11燃气-蒸汽联合循环发电设备的变工况运行
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§15.3 联合循环变工况运行特性
目前，为了提高部分负载工况下联合循环的 效率，可以采取以下几项措施：
一、压气机可调静叶
在燃气轮机中的压气机，现广泛采用可调静叶来 改善其性能。对于单轴燃气轮机，可调静叶主要 用来改善机组的启动性能，且大多采用可调IGV， 用这种燃气轮机来组成联合循环时，还能用它来 改善联合循环在部分负载时的效率。
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
喘振边界 零功率线 熄火极限 平衡运行线
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
由于 压气机不允许在喘振区运行 受高温零件材料耐温的限制， 受转动部件离心应力的限制 机组不能在零功率线以下平衡运行 由此就形成了单轴燃气轮机的平衡运行 区，简称运行区。
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* 提高机组透平入口静温 T30 ，不仅能提高机组效 率 0 ，而且能使部分负载下效率的下降适当变慢， 并改善低负载条件下的经济性。
原因：
* 一般机组再提高 T30 的同时， 0 虽在提高，但 0 与 max0 的差值在变大，使得相应于 max0 的功率在 下降，从而使得机组效率的下降有所减缓，改善了 低工况下的经济性。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
有的单轴燃气轮机中压气机不仅IGV可调，且 前几级静叶也同时可调， 与仅IGV可调的相比较，多级可调静叶可减轻 调节静叶时对压气机效率的影响，从而扩大 了对空气流量的调节范围。 例如，当1台单轴燃气轮机的压气机IGV与前3 级静叶可调时，空气流量可减至额定值的70 ％，而仅压气机IGV可调的机组，空气流量一 般只降至额定值的80%，故压气机采用多级可 调静叶能更多地和在更大范围内改善联合循 环在部分负载下的效率，使部分负载工况下 的效率曲线能够变化得比较平缓。
滑压运行过程中，从满负载工况到50%负载工况附 近，联合循环的功率比PST/PGT线性随负载的降低而 变小，此后，功率比将保持恒定不变。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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§15.3 联合循环变工况运行特性
燃气轮机及其联合循环的效 率曲线是极其相似的。 但在每一个相应的工况下， 联合循环的效率大约要比燃 气轮机的效率高出50％左右 当负载降低至 50 ％以下时， 无论是联合循环还是燃气轮 机简单循环，机组的效率将 大幅度地下降。 一般来说，在 50 ％负载工况 时，机组的效率尚能维持为 设计值的75％－80％左右。
GE公司的工业型燃气轮机的压气机都有可调角度的进口导叶， 在停机时进口导叶的角度为34°。当机组启动加速到额定转 速的87％时，进口导叶的角度增加到57o，在机组并网且带80 ％的额定负载后，进口导叶将全部打开而处于84°的状态。 一般来说，当联合循环的负载在100%－80％额定负载范围内 变化时，可以使进口导叶的角度由84°状态逐渐向57°状态 关小，在这个过程中力求透平前的燃气初温恒定不变，以求 获得比较平缓的效率曲线。但是必须注意：当机组的负载低 于80％后（相应的角度为57°），就不宜再继续关小进口导 叶来保持燃气初温恒定不变了，否则，会由于压气机的压缩 比降得较低，致使透平的排气温度升得过高，而使透平的末 级叶片过热。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
1 ） 余热锅炉产汽量随燃气轮机排气流量和温 度的升高而增加，因为排气中可回收热量增加。 余热锅炉出口过热蒸汽的温度随燃气轮机排气 流量的减小和排气温度的升高而上升。余热锅 炉出口过热蒸汽温度主要随烟气温度高低而变， 受烟气流量和饱和蒸汽压力的影响较小。
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
每一条等Gf线上有 一个最高点，它是 在该Gf下输出功率 最大的、效率最高 的工况点。将各等 Gf线上的最高点连 接起来，就得到了 在变负载下最经济 的运行线，此即最 佳工况。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
3）烟气流量对余热锅炉效率的影响不大，部 分负载时常略有上升，这是由于传热系数的 变化率小于流量的变化率，且排烟温度随烟 气流量减小而降低。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
联合循环中蒸汽循环 运行方式一般为滑压 运行。因为余热锅炉 出口蒸汽温度受燃气 轮机排气温度制约， 在部分负载时可能降 至300－400℃。滑压 运行时，低负载的进 气压力也不宜过低， 要维持一个合适的最 低压力限值Psmin。
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联合循环发电设备的变工况运行
在燃气轮机循环的计算中，大气温度取为定值。 但大气温度却是经常变化的，由此而引起压气 机进口空气状态的变化，使燃气轮机偏离设计 工况，成为导致燃气轮机在变工况下工作的另 一个重要因素。大气压力也是变化的，这也使 得燃气轮机在变工况下工作。 当燃气轮机部件性能变化后也处于变工况下工 作。例如，压气机或透平叶片在磨损或积垢后， 性能恶化，效率降低，导致机组的性能发生变 化，这也是属于变工况的范畴。
§15.3 联合循环变工况运行特性
燃气一蒸汽联合循环的供电效率主要取 决于燃气轮机的效率，我们不仅希望联 合循环在设计工况下具有很高的效率， 而且期望它在部分负载工况下，也必须 具有尽可能高的效率。
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汽轮机按滑压条件运行，从满负载工况到50%负载 工况附近，主蒸汽压力随负载的降低而线性减小。 低于50%区域主蒸汽压力几乎保持不变。 主蒸汽温度在整个负载变化范围内始终随负载的降 低而线性变小。这样可以避免低负载工况下蒸汽湿 度过大，有利于提高汽轮机效率和工作安全性。
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对于简单循环单轴机组： 一般是
0 max0
max
下降慢 功率降低时先是 和
由于T3*下降快而下降快
max
相靠近，相等之后变为
max
适当减缓了燃机效率下降的速度。但低负载工况条 件下由于偏离最佳工况较远，经济性较差，反映在 空载条件下燃料流量很大。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
相对产汽量
过热蒸汽温度
余热回收率
节点温差
接近点温差
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节点温差：也称窄点温差，指换热过程中蒸发器出 口烟气与被加热的饱和水汽之间的最小温差，通常 发生在余热锅炉T-Q图中最窄的部位。 接近点温差：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。
第二章 燃气－蒸汽联合循环发电设备的
变工况运行
2007-09
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联合循环发电设备的变工况运行
燃气一蒸汽联合循环发电机组在运行中，若其 进、排气（汽）参数、流量、转速和功率等都 与热力设计时作为依据的数值相等，这种工况 称为设计工况。 由于电网所需的负载随着外界需求的变化而变 化，使得燃气轮机和联合循环发电机组的输出 功率随之而变，这是导致机组在变工况下工作 的一个重要原因。因此，燃气轮机是经常在变 工况下工作的，它的各个参数，如输出功率、 燃气初温、压比、空气流量、转速、燃料流量 和机组效率等都不是固定不变的，而是随着外 界对功率的需求情况在变化。
其次是空气流量G随着PGT的降 低略有增加。通常可将燃气 轮机的G视为不变来进行分析。
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二、燃气轮机带动发电机时的性能
T3*随PGT降低而 下降较快，且大 体呈直线状。这 是由于机组的G 不变。 ηGT在部分负载 下，随T3*下降比 较快，对于机组 的经济性不利。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
2 ）燃气轮机排气流量的变化对接近点温差 △ Ta 的影响不大，但△ Ta值却随燃气轮机排 气温度的下降而明显地减小，这正是与单轴 燃气轮机匹配的余热锅炉在大气温度较低时 以及在启动和低负载工况下，省煤器容易发 生汽化的原因。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
单压余热锅炉滑压运行变工况性能：
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燃气－蒸汽联合循环发电设备的变工况运行
燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的 影响 燃气轮机性能老化的影响
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燃气－蒸汽联合循环发电设备的变工况运行
燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的 影响 燃气轮机性能老化的影响
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
在燃气一蒸汽联合循环中，燃气轮机负载、排气 温度和流量都发生着很大的变化。余热锅炉热力 特性也随之变动，其产汽量、蒸汽温度和压力等 都会发生变化。
10
燃气轮机设计工况点不在最佳工况线上的原因： 现有简单循环燃气轮机设计时所选择压比由于受压 气机设计和运行等因素限制，一般比相应于设计工 * 况下透平入口静温 T30 对应最高效率处的压比 max 。
* T C 例如： 30 1104
max 24
0 12
燃机运行点沿等燃料线 Gf0 从设计点向右边移动时， 转速升高，压比增加而接近于最佳压比，尽管这时 透平入口温度有所下降，但燃机效率仍有所提高。
而蒸汽侧的热力参数通常要求比较稳定，即使是 滑压运行，变动量也不是很大的； 工程上和热力学上的约束：省煤器不能出现汽化 现象，排烟温度不能低于露点等。
启停过程中燃气侧热力变化也很大。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
变工况过程余热锅炉燃气和蒸汽两侧热 力变化的不协调就构成它的又一个热力 特点。 与结构特性相关的热力特性：燃气轮机 热惯性比较小，而余热锅炉的热惯性相 对大得多。 研究余热锅炉变工况特性显得格外重要。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
(二) 不同压气机进口导叶调节方案对性能影响的比较
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燃气－蒸汽联合循环发电设备的变工况运行
燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的影响 燃气轮机性能老化的影响
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
一、燃气轮机的性能曲线网 当压气机、燃烧室和燃气透平这三大部 件联合在一起工作时，根据压气机的通 用特性曲线和透平的通用特性曲线来确 定燃气轮机的联合运行性能曲线。 单轴燃气轮机的性能曲线网，通常是以 输出功率PGT为纵坐标，以工作转速n为 横坐标作图得到的，其中画有多条等 T3* 线和等燃料流量Gf线，它可通过变 工况计算或实验得到。
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二、燃气轮机带动发电机时的性能
电站燃气轮机负载的特点是 转速不随输出功率的大小而 变，始终在设计转速下运行， 即沿压气机的n＝n0线运行。 从图中可看出，在部分负载 下的运行点远离喘振边界， 喘振裕度增加，机组在整个 运行范围内（自空载至设计 工况）都能良好地运行。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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联合循环发电设备的变工况运行
其他的一些原因，如燃料的热值发生变化 等也使机组处于变工况下工作。燃气轮机 的变工况运行导致了余热锅炉－汽轮机跟 随发生工况变化。 鉴于上述，对一台燃气一蒸汽联合循环 发电机组除了解其设计工况下的性能外， 还必须对其变工况进行计算和分析，以全 面了解和掌握其性能。对各种变工况性能 的分析和研究，以及各种因素对变工况性 能的影响，就构成了本章要讨论的变工况 内容。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
目前，为了提高部分负载工况下联合循环的 效率，可以采取以下几项措施：
一、压气机可调静叶
在燃气轮机中的压气机，现广泛采用可调静叶来 改善其性能。对于单轴燃气轮机，可调静叶主要 用来改善机组的启动性能，且大多采用可调IGV， 用这种燃气轮机来组成联合循环时，还能用它来 改善联合循环在部分负载时的效率。
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
喘振边界 零功率线 熄火极限 平衡运行线
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
由于 压气机不允许在喘振区运行 受高温零件材料耐温的限制， 受转动部件离心应力的限制 机组不能在零功率线以下平衡运行 由此就形成了单轴燃气轮机的平衡运行 区，简称运行区。
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* 提高机组透平入口静温 T30 ，不仅能提高机组效 率 0 ，而且能使部分负载下效率的下降适当变慢， 并改善低负载条件下的经济性。
原因：
* 一般机组再提高 T30 的同时， 0 虽在提高，但 0 与 max0 的差值在变大，使得相应于 max0 的功率在 下降，从而使得机组效率的下降有所减缓，改善了 低工况下的经济性。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
有的单轴燃气轮机中压气机不仅IGV可调，且 前几级静叶也同时可调， 与仅IGV可调的相比较，多级可调静叶可减轻 调节静叶时对压气机效率的影响，从而扩大 了对空气流量的调节范围。 例如，当1台单轴燃气轮机的压气机IGV与前3 级静叶可调时，空气流量可减至额定值的70 ％，而仅压气机IGV可调的机组，空气流量一 般只降至额定值的80%，故压气机采用多级可 调静叶能更多地和在更大范围内改善联合循 环在部分负载下的效率，使部分负载工况下 的效率曲线能够变化得比较平缓。
滑压运行过程中，从满负载工况到50%负载工况附 近，联合循环的功率比PST/PGT线性随负载的降低而 变小，此后，功率比将保持恒定不变。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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§15.3 联合循环变工况运行特性
燃气轮机及其联合循环的效 率曲线是极其相似的。 但在每一个相应的工况下， 联合循环的效率大约要比燃 气轮机的效率高出50％左右 当负载降低至 50 ％以下时， 无论是联合循环还是燃气轮 机简单循环，机组的效率将 大幅度地下降。 一般来说，在 50 ％负载工况 时，机组的效率尚能维持为 设计值的75％－80％左右。
GE公司的工业型燃气轮机的压气机都有可调角度的进口导叶， 在停机时进口导叶的角度为34°。当机组启动加速到额定转 速的87％时，进口导叶的角度增加到57o，在机组并网且带80 ％的额定负载后，进口导叶将全部打开而处于84°的状态。 一般来说，当联合循环的负载在100%－80％额定负载范围内 变化时，可以使进口导叶的角度由84°状态逐渐向57°状态 关小，在这个过程中力求透平前的燃气初温恒定不变，以求 获得比较平缓的效率曲线。但是必须注意：当机组的负载低 于80％后（相应的角度为57°），就不宜再继续关小进口导 叶来保持燃气初温恒定不变了，否则，会由于压气机的压缩 比降得较低，致使透平的排气温度升得过高，而使透平的末 级叶片过热。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
1 ） 余热锅炉产汽量随燃气轮机排气流量和温 度的升高而增加，因为排气中可回收热量增加。 余热锅炉出口过热蒸汽的温度随燃气轮机排气 流量的减小和排气温度的升高而上升。余热锅 炉出口过热蒸汽温度主要随烟气温度高低而变， 受烟气流量和饱和蒸汽压力的影响较小。
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
每一条等Gf线上有 一个最高点，它是 在该Gf下输出功率 最大的、效率最高 的工况点。将各等 Gf线上的最高点连 接起来，就得到了 在变负载下最经济 的运行线，此即最 佳工况。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
3）烟气流量对余热锅炉效率的影响不大，部 分负载时常略有上升，这是由于传热系数的 变化率小于流量的变化率，且排烟温度随烟 气流量减小而降低。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
联合循环中蒸汽循环 运行方式一般为滑压 运行。因为余热锅炉 出口蒸汽温度受燃气 轮机排气温度制约， 在部分负载时可能降 至300－400℃。滑压 运行时，低负载的进 气压力也不宜过低， 要维持一个合适的最 低压力限值Psmin。
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联合循环发电设备的变工况运行
在燃气轮机循环的计算中，大气温度取为定值。 但大气温度却是经常变化的，由此而引起压气 机进口空气状态的变化，使燃气轮机偏离设计 工况，成为导致燃气轮机在变工况下工作的另 一个重要因素。大气压力也是变化的，这也使 得燃气轮机在变工况下工作。 当燃气轮机部件性能变化后也处于变工况下工 作。例如，压气机或透平叶片在磨损或积垢后， 性能恶化，效率降低，导致机组的性能发生变 化，这也是属于变工况的范畴。
§15.3 联合循环变工况运行特性
燃气一蒸汽联合循环的供电效率主要取 决于燃气轮机的效率，我们不仅希望联 合循环在设计工况下具有很高的效率， 而且期望它在部分负载工况下，也必须 具有尽可能高的效率。
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汽轮机按滑压条件运行，从满负载工况到50%负载 工况附近，主蒸汽压力随负载的降低而线性减小。 低于50%区域主蒸汽压力几乎保持不变。 主蒸汽温度在整个负载变化范围内始终随负载的降 低而线性变小。这样可以避免低负载工况下蒸汽湿 度过大，有利于提高汽轮机效率和工作安全性。
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对于简单循环单轴机组： 一般是
0 max0
max
下降慢 功率降低时先是 和
由于T3*下降快而下降快
max
相靠近，相等之后变为
max
适当减缓了燃机效率下降的速度。但低负载工况条 件下由于偏离最佳工况较远，经济性较差，反映在 空载条件下燃料流量很大。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
相对产汽量
过热蒸汽温度
余热回收率
节点温差
接近点温差
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节点温差：也称窄点温差，指换热过程中蒸发器出 口烟气与被加热的饱和水汽之间的最小温差，通常 发生在余热锅炉T-Q图中最窄的部位。 接近点温差：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。
第二章 燃气－蒸汽联合循环发电设备的
变工况运行
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联合循环发电设备的变工况运行
燃气一蒸汽联合循环发电机组在运行中，若其 进、排气（汽）参数、流量、转速和功率等都 与热力设计时作为依据的数值相等，这种工况 称为设计工况。 由于电网所需的负载随着外界需求的变化而变 化，使得燃气轮机和联合循环发电机组的输出 功率随之而变，这是导致机组在变工况下工作 的一个重要原因。因此，燃气轮机是经常在变 工况下工作的，它的各个参数，如输出功率、 燃气初温、压比、空气流量、转速、燃料流量 和机组效率等都不是固定不变的，而是随着外 界对功率的需求情况在变化。
其次是空气流量G随着PGT的降 低略有增加。通常可将燃气 轮机的G视为不变来进行分析。
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二、燃气轮机带动发电机时的性能
T3*随PGT降低而 下降较快，且大 体呈直线状。这 是由于机组的G 不变。 ηGT在部分负载 下，随T3*下降比 较快，对于机组 的经济性不利。
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2 ）燃气轮机排气流量的变化对接近点温差 △ Ta 的影响不大，但△ Ta值却随燃气轮机排 气温度的下降而明显地减小，这正是与单轴 燃气轮机匹配的余热锅炉在大气温度较低时 以及在启动和低负载工况下，省煤器容易发 生汽化的原因。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
单压余热锅炉滑压运行变工况性能：
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燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的 影响 燃气轮机性能老化的影响
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燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的 影响 燃气轮机性能老化的影响
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
在燃气一蒸汽联合循环中，燃气轮机负载、排气 温度和流量都发生着很大的变化。余热锅炉热力 特性也随之变动，其产汽量、蒸汽温度和压力等 都会发生变化。
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燃气轮机设计工况点不在最佳工况线上的原因： 现有简单循环燃气轮机设计时所选择压比由于受压 气机设计和运行等因素限制，一般比相应于设计工 * 况下透平入口静温 T30 对应最高效率处的压比 max 。
* T C 例如： 30 1104
max 24
0 12
燃机运行点沿等燃料线 Gf0 从设计点向右边移动时， 转速升高，压比增加而接近于最佳压比，尽管这时 透平入口温度有所下降，但燃机效率仍有所提高。
而蒸汽侧的热力参数通常要求比较稳定，即使是 滑压运行，变动量也不是很大的； 工程上和热力学上的约束：省煤器不能出现汽化 现象，排烟温度不能低于露点等。
启停过程中燃气侧热力变化也很大。
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§15.2 余热锅炉的变工况运行
变工况过程余热锅炉燃气和蒸汽两侧热 力变化的不协调就构成它的又一个热力 特点。 与结构特性相关的热力特性：燃气轮机 热惯性比较小，而余热锅炉的热惯性相 对大得多。 研究余热锅炉变工况特性显得格外重要。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
(二) 不同压气机进口导叶调节方案对性能影响的比较
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燃气－蒸汽联合循环发电设备的变工况运行
燃气轮机的变工况运行 余热锅炉的变工况运行 联合循环变工况运行特性 环境参数变化对联合循环性能的影响 燃气轮机性能老化的影响
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§15.1 燃气轮机的变工况运行
一、燃气轮机的性能曲线网 当压气机、燃烧室和燃气透平这三大部 件联合在一起工作时，根据压气机的通 用特性曲线和透平的通用特性曲线来确 定燃气轮机的联合运行性能曲线。 单轴燃气轮机的性能曲线网，通常是以 输出功率PGT为纵坐标，以工作转速n为 横坐标作图得到的，其中画有多条等 T3* 线和等燃料流量Gf线，它可通过变 工况计算或实验得到。
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二、燃气轮机带动发电机时的性能
电站燃气轮机负载的特点是 转速不随输出功率的大小而 变，始终在设计转速下运行， 即沿压气机的n＝n0线运行。 从图中可看出，在部分负载 下的运行点远离喘振边界， 喘振裕度增加，机组在整个 运行范围内（自空载至设计 工况）都能良好地运行。
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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§15.3 联合循环变工况运行特性
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联合循环发电设备的变工况运行
其他的一些原因，如燃料的热值发生变化 等也使机组处于变工况下工作。燃气轮机 的变工况运行导致了余热锅炉－汽轮机跟 随发生工况变化。 鉴于上述，对一台燃气一蒸汽联合循环 发电机组除了解其设计工况下的性能外， 还必须对其变工况进行计算和分析，以全 面了解和掌握其性能。对各种变工况性能 的分析和研究，以及各种因素对变工况性 能的影响，就构成了本章要讨论的变工况 内容。