燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究

摘要：以燃气－蒸汽联合循环系统为基础，根据黑箱子原理和热力学能量平衡定律考虑系统进入的总能与输出的总能，建立分析模型，给出燃气－蒸汽循环系统各设备的能量平衡和热效率的估算方法，并与精确计算相比较，得出估算方法是可行的。

关键词：燃气－蒸汽联合循环；热效率；估算

中图分类号：ＴＫ４７２＋．５文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）04－0842-03

Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Eｓｔｉｍａｔｉｏｎ Mｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｇａｓ－ｓｔｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ Thermal Efficiency

ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｂｉｎ，ＸＩＡＯ Ｌｉ－ｃｈｕａｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Uｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｇａｓ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ， ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｂｏｘ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ａ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｇａｓ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｉｔ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇａｓ ａｎｄ ｓｔｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ； estimation

燃气－蒸汽联合循环是目前世界上供电效率最高的发电方式之一，其最高的供电效率已接近６０％，较之传统的蒸汽发电方式供电效率提高近20个百分点［１，２］。燃气－蒸汽联合循环是将天然气（包括焦炉煤气和高炉煤气）在燃气轮机的燃烧室中进行燃烧，产生的高温烟气在燃气透平中做功，燃气轮机排气的热量进入余热锅炉加热水产生蒸汽，然后蒸汽在蒸汽轮机做功。整体循环系统利用了烟气和蒸汽两种工质，将勃莱敦循环和朗肯循环联系在一起，提高了整个系统的热效率。

燃气－蒸汽联合循环系统主要是由压气机、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备组成［３，４］，其结构示意图如图１所示。对采用燃气－蒸汽联合循环发电电厂的能量的平衡计算和热效率的精确计算是十分困难的。但是在实际工程中又需要了解联合循环系统中能量被转化和利用的份额，以便可以找到提高循环热效率的有效途径，这就需要一种估算循环热效率的方法。

研究以整体循环系统为基础，把整个循环系统作为一个黑匣子［５，６］，根据热力学能量平衡定律考虑能量进入的总能与能量输出的总能，建立分析模型，给出燃气－蒸汽循环系统的能量平衡和热效率的估算方法。

１分析模型的建立

以进入燃烧室的天然气为基准，建立模型计算循环热效率。将系统进行简化，简化后的系统如下：能量在燃气轮机中只有做功和进入余热锅炉；余热锅炉内能量部分产生蒸汽，其余全部以烟气排向大气；进入蒸汽轮机的能量只有做功与经冷凝器损失到环境中去；并且忽略设备间能量传递的损失。整个系统中输入的能量只有燃烧的天然气所含有的能量以及这些天然气完全燃烧所需要的空气携带的能量，输出的能量为余热锅炉中排烟携带的能量、经冷凝器损失的能量和做功输出的能量。分析模型如图２所示。

设进入燃烧室的天然气含有的能量为Ｑ入，天然气完全燃烧所需空气所携带的能量为Ｑａ，燃气轮机的循环效率为ηｇｔ，余热锅炉的效率为ηｈ，蒸汽轮机的效率为ηｓｔ，则能量在各设备中的分布如下。

在燃烧室中的能量分布为：

Ｑ入×ηｒ＋Ｑａ＝Ｑｓ （１）

式中Ｑｓ为进入燃气轮机的总能量；ηｒ为燃烧室的效率。

在燃气轮机中的能量分布为：

（Ｑ入×ηｒ＋Ｑａ）×ηｇｔ＋Ｑｈ＝Ｑｓ（２）

式中Ｑｈ为进入余热锅炉的能量。

在余热锅炉中的能量分布为：

Ｑｈ＝Ｑｈ×ηｈ＋Ｑ烟 （３）

式中Ｑ烟为在余热锅炉中经烟气排向环境的能量。

在蒸汽轮机中的能量分布为：

Ｑ１＝Ｑ１×ηｓｔ＋Ｑ冷 （４）

式中Ｑ１为进入蒸汽轮机中的能量；Ｑ冷为蒸汽轮机中经冷凝器冷却所损失的能量。

在循环系统中输入的总能量为Ｑ入＋Ｑａ，输出的能量只有余热锅炉排烟而损失的热量Ｑ烟，蒸汽轮机经冷凝器损失的热量Ｑ冷、燃气轮机和蒸汽轮机产生的电能（Ｑ入＋Ｑａ）×ηｇｔ＋Ｑ１ηｓｔ。则该循环系统中损失的能量之和为Ｑ冷＋Ｑ烟，利用的能量之和为（Ｑ入＋Ｑａ）×ηｇｔ＋Ｑ１ηｓｔ，循环的热效率为：

ηｃｃ＝ （５）

２实例计算与分析

有某一燃气－蒸汽联合循环系统，环境温度为３０℃，其各设备的利用效率：燃气轮机燃烧室的效率为ηｒ１＝０．９８，燃气轮机的循环效率为ηｇｔ＝０．３７，余热锅炉的热效率为ηｈ＝０．７５，蒸汽轮机的循环效率为ηｓｔ＝０．３３，燃料为四川纳溪天然气，其组成成分如表１。

则天然气完全燃烧所需的空气量为：

ＶＫ＝

0.5Ｈ２*+0.5ＣＯ*+2ＣＨ４*+1.5Ｈ２Ｓ*+m+ＣｍＨｎ*

（６）

式中：Ｈ２*，ＣＯ*，ＣＨ４*，Ｈ２Ｓ*，ＣｍＨｎ*表示燃料中各种可燃成分的容积百分比。

空气在３０℃时的焓值为３７３．０１ kＪ／Ｎｍ３

则总能量Ｑ总＝Ｑ入＋Ｑａ＝３ ５０４．５ kＪ＋３５ ５８８ kＪ＝

３９ ０９２．５ kＪ。

由公式（１）～（４），可以得出循环系统中各设备中能量利用和损失的情况，如表２所示。

由表２可知，系统做功的热能总量是２０ １８５．３９ kＪ，损失的总能为１８ ９０７．１２ kＪ，循环的热效率为ηｃｃ＝５１．６３％，其中在循环的热效率中，燃气轮机做功的热效率为３６．３３％，蒸汽轮机做功的热效率为１５．３０％，在循环效率中燃气轮机与蒸汽轮机作功之比约为２∶１。在能量的损失分布中燃烧室损失的热效率为１．８２％；余热锅炉损失的热能为１５．４６％；蒸汽轮机损失的热能为２９．４３％。在燃气-蒸汽循环系统的设备中能量的损失大小依次为蒸汽轮机、余热锅炉、燃烧室、燃气轮机。

在联合循环中燃气轮机的热效率高于蒸汽轮机，所以提高燃气轮机ηｇｔ的作用将比同样程度的提高蒸汽轮机的ηｓｔ对于改善循环效率ηｃｃ的效果更明显。而提高燃气轮机燃烧室出口温度（亦即燃气轮机进气温度）Ｔ３、降低大气环境温度（亦即压气机进入空气温度）Ｔ５及其配套设备的装置效率等，是改善和提高燃气轮机效率的有效途径［７］。

在能量的损失中蒸汽轮机中经冷凝器损失的热量是能量损失的最大一项，可采用回热、再热循环增加能量的利用效率，减少其损失。

余热锅炉在循环系统中起着承上启下的作用，连接着燃气轮机与蒸汽轮机，其地位仅次于燃气轮机，高于蒸汽轮机。在分析模型中，余热锅炉的能量利用不是太高，但是损失不少，因此提高余热锅炉的利用效率，强化传热，尽量地将烟气的热量传给蒸汽，有利于整体效率的提高。

３小结

在对燃气-蒸汽联合循环做了简化，构建分析模型的基础上，对其整体效率的计算分析和系统中各设备的能量利用分析与文献［４］介绍的基本相同。其能量在各子设备中的损失大小也是相吻合的，但是计算方法却简单了许多。应用此方法，可计算燃气-蒸汽循环各部分能量损失的大小、分布和薄弱环节，进而得出改进措施。发展联合循环发电技术，研制和开发新型发电机是提高发电效率、改善经济效益、有利于可持续发展的根本所在。此方法是一种近似的计算方法，与精确计算有差距，但是比较适合在施工现场应用。

参考文献：

［１］ 姚秀平． 燃气轮机及其联合循环发电［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２００４．

［２］ 宁杰，杨宁强． 在南京建设燃气－蒸汽联合循环热电联产电厂的设想［Ｊ］． 能源研究与利用，２００９（４）：４７－４９．

［３］ 焦树建． 燃气－蒸汽联合循环［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２０００．

［４］ 孙奉仲，李淑英，黄新元，等． 燃气－蒸汽联合循环发电厂的循环热效率分析［Ｊ］． 山东工业大学学报，１９９７，２７（４）：３８０－３８５．

［５］ 李汝辉，刘德彰，李世武． 能量有效利用［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，１９９２．

［６］ 项新耀． 工程火用分析方法［Ｍ］． 北京：石油工业出版社，１９９０．

［７］ 徐明． 燃气－蒸汽联合循环发电装置的热力特性及燃气轮机热经济性分析［Ｊ］． 能源技术，２００３，２４（３）：１００－１０２．

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