。这是由于采用等透平初温调节时，随着机组负荷率的不断下降，IGV角度逐渐关小，压气机进口空气流量随之减小，进而使得燃机排气流量也逐渐降低。此时若保证燃气透平初温基本不变，则透平的排气温度将逐渐增加，当燃气轮机负荷率降到60%时，透平排气温度将达到最大值。当燃气轮机负荷率降到40%时，则不再通过减小IGV 角度来适应燃气轮机负荷率的变化，而是直接降低进口天然气量来降低机组负荷。

图3 燃气轮机负荷率变化对燃机排气参数的影响Fig.3 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine exhaust parameters

2.2 负荷率对底循环系统性能的影响

燃气—蒸汽联合循环系统中的蒸汽轮机采用全周进汽滑压方式运行。因此在底循环系统蒸汽循环形式以及凝汽器运行压力确定的情况下，底循环性能完全取决于燃气轮机的排气参数［11］。

图4给出了燃气轮机负荷率对高压侧蒸汽参数的影响关系。可以看出，当燃气轮机负荷率由100%下降至60%时，高压主蒸汽温度逐渐上升，此后，随着燃气轮机负荷率的进一步下降，高压主蒸汽温度先缓慢下降后快速下降。当燃机负荷率为30%时，主蒸汽温度为552.6 ℃，仍高于设计工况下的参数值。此外，由图4可知，在燃气轮机负荷率下降的过程中，高压汽包压力和高压主蒸汽流量均呈先缓慢下降，后快速下降的变化规律。这是由于当燃气轮机负荷率大于40%时，主要通过IGV角度变化来适应机组负荷率的变化，该调节方式一方面使得燃气透平排气温度呈增大趋势，另一方面使得燃气轮机排气流量逐渐下降，综合两方面的影响，燃气轮机排气热量下降速度变缓，而在燃气轮机40%～30%负荷范围内，IGV 角度已关到最小值，此时燃气透平排气温度下降较快，燃气透平排气流量也呈缓慢下降趋势，最终导致高压侧热力参数快速下降。

图4 燃气轮机负荷率变化对高压侧蒸汽参数的影响Fig.4 Influence of variable gas turbine load rate on high-pressure side parameters of bottoming cycle system

图5给出了燃气轮机负荷率对底循环系统低压侧参数的影响。由图5 可见，低压蒸汽温度随燃气轮机负荷率的降低呈下降趋势，故低压过热器一般不存在超温的可能性，无需设置减温装置。此外，图5显示当燃气轮机负荷率由100%降至40%时，低压侧主要热力参数均下降较快，这是由于采用改变IGV 角度调节燃气轮机负荷时，烟气流量的快速降低导致低压汽包吸热量相对减小较快，故低压汽包压力及低压蒸汽流量均下降较快。在燃气轮机负荷率由40%降至30%过程中，低压蒸汽流量及低压汽包压力均波动不大。

图5 燃气轮机负荷率变化对低压侧蒸汽参数的影响Fig.5 Influence of variable gas turbine load rate on low-pressure side parameters of bottom cycle system

图6 给出了燃气轮机负荷率对底循环系统高、低压节点温差及接近点温差的影响关系。由图6 可见，在燃气轮机负荷率由100%下降到40%过程中，高、低压节点温差均呈下降趋势，而高、低压接近点温差均呈上升趋势，这是由于在该负荷率变化区间内，燃气轮机负荷调节方式使得燃机排气温度逐渐增加。随着燃气轮机负荷率进一步降低，底循环系统节点温差将逐渐增大，接近点温差也不断减小，这对机组的安全经济运行不利，故应尽量避免燃气轮机在低负荷条件下长时间运行。

图6 燃气轮机负荷率变化对节点温差、接近点温差的影响Fig.6 Influence of variable gas turbine load rate on node temperature difference and approach point temperature difference of bottom cycle system

图7给出了燃气轮机负荷率对底循环系统汽轮机功率以及余热锅炉效率的影响关系。可见在燃气轮机负荷率100%～40%范围内，随着燃气轮机负荷下降，余热锅炉效率逐渐提高，而汽轮机功率却逐渐降低。在燃气轮机负荷率低于40%时，余热锅炉效率及汽轮机功率均呈下降趋势［12-13］。随着燃气轮机负荷率的降低，燃气轮机排气热量逐渐减小，余热锅炉吸热量也随之降低，直接导致汽机侧输出功率的下降，而余热锅炉当量效率与燃气轮机排气温度直接相关，因此其变化趋势直接受燃气轮机排气温度的影响。

2.3 负荷率对联合循环机组性能的影响

图7 燃气轮机负荷率变化对余热锅炉效率和汽轮机功率的影响Fig.7 Influence of variable gas turbine load rate on efficiency of heat recovery steam generator and steam turbine power

图8 给出了燃气轮机负荷率对燃气轮机热耗率、汽轮机热耗率及联合循环热耗率的影响关系。由图8可见，随着燃气轮机负荷率的上升，燃气轮机热耗率及联合循环热耗率均呈下降趋势，而汽轮机热耗率则先下降后上升，因此燃气轮机负荷率越高，燃气—蒸汽联合循环机组的运行经济性越好。当燃气轮机负荷率由100%降至30%时，燃气轮机热耗率上升42%左右，联合循环热耗率上升18%左右，可见，采取等透平初温调节方式，有利于提升联合循环机组部分负荷工况的运行经济性。此外，图8 显示出在燃气轮机负荷率为60%时，汽轮机热耗率达最低值，这是由于高压主蒸汽温度在燃气轮机负荷率为60%时达最高值，而其他影响汽机热耗率的参数，如高压进汽流量及压力等值的波动不大。

图8 燃气轮机负荷率变化对燃机热耗率、汽机热耗率、联合循环热耗率的影响Fig.8 Influence of variable gas turbine load rate on gas turbine heat rate,turbine heat rate and combined cycle unit heat rate

3 结语

对于采取变IGV角度等透平初温调节方式运行的机组，随着燃气轮机负荷下降，燃气轮机排气温度呈先上升后下降趋势，燃气轮机排气流量逐渐降低；随着燃气轮机负荷逐渐降低，高压主蒸汽温度与燃气轮机排气温度变化趋势一致，低压蒸汽温度随燃气轮机负荷的降低而逐渐下降；随着燃气轮机负荷逐渐降低，高、低压节点温差呈逐渐下降趋势，高、低压接近点温差呈逐渐上升趋势，因此在燃气轮机低负荷运行时，更应关注省煤器系统运行的安全性。对于采取变IGV角度等透平初温调节方式的燃气轮机，有利于提升联合循环机组部分负荷工况运行的经济性。

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