不同运行方式对联合循环电站部分负荷性能的影响

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不同运行方式对联合循环电站

部分负荷性能的影响

李宇红1,张士杰2,刘祥源1,江　亿2

(11清华大学热能工程系,北京　100084;21清华大学建筑学院建筑技术科学系,北京　100084)

摘　要:计算并分析比较了不同调节方式对部分负荷运行时某燃气2蒸汽联合循环电站各个组成部分及总体性能的影响。

关　键　词:燃气2蒸汽联合循环;燃气轮机;部分负荷性能;热力计算

中图分类号:T K472+15 文献标识码:A 文章编号:1009-2889(2002)01-0049-05

1　引　言

由燃气轮机、余热锅炉和汽轮机组成的联合循环的特性是指机组在稳定工况下,也就是三个部件相互关联平衡运行时的装置总体性能。对于不补燃的燃气2蒸汽联合循环电站,燃气轮机的性能对整个电站起决定性作用。不同的燃气轮机部分负荷运行方式不仅关系到燃气轮机本身的工作特性,而且将大大影响其下游的余热锅炉和汽轮机以及整个电站运行的运行性能[1～3]。同样,汽轮机采用定压还是滑压运行对余热锅炉运行特性以至整个机组在部分负荷下的出力和效率都有重要影响[4]

文章以美国GE公司PG6541B型燃气轮机构成的S106B型无补燃,蒸汽系统为三压、无再热的燃气2蒸汽联合循环电站为研究对象,从总能系统和变工况的角度,考察不同的燃气轮机和汽轮机运行方式对各个组成部分及电站总体性能的影响。这些运行方式包括改变燃气轮机燃料流量、调节压气机可转导叶等不同的燃气轮机调控方案和汽轮机定压运行和滑压运行等两种不同运行模式。

2　循环方案和热力平衡模型

211　联合循环设计工况计算

S106B型燃气2蒸汽联合循环电站主要由燃气轮机发电机组、余热锅炉、蒸汽轮机发电机组及相关的辅机构成。

燃气轮机发电机组PG6541B为单轴、重型、户外快装式,燃料为天然气(低位发热值47451kJ kg)。在ISO条件下(压气机入口空气条件:温度15℃,相对湿度60%,大气压力11013bar),发电输出端功率为37194MW,热耗率为11708kJ (k W・h)。

余热锅炉为无补燃的三压无补燃卧式自然循环锅炉。余热锅炉的流程布置简图如图1所示。其中,主蒸汽流程中的省煤器按工质温度不同分成两段。按GE公司建议的三压循环系统的蒸汽参数规范[5],给定主蒸汽和中、低压蒸汽的压力和温度:即主蒸汽5185M Pa 538℃,中压蒸汽0169M Pa 270℃,低压蒸汽0117M Pa 160℃。过热器和省煤器中的工质压力损失系数取为0104,所有过热器,省煤器和蒸发器的能量损失系数为0101。锅炉排污率为2%,分别在三个锅筒中完成。主、中压和低压蒸发器的设计节点温差都给定为13℃,高温段主蒸汽省煤器、中压和低压省煤器出口的接近点温差分别取为15℃、12℃和20℃。燃气轮机排气在余热锅炉中的压力降取为317kPa。燃气轮机排气在与余热锅炉的联结管道中的温降为2℃。

蒸汽轮机为带有两次补汽的凝汽式汽轮机,分高、中、低压分段设计。主蒸汽进入高压段汽轮机入口,余热锅炉产生的中压蒸汽与高压段出口蒸汽汇合进入汽轮机中压段,余热锅炉产生的低压蒸汽与中压段汽轮机出口蒸汽汇合进入汽轮机低压段。高、

第15卷　第1期2002年3月　《燃　气　轮　机　技　术》

GAS TURB I NE TECHNOLOG Y

V o l115　N o.1

　M ar.,2002

Ξ收稿日期:2001211227

基金项目:国家重点基础研究专项经费(N o.G1999022304)

中、低压段汽轮机效率根据蒸汽初、终参数的关系,由文献[6]给出的关系式分别算出。主蒸汽在过热器出口和汽轮机入口段管道中的温度降设为15℃,中压和低压蒸汽在相应联结管道中的温度降设为10℃和5℃,所有这三段管道中的相对压力降都取为5%。低压段汽轮机出口蒸汽进入凝汽器,锅炉补给水也进入凝汽器,在凝汽器中进行除氧,凝汽器工作压力为4kPa 。所有泵的等熵绝热效率都取为018

。

图1　蒸汽系统流程布置简图

根据以上设计参数进气燃气2蒸汽联合循环设计工况热力特性计算。在燃机满负荷和ISO 条件下,联合循环净总功率为59175MW ,其中燃气轮机和汽轮机功率分别为37158MW 和22117MW 。联合循环总效率48164%,热耗率为740015kJ (k W ・h )。主、中压和低压蒸汽流量分别为60123t h ,12194t

h 和2149t h ,高、中、低压段汽轮机效率分别为85%、90%和84%。余热锅炉排烟温度为87℃,补给

水量为1154t h 。212　联合循环变工况特性

根据燃气轮机的特性曲线进行燃气轮机的变工况特性计算。当给定燃气轮机运行方式和燃气轮机输出电功率时,便可得出燃气轮机的性能。对余热锅炉中的各个换热器,在设计计算中已经得到换热面积。在变工况计算中,各个换热器的换热面积保持不变。为简化计算,根据燃气侧和汽水侧工质的流速、压力、比容、温度的不同来修正换热器的总换热系数和压力降系数。总换热系数和压力降系数修正式为[6]:

U =U design

W W

design X

T T design Y

P P design Z

(1)

dp =dp design

W W design

X

T

T design Y

P

P design

Z

ΜΜdesign

a

(2)

U 和dp 为换热系数和压力降系数,W 、T 、P 、Μ分别表示流体的流速、温度、压力和比容,X 、Y 、Z 和a 为

各个参数的影响指数,下标design 指为设计值。对不同的换热器,对燃气侧和汽水侧,影响指数都有所不同。当某参数变化对换热系数或压力降系数无影响时,设定此参数的影响指数为0。对高、中、低压段汽轮机,在变工况计算中,当蒸汽初、终参数变化时,应用汽轮机效率与蒸汽初、终参数的关系[7],对汽轮机效率进行修正。对凝汽器、泵和蒸汽联结管道也进行了变工况修正计算。

3　运行方式

文章讨论三种燃气轮机运行方式和汽轮机滑、定压运行对联合循环性能部分负荷性能的影响。在燃气轮机由基本负荷向部分负荷过渡的过程中,燃气轮机的三种运行方式分别为:

运行方式1:首先减小压气机可转导叶进气角

度,减少压气机进气流量,并维持燃烧室出口温度不

变。当可转导叶进气角度已减小15°,再继续减少燃气轮机负荷时,则逐渐降低燃料量,减小燃烧室出口温度并保持可转导叶角度不变。

运行方式2:首先调整压气机可转导叶,减少压气机进气流量,并维持燃气轮机出口燃气温度不变。当可转导叶进气角度已减小15°,再继续减少燃气轮机负荷时,逐渐降低燃气出口温度并保持可转导叶角度不变。

运行方式3:压气机可转导叶角度保持不变,直接减少燃料量。

以上三种燃气轮机运行方式对应的高、中、低压气段汽轮机运行方式都是滑压运行。为考察滑、定压运行对联合循环性能部分负荷性能的影响,对应运行方式1,又考虑了高、中、低压段汽轮机都为定压运行的方式,即:

运行方式4:燃气轮机调控方式同方式1,但汽轮机按定压方式运行。

4　计算结果与分析

这里,在ISO 条件下(压气机入口条件:温度

15℃,相对湿度60◊,大气压力11013bar )进行所有部分负荷进行计算。图2、图3、图4分别给出了燃气轮机的压气机IGV 转动角度、燃烧室出口温度和排烟温度随燃气轮机功率变化的关系。可见,在较高部分负荷时,三种运行方式的差别显著,即:运行方式1中,采用调节压气机IGV 可实现100◊～84◊范围内的功率调节,且保持燃烧室出口温度不变;运行

05 燃气轮机技术 第15卷