162 燃气轮机热电联产系统火用性能分析

燃气轮机—蒸汽机联合循环发电机组调差系数优化整定分析与处理作者：***来源：《科技风》2021年第36期摘要：目前，隨着我国电力企业对节能环保越来越重视，以及电网对电厂调峰能力更高的要求，燃气轮机—蒸汽机联合循环电厂在广东电网中的比例不断增加，通过对燃机发电机和汽机发电机励磁系统调差系数进行优化整定，重点研究同套机组间无功分配、机组阻尼，并分析对电力系统稳定器（PSS）的影响，为燃气轮机发电机组的调差系数优化整定工作具有重要的意义。

关键词：励磁系统;调差系数;动态稳定;优化整定中图分类号：TM712随着我国经济的持续发展，国内的电力需求持续增加，电力需求量已处于世界首位。

目前，国内电网内的发电厂种类较多，其中火力发电以燃煤为主，而燃煤发电存在许多缺点，如热效率低、高污染以及调峰能力不足等。

燃气发电机组是市场新环境和世界环保需求推出的新主力发电机组，其中燃气轮机—蒸汽机联合循环发电机组具有建设周期短、效率高、污染小等优点在热电联产和冷点联产工程中积极作用[1]，随着电网对火力发电企业环保减排及调峰能力的越来越重视，燃气轮机发电机组在我国火力发电力所占比例不断增长。

燃气轮机—蒸汽机联合循环发电机组包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机以及辅机[2]，因此一套燃气轮机—蒸汽机联合循环发电机组为一台燃气发电机及一台汽轮发电机，两者通过各自的主变压器升压后并接在变电站，主接线如图1所示。

燃机发电单元与汽机发电单元的容量及主变短路电抗存在较大差异，因此需要对两台机组发电机调差系数进行调整优化。

调差系数是励磁系统中描述同步发电机无功电压外特性的参数，其值大其值大小不但对发电机电压和无功功率具有重要影响，也间接影响到电网电压水平[3-5]。

因此，对燃气轮机—蒸汽机组调差系数优化计算对电网系统稳定有重要作用。

1 励磁系统调差系数同步发电机励磁系统调差系数的定义如下：发电机在功率因数为0的工况下，发电机无功功率QG从0变化到额定值，发电机机端电压UG随之变化的变化率，调差系数实际是发电机电压调节特性曲线的直线斜率，公式如下所示：国内外对其中调差系数的极性有不同的规定，国内规定向下倾斜的曲线为正调差;反之，向上倾斜的曲线为负调差，斜率水平平行于QG轴的为零调差，特性曲线如下图2所示。

燃气轮机与热电联产【摘要】燃气轮机是一种环境代价低、能源利用效率高、运行灵活、技术可靠、组合多样化能量转换装置，已为全世界广泛采用。

在电力行业，它不仅被用于根本负荷与调峰发电，更多地被用作为热电联产，并取得了极为理想环境、社会与经济效益。

使用燃气轮机热电联产工艺受到世界各国政府普遍鼓励与扶持，并通过制定相应法律、法规予以保护。

我国政府面向21世纪，在可持续开展战略指导下，为有力配合西部大开发，正式公布对开展燃气轮机热电联产扶持政策--?关于开展热电联产规定?，对于我国环境保护、提高资源综合利用效率、加快城镇现代化进程、改善人民生活品质将具有十分深远意义。

如何确定燃气轮机热电联产技术指标，将直接影响到这一技术能否安康推广。

订立技术指标基点应该是国家、社会长期利益，并结合我国实际情况，同时参考各国及地区政府已经实旋法律、法规与技术标准。

燃气轮机热电联产工艺方式燃气轮机热电联产一般主要有四种工艺方式：1．燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电联产：这是世界各国最为明令鼓励工艺方式。

此种工艺首先由燃气轮机对燃料进展首次能源利用，燃烧燃料产生热膨胀功推动动力透平涡轮叶片来驱动发电机发电。

其高温乏气通过余热锅炉将烟气转换中温中压以上参数蒸汽，再推动蒸汽轮机作功发电，并将功后乏汽用于供热。

这种工艺发电比率高，有效能量转换率高，及烟转换率高，因此经济效益也较好。

后置蒸汽轮机可以是抽汽凝汽式，也可以是背压式，但背压式汽轮机受制约比拟大，不利于电网、热网与天然气管网调节，除非是企业自备热电厂，用汽、用电稳定，一般在世界上极少采用。

燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电厂往往采用两套以上燃气轮机与余热锅炉拖带1-2台抽汽凝气式汽轮机，或使用余热锅炉补燃，以及双燃料系统提高对电网、热网与天然气管网调节能力及供能可靠性。

2．燃气轮机-仑热锅炉直供热电联产：它与前一工艺方式区别为只有燃气轮机与余热锅炉，省略了蒸汽轮机，因此，也有将其称为“前置循环〞。

燃气轮机的效率受到热力学第二定律的限制，理想的卡诺循环效率取决于燃烧温度和环境温度。

例如，如果环境温度为27摄氏度，氢氧燃烧后燃气温度达到2700摄氏度，那么热效率的上限是90%；即使只达到900摄氏度，热效率的上限也可以达到75%。

大型燃气轮机的效率一般比汽油机高，但比中低速柴油机低。

中低速柴油机的重量可以从几百到几千吨不等，功率在几MW到几十MW之间。

燃气轮机是连续运行的热机，涡轮叶片持续承受燃气的高温，因此其涡轮前温度通常不超过1923K。

相比之下，活塞发动机的气缸和活塞反复被进气冷却，还有液冷系统保护，所以其燃烧温度可以达到2000～2500K，主要受到NOx排放的限制。

在某些特定的应用场景中，燃气轮机的效率可以进一步提高。

例如，主要用于热电联产的燃气轮机，当采用前置回注循环系统时，其最高效率可以达到43.3%。

而在前置循环热电联产应用中，总效率一般均超过80%。

燃气轮机热电联产系统合理配置研究近年来，由于燃气轮机热电联产系统(Com—bined Cooling Heating and Power，简称CCHP)具有很高的经济性和节能潜力，因此，正在国内外得到越来越广泛的应用l1 J．为了能使CCHP系统最大限度地发挥潜力，必须合理地配置系统并优化其运行，其关健问题是合理确定系统的规模与组成形式影响CCHP系统配置的因素很多，可行的配置方案也很多日本学者K．ItO 等研究了燃气轮机和余热锅炉的组合情况【 J，但是即没有考虑初投资、占地、用水、环境温度、调峰以及蓄冷和燃气轮机进气冷却的配置等因素，所用燃机线性模型存在与实际相差较大和精确度不高的问题，因此其应用范围受到限制．1 系统及模型燃气轮机CCHP系统的主要设备如图1所示．热电厂以燃气轮机为基础，空气在经过进气冷却器1降温后被压气机2吸人并压缩，压力升高后，流人燃烧室3与天然气混合燃烧成高温高压的燃气，再流人燃气透平做功，烟气余热在余热锅炉5中得到进一步利用，余热锅炉产生的蒸汽在供冷季驱动吸收式制冷机7制冷，或在采暖季通过热交换器7向热网提供采暖用热，补燃装置可提高CCHP系统的供热(冷)能力，并能够在一定程度上实现电负荷和热负荷的独立可调运行l4j．热(冷)不足部分由尖峰锅炉提供，还可由蓄冷 (热)器10供冷，燃气轮机发电不足部分从网上购电补充，为了更有效地冷却进气，同时增加蓄冷器的蓄冷量和热网输送冷量的能力，在吸收式制冷机后串接了压缩式制冷机9，使冷冻水的供、回水有较大温差，进气冷却器的冷量可由蓄冷器或制冷机提供．图中显示了燃机、余热锅炉、进气冷却器和蓄冷器的组合形式，还可以派生出以下3种形式：燃机和余热锅炉；燃机、余热锅炉和进气冷却器；燃机、余热锅炉和蓄冷器．这套系统以燃气轮机发电机组和补燃式余热锅炉为核心，设一台燃气轮机对应一台补燃余热锅炉，并称为一个子系统．一个电厂由多个子系统组成，子系统的组成、容量和规模可各不相同．根据生产厂家提供的资料可得到燃气轮机和余热锅炉的特性，以此限制余热锅炉最高补燃温度为927℃，不需布置辐射受热面，只需采用对流受热面结构即可，成本可大大降低l4 J．图1 燃气轮机热电冷联产系统简图1．进气冷却器2．压气机3．燃烧室4．燃气透平5．余热锅炉6．发电机7．吸收式制冷机或热交换器8．燃气锅炉9．压缩式制冷机10．蓄冷器1．1 燃机模型系统中共设置台燃机，第i台燃机功率E、空气量G 与燃机在k 时段的燃料耗量F,-(k)和进气温度修正系数均用二次方程近似表示．S (志)表示第i台燃机运行( (志)=1)或停机( (志)=0)的“0—1”整数变量(下同)；T0为进气温度；燃机燃料消耗量 (志)的上、下限值分别为．和．． E (k)= fe (F (k)，S (k)，T0) G (k)：厶(F (k)， (k)，T0)．m i ≤ (k)≤．一7≤ T0；S (k)：0或1； =1，2，⋯，m∥；k=1， 2，⋯，24． 1．2 余热锅炉模型系统中共设置m台余热锅炉，第台余热锅炉在k时段蒸汽量 (k)与第i台燃机燃料消耗量 (k)成二次方程关系，与补燃燃料耗量成线性关系，补燃燃料消耗量 (k)的上、下限值分别为．～和0．D6 (k)=fb (F (k)， (k)，S6 (k)) 0≤ (k)≤～其中 S6 (k)=0或1；i=1，2，⋯，m1．3 尖峰锅炉模型系统中共设置，r台尖峰锅炉，第i台尖峰锅炉在k时段蒸汽量D，(k)与燃料消耗量F (k)成线性关系，燃料消耗量 (k)的上、下限值分别为．和0．D， (k)= (F7f(k)，S， (k)) 0≤ (k)≤．一其中 S (k)=0或1；i=1，2，⋯，rnf．1．4 溴化锂吸收式制冷机模型设系统中共设置m 台溴化锂吸收式制冷机，第i台溴化锂吸收式制冷机在k时段耗汽量D (k)与制冷量Q (k)成线性关系，耗汽量 (k)的上、下限值分别为．和0．Q (k)= ( ( ，S (k)) 0≤ Dx (k)≤ Dx ．～其中 S (k)=0或1；i=1，2，⋯，m ．1．5 电动压缩式制冷机模型设系统中共设置m 台电动压缩式制冷肌，第台电动压缩式制冷机在k时段耗电量E (k)与制冷量Q ，(走)成线性关系，耗电量E (k)的上、下限值分别为E 和0．Q (k)： (E (k)，S (k)) 0≤ E (k)≤．其中 S (k)=0或1；i=1，2，⋯，m ．1．6 进气冷却器模型系统中共设置m 气冷却器，进气量为G ，大气温度为L ，进气温度为，进汽最低温度限制为7℃ [ ，以保证压气机吸气口不结冰和进气冷却器有一定传热温差，吸收式制冷机的制冷量只能将进气冷却至12℃左右，而从12℃至712必须由电动制冷机的制冷量来完成，耗电量为E (k)．Σ丘(％(志)， z ))=ΣGi(k)(ro一12)= 1 i： 1Σfj ( )， z ))=ΣG )(12一T0)1．7 蓄冷器模型k+1时段蓄冷器的蓄冷量。

燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配研究摘要：为有效探究燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配，采用模块化建模方法对机组各部件进行建模，并根据热电比关系分析展开了详细的叙述。

结果显示，在纯发电的情况下，不同运作方式之间的最大利润差可为6.02%。

而伴随机组热负荷的持续增加，与纯发电相较而言，效益回报法发电效率的变化趋势产生显著改变。

因此，在确保月发电量与供热量的先决条件下，怎样使小时发电计划与供热计划得到最大的优化分配，并在最大限度地降低机组的天然气消耗，对增加机组的经济效益有着重要作用。

关键词：燃气轮机；循环热电联产；供热供电量优化引言：燃气轮机所采用的发电能源为绿色清洁能源，有着高效、节能、环保的优点。

与燃煤机相比较来说，燃气轮机联合循环机组能够对能源进行梯级利用，供热供电量率高达52%，运作灵活，调峰能力较强。

当前，研究大多限制在燃煤机组，对燃气轮机联合循环机组热电分布的研究基本是空白。

虽然确定了机组的总发电量和供热量，然而若规划分配给每套机组的发电量和供热量，不同的分配方式，也存在着不同的盈利能力。

因此，建议机组在符合发电和供热能力或是纯发电及高热负荷条件下，尽量在高功率负荷和低功率负荷的高效运作。

1方法与模型燃气轮机是以持续流动的气体为介质，通过气体燃烧把燃料能量转化成有用功，然后驱动叶轮高速旋转的动力机器[1]。

近年来，燃气轮机广泛应用于电力、工业、船舶、陆运等领域，其有着稳固的重要地位。

从外观上看，燃气轮机整个壳体是一个大圆筒，前端是一个进气口，中间有一个燃料进口，后面有一个排气口。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和燃气轮机组成。

此外，它还包括入口过滤系统、控制和调节系统、起动系统、润滑油系统、燃油系统、附属齿轮箱和其他辅助设备。

此次研究将基于西门子公司生产的SGT5-4000F燃气轮机展开细致的分析。

燃气轮机联合循环分为顶循环和底循环，其顶循环由压气机、燃烧室以及燃气涡轮组成，底部循环主要包含余热锅炉/汽轮机。

动力与能源工程学院燃气轮机性能分析（报告二）学号：专业：动力机械及工程学生姓名：任课教师：2010年4月燃气轮机燃烧室特性分析一、概述燃烧室是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。

在整台燃气轮机中，它位于压气机与涡轮之间。

燃气轮机运行时，燃烧室在宽广的工况范围内工作。

在燃气轮机变工况的过程中，燃烧室进口的空气流量a G 、温度*2T 、压力*2P 、速度2C 以及燃油消耗量f G 都会发生变化，这些变化反过来又会影响整台燃气轮机的性能。

所以，弄清燃烧室的变工况特性，对整台燃气轮机的变工况运行有积极地意义。

二、燃烧室特性参数表征燃烧室性能指标的参数主要有燃烧室效率、压力损失、稳定性、点火范围、出口温度分布和容热强度等，但与燃气轮机变工况密切相关的参数主要是燃烧室效率和压力损失，前者直接关系到燃气轮机的燃料消耗量（影响燃气轮机的效率），而且还影响到流经涡轮的燃气流量；而后者直接影响到涡轮的膨胀比。

由于燃烧室内部燃烧过程的复杂性，人们还不能全部用理论计算的方法给出燃烧室效率和压力损失随工况的变化关系，这些的关系式主要还是以实验为基础的经验公式。

三、燃烧室效率的计算由于燃烧室壁散热、燃料燃烧不完全以及燃料产物的离解，燃料的热值不能完全利用。

燃烧室效率B η就是用来表征燃料燃烧完全程度的物理量。

燃料室效率的定义是燃油实际用于加热工质的热量与燃油完全燃烧时放出的热量之比。

其表达式**3. 2.mg g ma a mf fB mf uq h q h q h q H η--=式中：ma q —燃烧室进口空气质量流量mg q —燃烧室出口燃气质量流量 mfq —燃油流量*3.gh—燃烧室出口每千克燃气的焓*2.a h —燃烧室入口每千克空气的焓fh —每千克燃油的焓u H —燃油热值在已知燃烧室结构尺寸的情况下，燃烧室主要与燃烧室进口压力、进口温度、进口速度和油气比（余气系数）有关，因此燃烧室效率应该具有以下形式**222(,,,)B f T P c f ηα=或由定性分析可得，随着*2T 增加，燃烧室效率逐渐增加，在达到一定温度后，效率基本保持不变。

燃气轮机电厂部分负荷性能优化与效果评估摘要：天然气联合循环机组因其启停快、灵活性好、效率高、排放清洁、建设周期短而受到中国市场的青睐。

面对世界范围内的环境污染和我国恶劣的环境形势，我们必须采取更严格的环境保护要求来应对。

面对日益严峻的环境保护压力，国内外市场正在引导或迫使燃气轮机制造商推出更清洁、更环保、更高效的燃气轮机发电技术，以实现更低的污染物排放和更好的机组性能。

关键词：燃气轮机电厂；负荷性能；优化；效果评估1部分负荷性能变化在机组正常运行期间，机组的运行状态将根据电网需求进行调整。

在大多数情况下，燃气轮机处于部分负荷运行状态。

当燃气轮机在部分负荷下运行时，随着负荷率的降低，效率开始逐渐下降。

当负荷率下降到较低水平时，燃气轮机的效率急剧下降。

由于燃气轮机出力的减少以及燃气轮机向余热锅炉排放的能量的减少，汽轮机出力也显著降低，导致联合循环出力和效率降低。

通过研究比较发现，随着燃气轮机负荷的逐渐降低，进口可调导叶（IGV）逐渐减小，进口流量逐渐减小，压缩机和涡轮的部件效率降低。

此外，由于压缩机效率对工质流量的变化非常敏感，当流量降低到一定值时，压缩机效率急剧下降。

2部分负荷性能优化的实现方案从热力布雷顿-朗肯联合循环的角度来看，提高联合循环效率的最直接途径是提高涡轮前端温度。

对于用于发电的西门子式重型燃气轮机，传统的运行控制策略是保持燃气轮机的废气温度与满负荷时的废气温度一致。

然而，由于部分负荷下燃气轮机压力比降低等原因，燃气轮机的前部温度远低于可以达到的最高温度，这使得该策略没有充分利用燃气轮机部分负荷时涡轮叶片的温度承载能力。

此时，提高涡轮机前部温度仍有一定的余地。

因此，在部分负荷条件下，可以提高汽轮机前部温度，从而提高机组效率。

对于AE系列燃气轮机，增加部分负荷下汽轮机排气温度修正（tetC）的设定参数，可以提高部分负荷下的汽轮机前部温度，达到提高效率的目的。

在燃气轮机方面，tetC的计算将受到机组运行边界条件（环境温度、压力、湿度、进排气压力损失、燃料成分等）、负荷率、老化状态和其他因素的影响，以及涡轮机空气动力学特性和涡轮机叶片温度的影响。

２０１２年中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会学术年会 ２０１２年１１月２１－２２日，中国深圳369I 摘要本论文介绍了阿尔斯通GT13E2和GT26燃气轮机所带来的运行灵活性和效率方面的改进。

并重点阐述了阿尔斯通GT13E2和GT26燃气轮机优异的燃料灵活性、灵活的运行模式，以及扩展的低负荷调节能力，及其所带来的电厂整体效率的提升。

II 简介全球电力市场面临着新的挑战： 在兴建新电厂以满足不断增长的电力需求同时，还要顾及更加严格的全球环保标准。

提高电厂整体效率是燃气轮机和联合循环技术发展的主要市场推动因素之一，以便能够降低燃料消耗，同时伴随实现降低电力成本的最终目标并产生更低排放（氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳等）。

人们需要运营联合循环电厂以满足不断增大的服务范围，并期望满足从基荷运行到频繁启停等苛刻的灵活运行机制，而这些会对电厂设备造成极大的影响，尤其是对那些在启/停期间承受最大热应力的部件，比如燃气轮机（GT ）、蒸汽轮机（ST ）余热回收锅炉（HRSG ）和水-蒸汽管线等。

在燃气电力行业，市场对运行灵活性的要求已经成为了一项关键因素，并且正变得越来越重要。

OEM 厂商和电厂运营商正在重新定义联合循环电厂的设计方式和负荷机制，以期为目前和未来的运营提供支持。

为中国提供更高发电效率　的阿尔斯通　ＧＴ１３Ｅ２和ＧＴ２６燃气轮机作者：Ｂｅｒｎａｒｄ　Ｔｒｉｐｏｄ、Ｋｌａｕｓ　Ｄｏｅｂｂｅｌｉｎｇ、Ｍａｒｋ　Ｓｔｅｖｅｎｓ、Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ　Ｂｏｈｔｚ、Ｍａｔｔｈｉａｓ　Ｈｉｄｄｅｍａｎｎ和Ａｒｎｏ　Ｓｔｅｉｎ阿尔斯通电力瑞士巴登I 摘要..............................................................................................................................................................369II 简介..............................................................................................................................................................369III GT13E2.........................................................................................................................................................370IV GT26.............................................................................................................................................................383V 参考书目 (396)在中国深圳举行的“中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会学术年会”上提交的论文2012年11月21-22日２０１２年中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会学术年会 ２０１２年１１月２１－２２日，中国深圳370可再生电力（尤其是风电场）的出现和增长，也为电力公司和电网运行商带来了新的机遇和挑战。

Internal Combustion Engine&Parts0引言现阶段，燃气轮机的联供系统多由燃气轮机与发动机共同发动组成，其中的燃料以天然气设备为主，多使用柴油作为备用材料。

本次调研的燃气轮机联供系统为2010年安装调试完毕并投入运营中，并在2012年开始使用，但是燃机的运行经济性相对较差，没有进行正常的商业运营，本次研究即对其系统运营成本进行多方面测控，并最终得出有效改造设计方案。

另外，该地区在2013年实现电负荷的调整改造，燃机网点的电负荷量显著增加，研究其联供系统的运行经济性极为重要。

1燃气轮机联供系统的成本分析燃气轮机联供系统的成本相对较为固定，首先是其消耗的能源费用成本，其次必须综合考虑其运行的管理和维护等，也要考虑设备的折旧因素，可以最终用以抵扣所发电量和供热蒸汽的收入。

本次进行燃机的运行经济效益调整之后发现其中的差别显著，在综合分析了生产的费用和投资成本之间的关系之后，燃机运行的每度电0.4元多，无法与市政电路进行竞争，在经济性等方面也不够合理，但是因为燃机已经安装，如果不使用就会增加较大成本，进行改造之后，燃机的负荷和运行的时间数量显著增加，每度电的成本也相应较低，已经低于市电，并能够持续性的产生较大利润。

如果燃机系统的电负荷数量更多，运行时间增加，则利润相应更高。

在分析不同时段电厂负荷情况之后，发现相对运行时间较长的时段的成本降低，运行的时间越长，在单位电量所分摊的生产和投资费用相应越少，所定的电价数量越低，我们进行综合运行时间分析，结果发现，在2012年的10月-12月，电价高峰期时段，预期的电机时效显著高于市政电机时效，其实际电价相对更低。

我们详细分析了不同时段下改造电机的运行成本，结果发现电机负荷较大的时段其实际的成本较低，因为燃机系统的耗电量主要是由用电的小时数来决定，因此在相同的时间之中，电机的运行负荷量显著增大。

每消耗1千瓦时电量所耗用的电量比例就会更少，其成本也会更低，另外，其他类型的生产和投资费用也会不断减少，从这个角度来分析，燃机系统的电负荷量在其运行范围内越大越好。