燃气—蒸汽联合循环装置效率变化对机组煤耗影响计算方法探讨

【摘要】本文通过分析计算，推导出了燃机效率计算公式，再以此计算公式为基础，分析了装置效率变化后对整个联合循环效率和煤耗的影响及变化关系，对于电厂节能工作的开展指明了方向，奠定了理论基础。

【关键词】燃气轮机；余热锅炉；蒸汽轮机；煤耗；变化；效率

前言

燃气-蒸汽联合循环机组与燃煤机组相比具有效率高、污染小、启停快、调峰性能好、节水、厂用电率低等优点。因此得到了快速发展。随着燃气-蒸汽联合循环机组在我国的大力发展，对燃机电厂节能工作的开展也越来越重视，如何分析计算联合循环装置效率变化对机组煤耗的影响，进而指导燃机电厂节能工作的开展就显得尤为重要。

下面以非补燃式联合循环机组为例，先推导出联合循环效率计算公式，然后再以此公式为基础，通过实例计算来分析燃机电厂各装置效率变化对联合循环机组煤耗的影响。

1、联合循环机组效率公式

图1为典型非补燃式联合循环机组能量平衡关系图。

图中：—吸入压气机的空气所携带的热能；—燃气轮机燃烧室燃烧效率；—燃料低位发热量；—燃料物理显热；—燃气轮机对外散热；—进入余热锅炉燃气所携带的热能；—蒸汽轮机给水系统供入余热锅炉给水所携带的热能；—蒸汽轮机高压缸排汽进入余热锅爐所携带的热能；—余热锅炉产生的主蒸汽所携带的热能；—经余热锅炉加热后的再热蒸汽所携带的热能；—双压余热锅炉中产生的低压蒸汽所携带的热能；—余热锅炉排向大气的燃气所携带的热能；—蒸汽轮机通过凝汽器排向外界冷源的热能；—燃气轮机轴端功率；—蒸汽轮机轴端功率。

根据图1中能量平衡关系，忽略燃料物理显热的影响，根据热效率概念，则燃气-蒸汽联合循环的热效率为：

式中，，称为余热锅炉当量效率。

这就是燃气-蒸汽联合循环装置的热效率计算公式。

为计算方便，假设燃气轮机、蒸汽轮机的机械效率和发电机效率相同，即==、==，则

再考虑到机组厂用电率影响，则燃气-蒸汽联合循环装置供电效率计算公式为

2、联合循环机组各装置效率变化对机组效率的影响及其对机组煤耗影响的分析计算

通过上面的推导，我们得到了燃气-蒸汽联合循环装置供电效率计算公式。为便于计算及分析，假定机械效率为定值，令

。则

对上式求微分，并经整理后，得到

式中： 为有关系数，为各相应参数的相对变化量。即、、、、、。

对关系式进行变形，并经整理后，得到：

式中： 为有关系数，为各相应参数的绝对变化量。即、、、、、

根据上面公式，就可以求得各参数变化后对联合循环供电效率的影响关系，进而求得各参数变化后对联合循环供电煤耗的影响关系。

2.1 联合循环机组各装置效率变化（绝对值）对机组效率影响计算实例

假设某联合循环机组各装置参数如下：燃机效率；汽机效率；余热锅炉效率；燃机燃烧器燃烧效率；机组厂用电率；联合循环装置供电效率。

根据上面推导的计算公式，我们首先计算燃机效率变化1%引起的联合循环效率变化量。计算时假定其它各参数不变，仅燃机效率由额定值0.35（）降至0.34（），则

于是，燃机效率下降后联合循环装置供电效率为

用同样的方法可以计算出其它各装置效率变化（下降）1%后对联合循环机组效率的影响结果，各种变化影响值计算结果如下：

从计算结果可以看出：燃机效率每下降1%，联合循环供电效率下降0.674%；汽机效率每下降1%，联合循环供电效率下降0.54%；余热锅炉每下降1%，联合循环供电效率下降0.209%；发电厂用电率每下降1%，联合循环供电效率升高1.031%。

在实际应用计算中，考虑到余热锅炉散热、蒸汽管道散热等影响因素，在实际计算时可将散热系数并入余热锅炉效率中来进行计算。

通过上面的计算实例可以看出，只要我们知道了联合循环某一装置的效率变化数据，就可以非常方便的计算出整个装置效率的变化情况。

2.2 联合循环机组煤耗计算实例。为了比较燃气-蒸汽联合循环机组的性能，常用供电煤耗指标进行比对。对对于煤耗计算，燃煤机组一般有两种方法：正平衡煤耗计算和反平衡煤耗计算，其中反平衡煤耗计算方法主要用来对正平衡数据进行校订和验证，必要时进行修正，这主要是受燃煤测量局限性影响。而对于燃气-蒸汽联合循环机组，由于天然气流量测量、热值测量比较准确，影响煤耗计算准确性的因素已不复存在，因此，对于燃气-蒸汽联合循环电厂而言，一般均通过正平衡方法去计算煤耗，而不再采用反平衡去校验，这是和燃煤机组煤耗计算不同的地方。下面以实例来说明燃气-蒸汽联合循环供电煤耗计算方法。

某燃机具体参数如下：燃机功率，汽机功率，天然气标况流量，天然气低位热值，标煤低位热值，发电厂用电率为。则燃气-蒸汽联合循环发电标煤耗为：

考虑到机组厂用电率，则燃气-蒸汽联合循环供电标煤耗为：

通过上面公式就可以计算出联合循环装置的供电煤耗。

2.3 联合循环各装置效率变化对机组煤耗变化影响计算实例。在燃气-蒸汽联合循环电厂的节能日常管理中，联合循环机组各装置的效率是实时变化的，为了对机组性能进行比较，分析各装置效率变化对联合循环机组煤耗的影响，找出影响机组经济性能的影响因素，进而指导机组节能工作的开展，经常需要分析燃机效率、汽机效率、余热锅炉效率及厂用电率变化对机组供电煤耗的影响。在厂家提供的相关资料中，已经明确表述了相关小指标（如真空对汽机的影响、压气机压差对燃机的影响、压气机进气温度对燃机的影响）对各装置性能的具体影响，如燃机资料中就明确提到：燃机压气机进气压差每升高4inH2O，燃机出力下降1.5%，燃机热耗增加0.5%；燃机排气压力每升高4inH2O，燃机出力下降0.5%，燃机热耗增加0.5%。但其对燃气-蒸汽联合循环经济性能的影响，资料中并未提及，这就需要找到一个计算公式来分析其相互关系，以用于指导开展日常的节能工作的管理。

通过2.1的实例计算我们已经知道：假定联合循环机组其它装置效率不变，在联合循环机组某一装置效率变化后，其效率变化和联合循环机组效率的变化关系。如燃机效率由额定值0.35（）降至0.34（）后，联合循环的供电效率将下降0.671%，达到50.43%。假定原联合循环的供电效率为，则燃机效率下降后联合循环的供电效率降至-0.674%，于是我们就可以根据2.2提供的计算公式计算出联合循环效率下降后对机组供电煤耗的影响。即通过效率变化转化为煤耗变化，进而得出对煤耗的影响。于是：

即燃机效率由额定值0.35（）降至0.34（）后，联合循环的供电煤耗将增加3.2g/kWh。

用同样的方法可以计算出联合循环机组其它设备效率绝对变化1%后（仍以2.1计算数据为基础）对机组煤耗的影响结果，结果如下：

上述计算结果是以设备效率绝对变化1%为基础进行计算的，并且是和设计值进行比较分析的，对于效率其它变化数值，计算方法类似。

同時我们也可以以上面计算基础，分别比较不同效率下的煤耗关系，进而得出不同效率下对煤耗的影响关系，而且不论设备效率如何变化，计算方法均相同。

通过上面的分析和计算实例可以看出，只要我们知道了某一小指标（如燃机压气机进气压差每升高4inH2O，燃机热耗增加0.5%）对联合循环某一装置效率变化关系，就可以计算出该装置的效率变化情况，进而根据2.2、2.3提供的计算公式非常方便的计算出其对整个装置效率变化情况和联合循环机组煤耗的变化情况，进而分析其影响。

3、结论

3.1 通过上面的分析可知：在燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉这三大主要设备中，在效率绝对变化量相同的情况下，燃机对整个联合循环的效率影响较大，蒸汽轮机次之，余热锅炉运行最小。这就给燃气-蒸汽联合循环机组节能工作的开展指明了方向，即要高度重视燃机节能，抓住主要矛盾，实现节能目的。

3.2 通过上面的分析和计算，我们推导出了燃机、汽机、余热锅炉等设备效率变化对机组供电煤耗影响的计算公式，对指导开展日常节能分析具有指导意义。

3.3 同时通过上面的分析和推导，对燃机电厂的效率进行了整理，便于燃机电厂开展节能管理工作，为日常性能分析奠定了坚实的理论基础。

作者简介：张健（1971-），男，河南安阳人，本科，浙江大唐国际江山新城热电有限责任公司，工程师。研究方向：燃机运行管理。

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