燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠節(jié)能分析

李浩浩，朱曙光，馬曉榮，吳少潔

(1.南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094；2.廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 江門 529100；3.華潤電力華南分公司，廣州 511466)

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的節(jié)能分析對于聯(lián)合循環(huán)機組在國內的推廣發(fā)展具有重大的意義，研究結果可以為機組的優(yōu)化運行和節(jié)能改造提供理論指導和依據(jù)。GU等[1]建立了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)驅動冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的多目標優(yōu)化模型，實現(xiàn)了最優(yōu)運行策略。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)驅動冷熱電聯(lián)產的效率提高了約20.5%，運行成本降低17.8%。JAVADI等人[2]基于非支配排序遺傳算法(NSGA-II)，以火用效率、CO2排放和電力成本為優(yōu)化的目標函數(shù)對某500 MW 的聯(lián)合循環(huán)電廠進行了多目標優(yōu)化研究。結果表明：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的效率取決于燃氣輪機輸入溫度、壓氣機壓力比和節(jié)點溫差等設計參數(shù)，該電廠的效率在優(yōu)化后提高了8.12%，其熱耗也相應地從7 233 kJ/(kW·h)降低到7 023 kJ/(kW·h)。同樣，整個系統(tǒng)的火用損減少了7.23%。以300 MW等級機組為例，其效率為55%，投資成本為4 000～5 000 元/kW；而相同功率下的蒸汽輪機，其發(fā)電效率只有30%～40%，投資成本為8 000～11 000 元/kW[3]。聯(lián)合循環(huán)機組在應用三菱公司開發(fā)的H型燃氣輪機后，其熱效率能夠達到60%以上[4]。

但是目前燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的節(jié)能分析還存在如下問題：聯(lián)合循環(huán)的運行特性相對單獨的燃氣輪機或蒸汽輪機系統(tǒng)更為復雜，相關研究思路和方法還有待進一步研究；研究深度不夠，大多停留在某一機組的運行參數(shù)對運行效率和熱經濟性的影響，而沒有考慮在多參數(shù)下進行多目標優(yōu)化?；谖覈谌細?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的節(jié)能分析和優(yōu)化分配的應用研究方面不夠深入的問題，有必要以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為對象，通過不同算法比較研究熱電負荷優(yōu)化分配的實施方法，充分挖掘其節(jié)能潛力。

1 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)模型

1.1 聯(lián)合循環(huán)熱力學模型

(1)壓氣機。

(1)

式(1)中，T1和T2是空氣進入和離開壓氣機的溫度；Pr2和Pr1是壓縮過程前后的空氣壓力；γ是比熱比。

本研究選取軸流式多級壓氣機，其絕熱效率為88%。

(2)

(3)

(4)

火用損失：

(5)

(2)燃燒室。

當前研究燃燒室燃燒效率為99.5%，空氣入口壓降為2%，天然氣低位發(fā)熱量為42 000kJ/kg。

燃燒室質量平衡方程為：

(6)

燃燒室能量平衡方程為：

(7)

燃燒室火用平衡方程為：

(8)

(9)

式(9)中，TCC表示燃料絕熱燃燒溫度，K；Qf表示燃料的低位燃燒發(fā)熱值；ΔS表示熵增。

(3)燃氣輪機。

質量平衡方程為：

(10)

能量平衡方程式為：

(11)

火用平衡：

(12)

(4)余熱鍋爐。

當前研究考慮了單壓無再熱、雙壓再熱和三壓再熱余熱鍋爐布置。蒸汽的選型通過El-MASRI[6]提出的方法來確定，圖1為聯(lián)合循環(huán)單壓無再熱、雙壓再熱、三壓再熱汽水系統(tǒng)的熱力學模型。

圖1 聯(lián)合循環(huán)單壓無再熱、雙壓再熱、三壓再熱汽水系統(tǒng)的熱力學模型

(13)

單壓無再熱：

(14)

雙壓再熱：

(15)

三壓再熱：

(16)

能量平衡方程式為：

(17)

(18)

(19)

火用平衡：

(20)

(5)蒸汽輪機。

通過假設節(jié)流損失和等熵效率來考慮汽輪機的效率。

能量平衡方程式為：

QST,in=QST,out+WST

(21)

火用平衡：

Ein=Eout+WST+Exd

(22)

式(21)～(22)中，Ein、Eout和Exd分別表示汽輪機入口火用、出口火用和火用損；WST表示汽輪機做的功；QST，in表示蒸汽輪機輸入的能量；QST，out表示蒸汽輪機輸出的能量。

質量方程：

(23)

1.2 聯(lián)合循環(huán)經濟性模型

(1)壓氣機固定成本模型。

(24)

式(24)中，Ccomp表示壓氣機成本；c11為功率系數(shù)，此處取44.71；pc為壓氣機壓縮比；c12取為0.95；ηsc為壓氣機絕熱效率；mair為空氣的質量流量。

(2)燃氣輪機固定成本模型。

(25)

式(25)中，CGT表示燃氣輪機成本；pin和pout分別表示燃氣進口和出口壓力，Tin表示入口溫度；ηGT表示燃氣輪機絕熱效率；c31和c32分別取為226.3和0.94，c33取0.025。

(3)燃燒室固定成本模型。

Ccc=c21mair[1+ec22(Tout-c23)]/(c23-pout/pin)

(26)

式(26)中，Ccc表示燃燒室成本；Tout表示燃燒室出口溫度；c21和c23分別取25.6和0.995，c22取0.015；mair表示燃燒室中的空氣質量流量；pout表示設備出口壓力，MPa；pin表示設備進口壓力，MPa。

(4)余熱鍋爐固定成本模型。

(27)

(28)

c41=4 131.8$·(K/kW)0.8

(29)

(30)

c42=13 380$·(kg/s)-1

(31)

(32)

c43=1 489.7$·(kg/s)-1.2

(33)

式(27)～(33)中，CHRSG表示余熱鍋爐成本；pi表示蒸汽入口壓力；Tout,steam,i表示蒸汽出口溫度；Tout,gas,i表示煙氣換熱前入口溫度；msteam,j表示蒸汽質量流量；mgas表示空氣的質量流量；qi表示第i股蒸汽的吸熱量。

(5)蒸汽輪機固定成本模型。

(34)

2 聯(lián)合循環(huán)多目標優(yōu)化模型

在本文中，通過對影響聯(lián)合循環(huán)效率的參數(shù)進行Matlab模擬，運用NSGA-Ⅱ遺傳算法獲得收斂于帕累托最優(yōu)前沿和多樣性的解。以總成本、總火用損失和循環(huán)效率為目標函數(shù)，對火用損和特定投資成本模型進行分析。

2.1 全局變量設置

預設全局變量：種群規(guī)模設置為300；最大迭代次數(shù)設置為500；交叉概率為0.9；變異概率為0.01；算法收斂或者兩次優(yōu)化結果小于5%為終止條件。

2.2 目標函數(shù)選擇

在優(yōu)化過程中選取了相互對立的熱效率和特定投資成本作為目標函數(shù)。

(35)

f2(x)=Minimize(SIC)=Ccomp+CGT+Ccc+CHRSG+CST

(36)

火用損失作為第三個目標函數(shù)。

f3(x)=Minimize(EL)=Exd,C+Exd,CC+Exd,GT+Exd,L+Exd,H+Exd,ST

(37)

式(35)～(37)中，E表示熱效率；SIC表示特定投資成本；EL表示火用損；WGT表示燃氣輪機做的功；WST表示蒸汽輪機做的功；Ccomp表示壓氣機固定成本；CGT表示燃氣輪機固定成本；Ccc表示燃燒室固定成本；CHRSG表示余熱鍋爐固定成本；CST表示汽輪機固定成本；Exd,C表示壓氣機的火用損；Exd,CC表示燃燒室的火用損；Exd,GT表示燃氣輪機的火用損；Exd,L表示雙壓余熱鍋爐中低壓汽包的火用損；Exd,H表示雙壓余熱鍋爐中高壓汽包的火用損；Exd,ST表示汽輪機的火用損。

2.3 優(yōu)化參數(shù)選擇

在目前的優(yōu)化中，燃氣輪機功率為400 MW，燃燒室燃燒效率為0.995，氣體傳輸?shù)撵匦蕿?.87，壓氣機的絕熱系數(shù)是0.9，汽輪機的相對內效率為0.89，環(huán)境溫度和壓力分別為20 ℃和0.1 MPa。選取循環(huán)升壓比、熱端溫差、節(jié)點溫差、接近點溫差、高壓蒸汽壓力、低壓蒸汽壓力、再熱蒸汽壓力、中壓蒸汽壓力等參數(shù)作為決策變量，決策變量約束條件見表1。

表1 決策變量約束條件

2.4 優(yōu)化流程

聯(lián)合循環(huán)優(yōu)化具體步驟和流程圖：

步驟1：預設全局變量。把種群規(guī)模設定為300；最大迭代次數(shù)設置為500；交叉概率為0.9；變異概率為0.01；算法收斂為終止條件。

步驟2：壓氣機增壓比、燃氣輪機入口溫度、余熱鍋爐入口溫度、再熱壓力、低壓壓力、中壓壓力、高壓壓力、排煙溫度、接近點溫差、節(jié)點溫差等隨機生成需要優(yōu)化的16個參數(shù)作為初始總體p0。

步驟3：根據(jù)目標函數(shù)，火用損最小EL、最大熱效率E和最小特定投資成本SIC，快速求解初始種群中的非劣勢個體。根據(jù)非支配水平給每個解賦值，得到父代種群 P。

步驟4：通過選擇、交叉、變異等遺傳操作獲得后代群體Qt。

步驟5：將親本群體P與后代群體Qt合并，形成2N0中間群體的群體規(guī)模R。

步驟6：通過快速非支配排序和擁擠計算，選擇合適的個體形成新的親本群體Pr1，群體規(guī)模再次減小到零。

步驟7：是否計算總體以滿足5%的誤差，如果沒有，返回到第3步。

步驟8：判斷終止條件：設 gen>genmax，如果gen大于genmax，則終止，輸出最優(yōu)解集。否則，進入第四步。NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化流程圖如圖2所示。

圖2 NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化流程圖

3 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)多目標優(yōu)化

3.1 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)單參數(shù)分析

圖3和圖 4給出了壓氣機出口壓力與燃氣輪機效率關系和壓氣機出口壓力與特定投資成本和火用損的關系。從圖3可以看出，隨著壓氣機出口壓力的增高，燃機和單壓、雙壓、三壓的效率均在增高。從圖4可以看出，隨著壓氣機出口壓力的提高，各個配置的火用損降低，而投資成本卻在升高。這是因為壓氣機本身的特性限制出口壓力不能太高，壓縮比越高，投資成本就越高。因此，需要根據(jù)不同情況選擇合適的壓縮比使得底循環(huán)效率最大，投資成本和火用損失較小，以獲得聯(lián)合循環(huán)電站的最佳熱經濟性。

圖3 壓氣機出口壓力與燃氣輪機熱效率的關系

圖4 壓氣機出口壓力與特定投資成本和火用損的關系

圖5和圖6給出了燃氣輪機入口溫度與燃氣輪機效率關系和燃氣輪機入口溫度與特定投資成本和火用損的關系。在其它參數(shù)保持不變時，燃氣輪機入口溫高，燃氣輪機單位時間內輸出功增加，燃氣輪機熱效率增加，但是燃氣輪機入口溫度受金屬材料耐熱性能的限制，一般不超過1 600 K。從圖中5和圖6可以看出，燃氣輪機入口溫度升高，余熱鍋爐排煙溫度升高，聯(lián)合循環(huán)效率降低，火用損增加。在雙壓、三壓再熱循環(huán)中，燃氣輪機入口溫度升高，高壓蒸汽流量逐漸減少，余熱鍋爐火用損增加，燃氣輪機做功降低。因此，需要根據(jù)不同情況選擇合適的升溫比能提高循環(huán)效率和提高能源利用率。

圖5 燃氣輪機入口溫度與燃氣輪機效率關系

圖6 燃氣輪機入口溫度與特定投資成本和火用損的關系

圖7展示了節(jié)點溫差與特定投資成本和火用損的關系。節(jié)點溫差的減小使得不同配置的火用損減小，整個循環(huán)效率增大。通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐的接近點溫差的變化不影響單壓余熱鍋爐的排煙溫度、循環(huán)效率、主蒸汽流量。因此，選擇合適的節(jié)點溫差和接近點溫差對機組是非常重要的。單壓余熱鍋爐配置接近點溫差與其它參數(shù)見表2。

圖7 節(jié)點溫差與特定投資成本和火用損的關系

表2 單壓余熱鍋爐配置接近點溫差與其它參數(shù)

從圖8可知，在雙壓再熱循環(huán)中隨著高壓蒸汽壓力的提高，余熱鍋爐的效率降低，蒸汽輪機效率降低。在雙壓再熱循環(huán)中，隨著主蒸汽壓力的升高，主蒸汽流量降低，低壓蒸汽流量增加，聯(lián)合循環(huán)火用損先減小后增加。圖9表明在三壓再熱聯(lián)合循環(huán)中高壓蒸汽壓力上升，聯(lián)合循環(huán)效率和特定投資成本升高，火用損減少。

圖8 再熱壓力與特定投資成本和火用損的關系

圖9 高壓壓力與特定投資成本和火用損的關系

3.2 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)多參數(shù)優(yōu)化

圖10給出了不同余熱鍋爐配置火用損。在聯(lián)合循環(huán)中火用損失主要發(fā)生在燃燒室、燃氣輪機和余熱鍋爐中。燃燒室的火用損失最高，所以要將提高聯(lián)合循環(huán)效率、減小火用損失的重點放在燃燒室火用效率的提高。從圖10中可以看出，經過雙壓再熱、三壓再熱后余熱鍋爐火用損失從14.84%降低到了9.73%和6.78%，蒸汽輪機的火用損失從3.64%降低到了1.65%和1.08%。相比于單壓聯(lián)合循環(huán)三壓再熱余熱鍋爐和蒸汽輪機的火用損失顯著降低。因此選擇合適的余熱鍋爐、優(yōu)化鍋爐的運行參數(shù)可以有效減少火用損失。

圖10 不同余熱鍋爐配置火用損

4 結語

通過對壓氣機出口壓力、燃氣輪機入口溫度、節(jié)點溫差和接近點溫差等單個參數(shù)進行分析，結果表明：壓氣機出口溫度從1 300 K升高到1 600 K，燃料消耗降低，效率提高8%左右。高壓蒸汽參數(shù)從11 MPa增加到14 MPa，機組效率也隨之提高2%左右。燃氣輪機入口溫度從1 500 K降低至1 300 K，火用損降低，聯(lián)合循環(huán)效率提高2.4%左右。隨著節(jié)點溫差的降低，系統(tǒng)火用損失減小，循環(huán)效率增大。

另外基于NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法對聯(lián)合循環(huán)機組進行了多目標優(yōu)化，結果表明在雙壓、三壓再熱聯(lián)合循環(huán)中高壓蒸汽流量對循環(huán)效率起主導作用。通過對聯(lián)合循環(huán)各部件火用損失的分析，表明燃燒室的火用效率最低，而火用損失最高。此外，經過雙壓再熱、三壓再熱后余熱鍋爐火用損失從14.84%降低到了9.73%和6.78%，蒸汽輪機的火用損失從3.64%降低到了1.65%和1.08%。相比于單壓聯(lián)合循環(huán)三壓再熱后余熱鍋爐和蒸汽輪機的火用損失顯著降低。因此通過改進余熱鍋爐蒸汽循環(huán)的布置、優(yōu)化余熱鍋爐的運行參數(shù)等措施可進一步減少余熱鍋爐火用損失。