联合循环中采用抽汽回热的热力分析

工程热力学喷气发动机联合循环的工作原理及特点喷气发动机是一种常见的动力装置，广泛应用于航空、航天和工业领域。

为了提高发动机的热效率和功率输出，工程热力学中提出了喷气发动机联合循环的概念。

本文将详细介绍喷气发动机联合循环的工作原理以及其特点。

一、工作原理1. 简介喷气发动机联合循环是一种将燃烧室废气与蒸汽动力循环相结合的系统。

在传统的喷气发动机中，大量废气含有高温高能量，而这些废气通常会被直接排放。

而联合循环则利用这些废气，通过燃烧室后的烟气余热来产生蒸汽，再将蒸汽作为额外的工作物质来驱动涡轮，从而提高热效率。

2. 工作流程联合循环的工作流程包括废气余热回收、蒸汽发生、蒸汽冷凝和蒸汽动力循环四个主要步骤。

废气余热回收：燃烧室内产生的高温废气通过换热器进行余热回收，将烟气温度降低至合适的蒸汽发生温度。

蒸汽发生：降温后的废气进入蒸汽发生器，与水进行热交换，使水变为高温高压蒸汽。

蒸汽冷凝：蒸汽通过涡轮推动发电机或其他设备工作，然后进入冷凝器，在冷凝器中与冷却介质进行热交换，变为液体。

蒸汽动力循环：冷凝后的液体被泵送至蒸汽发生器，再次参与蒸汽循环。

二、特点1. 提高热效率联合循环通过废气余热回收和额外的蒸汽动力循环，使废气中的热能得到充分利用，提高了整个系统的热效率。

相较于传统的喷气发动机，联合循环的热效率可提高5-10个百分点。

2. 减少排放联合循环可以减少废气排放，降低对环境的负荷。

废气中的热能被充分回收利用，减少了烟气的温度和排放量，降低了对大气的污染。

3. 提升动力输出利用额外的蒸汽动力循环，喷气发动机的动力输出可以得到进一步提升。

蒸汽的加入增加了额外的工作物质，提高了整个系统的功率。

4. 延长发动机寿命联合循环利用蒸汽冷凝产生的液体作为润滑剂，可在一定程度上减少机件的磨损和热蚀，延长发动机的使用寿命。

5. 多能源适应性联合循环不仅可以利用传统的燃油发生热再利用，还能与其他能源相结合，如天然气、生物质和核能等，具有较强的多能源适应性。

带回热的燃气轮机-有机朗肯联合循环热力设计曹越;赵攀;王江峰;戴义平【摘要】燃气轮机以其高效率、低污染、运行成本低的优点被广泛应用于分布式发电系统中.为了进一步提升天然气资源的利用率,本文提出了带回热的燃气轮机有机朗肯(ORC)联合循环,以高临界温度的有机物为底循环工质,来回收燃气轮机排气中的余热.建立了带回热的燃气轮机ORC联合循环的模型,提出了使该联合循环热效率最优的热力设计方法,进行了不同设计条件下的仿真试验.结果表明,与传统的燃气-蒸汽动力循环相比,带回热的燃气轮机ORC联合循环具有更高的联合循环热效率.选择甲苯作为底循环工质,可以获得最高的联合循环效率.此外,燃气轮机ORC联合循环可以用于热电联供,同时满足区域电负荷和热负荷的要求.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2018(031)001【总页数】5页(P11-15)【关键词】燃气轮机;有机朗肯循环;回热器;甲苯;热力设计【作者】曹越;赵攀;王江峰;戴义平【作者单位】西安交通大学叶轮机械研究所,西安 710049;西安交通大学叶轮机械研究所,西安 710049;西安交通大学叶轮机械研究所,西安 710049;西安交通大学叶轮机械研究所,西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TK472为解决北方城市日益严重的雾霾问题，国务院提出进行电力行业结构调整，以天然气和燃油为能源的燃气轮机机组在电网中的地位日益提高[1]。

而在发电侧产能过剩的背景下，如何合理地将燃气轮机纳入电网成为亟待解决的问题。

发展以中小型燃气轮机为原动机的分布式能源系统是一种解决方案，它可以在满足区域冷热电负荷的条件下，进一步提高电网的稳定性。

在分布式能源系统中，采用有机朗肯循环(ORC)替代蒸汽动力循环来回收燃气轮机排气中的余热成为了近年国内外的研究热点，有机朗肯循环具有余热回收效率高、结构紧凑和不需过热等优点。

Chacartegui等人研究了适用于燃气轮机电站的ORC底循环，得出了ORC可以很好地与带有回热和高压比的燃气轮机匹配[2]。

联合循环电厂汽轮机供热运行的若干问题窥探联合循环电厂（Combined Cycle Power Plant，简称CCPP）是一种高效率的发电系统，它采用了两种不同的发电技术——汽轮机和燃气轮机，以最大限度地利用燃料能量来发电。

在CCPP中，汽轮机以燃气轮机的排烟作为热源，实现了供热运行。

这种系统仍然存在一些问题需要解决。

本文将探讨CCPP供热运行的一些问题，并提出解决方案。

CCPP供热运行的一个问题是燃气轮机排烟温度较高，导致汽轮机的供热效果不佳。

燃气轮机排烟温度通常在500℃以上，而汽轮机的蒸汽进口温度一般在400℃以下。

这种温度差导致了热能的浪费。

为了解决这个问题，可以采用进一步降低燃气轮机排烟温度的技术。

可以通过喷水或喷雾来降低排烟温度，或者采用换热器来回收排烟中的热能。

CCPP供热运行还面临着冷却水的需求量较大的问题。

汽轮机的供热运行需要一定数量的冷却水来保持发电系统的稳定运行。

水资源的短缺可能导致供水困难。

为了解决这个问题，可以采用节水措施来减少冷却水的需求。

可以通过优化冷却系统的设计和操作来减少冷却水的消耗量，或者利用再生水或废水进行循环使用。

CCPP供热运行还可能面临排烟废气排放的问题。

燃气轮机的排烟中含有大量的氮氧化物、二氧化硫等有害物质，对环境造成污染。

为了解决这个问题，可以采用排放控制技术来降低有害物质的排放。

可以采用脱硫、脱氮等技术来减少排烟废气中的污染物含量，并严格执行排放标准。

CCPP供热运行还可能存在运行维护难度大的问题。

由于CCPP采用了复杂的发电技术，需要定期进行维护和检修，以确保设备的正常运行。

由于设备结构复杂，维护难度较大，需要高素质的技术人员来进行维护和检修。

为了解决这个问题，可以加强对技术人员的培训和提高其专业素质，同时建立完善的维护管理制度，确保设备的正常运行和可靠性。

CCPP供热运行存在一些问题，但通过采用相应的解决方案，这些问题是可以解决的。

通过降低燃气轮机排烟温度、优化冷却水的使用、减少排烟废气排放、加强维护和检修等措施，可以改善CCPP的供热运行效果，提高发电系统的运行效率和环保性能。

燃气-蒸汽联合循环机组热经济性分析王茹发布时间：2023-05-31T05:25:16.973Z 来源：《中国电业与能源》2023年6期作者：王茹[导读] 燃气-蒸汽联合循环的优势在于对燃料中的化学能实现能的梯级利用，因具有良好的节能环保和投资效益而得到越来越广泛地发展和应用｡以安萨尔多AE64.3A型燃气轮机组为研究对象，分析外界因素对机组热经济性的影响，分析结果可为电厂运行提供指导性建议｡华电福新江门能源有限公司广东省江门市 529000摘要：燃气-蒸汽联合循环的优势在于对燃料中的化学能实现能的梯级利用，因具有良好的节能环保和投资效益而得到越来越广泛地发展和应用｡以安萨尔多AE64.3A型燃气轮机组为研究对象，分析外界因素对机组热经济性的影响，分析结果可为电厂运行提供指导性建议｡关键词：燃气-蒸汽联合循环；热经济性；外界因素供汽是我国重大的工业及民生保障工程，我国工业供汽主要方式为热电厂集中供汽､区域燃煤锅炉供汽等｡随着环保要求越来越严格，大量小型燃煤供汽锅炉被淘汰取缔，火电机组供汽压力逐渐增大｡安萨尔多AE64.3A型燃气轮机组燃气-蒸汽联合循环机组因热效率高､启停速度快､三废排放少､电热负荷响应迅速等优点，在供汽需求量大且集中､空气质量要求严格的广东地区发展迅速，在广东地区工业供汽中的占比逐年提高。

1研究背景长期以来，中国一次能源结构以煤为主，据预测，到2030年燃煤机组占中国发电装机容量的比例仍将高达58.5%，发电量则占65.7%｡大量燃煤造成了严重的环境污染，发展清洁能源已迫在眉睫｡天然气作为一种清洁优质的能源，其燃烧产物几乎不含粉尘､SO2等有害物质，CO2排放量仅为相同热值煤炭的56%，相对于燃煤发电，天然气发电在节能减排方面优势显著｡目前，燃气轮机及其联合循环机组以其高效低耗､低污染､建设周期短､启停方便､可用率高､安全可靠等优点，在中国正面临着飞跃性的发展机遇｡2燃气-蒸汽联合循环机组的基本工作原理燃气轮机是由压气机､燃烧室和燃气透平等主要模块组成的｡高速旋转的压气机通过从环境中吸入大量空气并进行加压，产生具有一定温度及压力的压缩空气，将其喷入燃烧室中与燃料进行混合燃烧成为高温､高压的燃气，再经过透平膨胀做功｡由于压气机耗功约占透平膨胀做功的1/2~2/3，故燃气轮机能输出一部分净功｡做功后的燃气仍具有较高的温度，且流量较大，这部分能量如果直接排入大气，将引起较大的能量损失，故可将燃气轮机排气引入余热锅炉，通过在余热锅炉中布置的换热器将烟气的余热传递给蒸汽轮机系统的给水，产生具有一定温度及压力的水蒸汽，送到汽轮机中去膨胀做功｡因此，燃气-蒸汽联合循环机组实质上是把燃气轮机的Brayton循环与蒸汽轮机系统的Rankine叠置在一起，实现了能量的梯级利用，从而提高了机组运行的热经济性｡3影响联合循环机组热经济性的因素3.1燃机负荷率对热经济性的影响由于燃机经常要参与调峰运行，频繁大范围的负荷波动导致燃气轮机排气参数经常发生改变，进而影响底循环系统的性能，最终对联合循环机姐的热经济性产生影响｡为定量分析燃机负荷率对联合循环机组经济性的影响，根据设汁厂商提供的热平衡图，基于MATLAB仿真平台模拟计算ISO工况下燃机100%负荷（100%GT）､燃机80%负荷（80%GT）､燃机75%负荷（75%GT）､燃机50%负荷（50%GT）的运行参数｡随着燃气轮机负荷降低，燃气轮机热耗率显著上升，汽轮机热耗率略微下降，联合循环热耗率上升幅度较小，联合循环机组的经济性变差｡当燃机负荷从100%GT降到50%GT时，燃机热耗率上升约31.5%，汽机热耗率下降约1.49%，联合循环热耗率上升约11.8%｡这是由于随着燃机负荷降低，燃料量减少，为保证燃气透平初温基本不变，IGV（进口导流叶片）角度关小，空气流量减少，此时燃气透平排气温度上升，进而提高了底循环系统的热经济性，汽机热耗率降低，从而减缓了联合循环热耗率的上升幅度｡3.2环境温度对热经济性的影响环境温度对联合循环机组热经济性的影响主要体现在影响压气机的进口空气质量和流量，由于压气机是旋转一定容积的空气压缩装置，空气密度随着环境温度的上升而下降，导致进入压气机的空气质量流量减少，压气机运行工况点将发生偏移，导致等熵压缩效率下降，压气机出口温度提高｡为保证燃气轮机输出功率不变，天然气进气流量将势必增加，使得燃气透平排气温度上升，燃气透平排气流量下降｡燃气轮机排气参数作为余热锅炉的入口边界条件，其变化将传递到余热锅炉及蒸汽轮机底循环系统，使得蒸汽轮机输出功率改变，从而对机组整体热经济性产生影响｡环境温度对联合循环热耗率的影响近似呈二次关系｡相同环境温度变化在不同燃气轮机负荷工况下对热经济性的影响不同｡在较高负荷工况（燃机负荷率≥75%），环境温度变化对联合循环热耗率的影响为负相关，即环境温度上升，联合循环机组经济性变好，在环境温度变化量[0℃~20℃]范围内，联合循环热耗率出现极小值，此时经济性最佳｡在较低负荷工况（燃机负荷率≤50%），环境温度变化对联合循环热耗率的影响为正相关，即环境温度下降，联合循环机组经济性变好，在环境温度变化量[-20℃~0℃]范围内出现极小值｡当外界环境温度偏离额定工况时，需要选择计算得到的相应工况下的热经济性影响曲线来指导联合循环化组的经济运行｡3.3大气压力对热经济性的影响大气压力提高，空气密度上升，压气机进气流量增大｡尽管由于压气机运行工况点因入口边界条件改变而偏离设计工况点，导致压比略微下降，但压气机出口空气压力将提离，压气机出口空气温度随压比下降而降低｡所以随着大气压力的提高，燃机效率将上升｡通过计算得出，大气压力变化对联合循环热耗率的影响近似呈线性关系；与大气压力对燃机热耗率的影响不同，联合循环热耗率随大气压力的提高而上升，这是由于随着大气压力的提高，燃气透平排气流量减少，进入余热锅炉的烟气热量减少，导致汽机功率下降，进而使得联合循环热效率下降；不同燃机负荷工况下，大气压力对联合循环热耗率的影响程度不同，负荷越低，大气压力变化引起的联合循环热耗率变化越大，这是由于随着燃机负荷的降低，压气机IGV角度将关小，导致压气机实际压缩过程的流动损失增大；大气压力对联合循环热耗率的影响总体较小，在100%燃气轮机负荷工况下，大气压力每增加1kPa，联合循环热耗率仅约上升1.238kJ/（kW·h）｡3.4叶片积垢影响在一定的环境条件和燃料品质下，正常运行中造成燃机性能下降的一个主要因素是压气机和透平的结垢｡例如A厂M701F型燃机满负荷时，压气机需提供600kg/s以上的空气，以满足燃机正常运行的需要｡由于空气中含有各种污物､灰尘和烟雾等悬浮物质，虽然在压气机进口处装有一粗一精的两级空气过滤器，但因为空气中大约90%以上的悬浮物小于2μm，压气机进气滤不可能将这些物质除尽，这些物质进入压气机后，随着运行时间不断增加，将会逐渐吸附在压气机叶片表面而形成结垢｡压气机叶片的气动性能在叶片积垢后产生衰退：阻力系数增大而升力系数减小，主要原因是由于叶片通道面积变小而导致性能曲线发生明显变化｡3.5大气湿度影响空气比热容会受到燃气轮机吸入空气的水蒸气含量的影响｡而空气比热容对燃气轮机的影响是多方面的：不仅影响压气机功耗，还影响燃气透平的做功量及燃气轮机的燃料量｡燃气轮机的效率及功率都受空气比热容的影响，也就是受大气湿度的影响｡燃机出力､热耗率都受到大气湿度的影响，其中燃机出力受大气湿度的影响更明显｡热耗率在大气湿度40%~60%范围内几乎保持不变，仅在大气湿度大于60%后才缓慢下降，而燃气出力随着大气湿度的升高而不断升高，而且升高的幅度也较大｡4结语为实现燃气-蒸汽联合循环供热机组的供热能力的最大化，保障供汽质量｡安萨尔多AE64.3A型燃气轮机组燃气-蒸汽联合循环机组热经济性进行分析与研究，但由于时间有限，这些研究还不够深入还有一些需要完善及进一步开展的研究工作：a）仿真平台以机组运行的设计工况数据为基准搭建的，需要进一步根据现场的实际数据进行修正；b）联合循环机组的热经济性的研究侧重于机组的稳定运行工况，对机组变工况状态分析较少，建议以后研究加大对变工况机组经济性的分析与研究｡参考文献：[1]杨承，黄志峰，马晓茜.联合循环热电联产机组变工况性能分析[J].中国电机工程学报，2017，37（12）：3514-3524.[2]居文平，吕凯，马汀山，等.供热机组热电解耦技术对比[J].热力发电，2018，47（9）：115-121.[3]裴哲义，王新雷，董存，等.东北供热机组对新能源消纳的影响分析及热电解耦措施[J].电网技术，2017，41（6）：1786-1792.[4]韩朝兵.燃气-蒸汽联合循环机组的能效监测及经济性诊断基[D].南京：东南大学，2015.。