（热能工程专业论文）基于gtcc的组合能量系统及其热经济性评价方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文目录 摘要 在借鉴现有火电机组热力系统热经济性分析方法研究成果的基础上，从传 统的常规热平衡( 热力学基本定律在热力系统计算上的显式表达) 出发，引入矩 阵思想，通过严格数学推导，构建了适于燃气蒸汽联合循环机组热力系统热 经济性分析的矩阵方程组合能量系统方程( c e s e 方程) 。与现有分析方法相比， 该矩阵方程中不但矩阵拓扑结构、元素数值分别与实际机组热力系统结构、热力 参数具有一一对应的映射关系，并且矩阵方程中含有直接表达机组热经济性指标 ( 循环效率) 的矩阵元素，可方便地用数学语言表达热力系统的结构特性和热力 特性，从而使得基于燃气蒸汽联合循环的组合能量系统热力系统分析计算方 法更为严谨与科学。 结合每一方面的分析，给出了详细的计算实例。 关键词：燃气蒸汽联合循环，热力系统，热经济性，组合能量系统 a b s t r a c t b a s e do i lt h e s t u d y o ft h e p r e s e mt h e r m a ls y s t e ma n a l y s i s m e t h o d t 1 e c o m b i n a t i o ne n e r g ys y s t e me q u a t i o n ( c e s e ) h a sb e e nd e r i v e dd i r e c t l yf r o mc i r c l e e 施c i e n c yc a l c u l a t i o ne x p r e s s i o n j nn o r m a l e n e r g y b a l a n c em e t h o db yas t r i c t m a t h e m a t i cd e r i v a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ep r e s e n tg t c ca n a l y s i sm e t h o d s t h e r ei sa o n e t o o n ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o p o l o g i cc o n f i g u r a t i o no ft h ec e s e e q u a t i o na n da c t u a lt h e r m a ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n a n di t sm a t r i xe l e m e n tv a l u e sr e f l e c t t h et h e r m a lp a r a m e t e r so ft h ea c t u a lt h e r l n a ls y s t e m m o r e o v e r t h em a t r i xe q u a t i o n c o n t a i n st h es p e c i a le l e m e n tm a tc a l le x p r e s st h eg t c cp o w e rp l a n tt h e r m a le c o n o m i c i n d e x e s ( c i r c l ee f f i c i e n t 们d i r e c t l y t h es t r u c t u r ea n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g t c ct h e r m a id y n a m i cs y s t e mc a nb ee x p r e s s e di r lm a t h e m a t i c sc o n v e n i e n t l y a i lo f a b o v eh a v em a d et h ea n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h ec e s ee q u a t i o nm o r es t r i c ta n d s c i e n t i f i c 。 a i m i n g a te a c ho f a s p e c ta n a l y s i s ，t h ep a p e r p r o p o s e st h ee x a m p l e a u t h o r ：r a np e n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s o r ：d i r e c t e db yp r o f z h a n gs h u f a n g k e yw o r d s ： g t c c ，t h e r m a ls y s t e m ，t h e r m a le c o n o m y ，c o m b i n a t i o ne n e r g y s y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于g t c c 的组合能量系 统及其热经济性评价方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期 间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文 中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 能源是社会发展的重要物质基础。就人均资源占有量而言，我国是一个人均资 源占有量贫乏的国家，并且我国的能源利用率大大低于发达国家水平，单位国民生 产总值能耗是发达国家的3 5 倍，对能源问题我国政府历来十分重视，节能是 我国能源战略和政策的核心，为了加强能源管理，合理开发和有效利用能源，我国 政府提出了实行“节能优先、结构多元、环境友好、市场推动”的可持续能源发展 战略。 燃气蒸汽联合循环发电机组能充分利用燃气的高位热能和水蒸汽的低位 热能，较大幅度地提高循环效率，近年来获得了长足的发展。目前，燃烧天然气的 联合循环发电机组效率已达到5 5 以上，各种类型的联合循环发电装置在世界范围 内获得了广泛的应用，并且占有相当的比重。与燃煤电站相比，燃气一蒸汽联合循 环电站具有整体循环效率高、启动快、调峰性能好、占地小、建设周期短、厂用电 率低、耗水少、可用率高、对环境污染小等显著优势，受到世界各国的普遍重视。 我国自9 0 年代初开始逐步应用和推广燃气一蒸汽联合循环发电机组，已积累了一定 的建设和使用经验。1 。然而，由于燃气蒸汽联合循环电站既是产能大户又是耗能大 户，加之天然气价格偏高，制约了它的适度发展，如何采用科学的方法，着力降低 燃气一蒸汽联合循环电站的供电燃气消耗是推动联合循环电站发展的紧迫而又重要 的工作之一，而通过对燃气一蒸汽联合循环发电机组的热力系统进行定量分析与计 算，准确获得机组燃气消耗指标则是达到这一目标的先决条件。目前，针对常规火 电机组的热经济性分析方法的研究已经很广泛了，而专门针对燃气一蒸汽联合循环 电站的热经济性分析方法却远远不够，如何借助火电机组热经济分析研究已有的成 果，创新地应用于燃气一蒸汽联合循环机组，并将其推而广之，具有极为重要的理 论和现实意义。 1 1 1 我国的能源状况 我国人口众多，人均资源匮乏，自然生态环境脆弱。2 0 0 4 年，全国一次能源消 费量为1 6 亿吨标准煤，其中煤炭占6 6 1 0 ，石油2 3 4 ，天然气2 7 ，水电7 1 ， 核电0 7 。我国人均能耗为世界平均值的4 5 左右，但能耗强度为世界平均值的2 3 倍以上，其中1 1 个高耗能产业的3 3 种产品能耗比国际先进水平高4 6 左右，这 些高耗能部门与国际水平相比之下，每年多耗能2 _ 3 亿标煤。 我国煤炭累计探明储量达1 0 3 3 4 亿吨，但剩余储量只有9 0 0 亿吨。中国石油的资 1 华北电力大学硕士学位论文 源量为7 8 7 亿吨，剩余可采储量2 3 亿吨。中国煤层气预测资源为3 5 万亿立方米，相 当于4 5 0 亿吨标准煤，排世界第三位，但尚末成规模开发利用。英国电力预测我国 煤炭的可采年限为8 0 年，石油的可采年限为4 0 年，天然气的可采年限为5 0 年。这个 预测虽然不一定准确，但是我国化石能源资源难以保证本世纪我国经济和社会发展 的需求，并且浪费依然严重，使本来就短缺的资源过度递减，确是不争的事实。这 个问题涉及到国家经济安全，人类社会的可持续发展，因此必须引起我们高度重视。 在能源结构方面，我国是世界上少数几个一次能源以煤为主的国家之一，也是 世界最大煤炭消费国。2 0 0 4 年煤炭消费量达1 4 9 亿吨，占一次能源消费量的7 8 3 1 ， 占世界煤炭总消费量的2 9 7 。其它一次能源石油占1 7 6 4 ，天然气占2 1 ，水电 和核电占1 9 5 。这与世界平均消费水平一次能源中煤炭占2 7 ，石油4 0 ，天然气 2 3 ，水电和核电占1 0 差距甚大。随着中国经济发展和能源需求量的增加，能源结 构矛盾日益突出，以煤为主的一次能源结构给中国经济发展带来一定的制约。根据 中国确定的2 0 1 0 远景目标，经济的增长对能源需求量的增加是必然的趋势，按目前 能源结构发展下去，能源消费对社会和环境的压力难以承受，国家实现经济长期可 持续发展战略受到制约。因此，在经济发展的同时，逐步改善能源结构、发展洁净 能源是亟待解决的问题。 能源问题对我们国家的经济发展、环境保护以及对整个世界经济都有重要的影 响。在能源基金会的支持下，国家发改委能源研究所建立的2 0 0 0 2 0 2 0 年时间段 的中国能源需求和中国中长远能源政策选择的情景分析表明，在一般情景中：2 0 2 0 年中国一次能源总需求将达3 2 8 亿吨标煤，比2 0 0 0 年增加2 5 3 ，人均2 2 吨标 准煤。2 0 0 0 年到2 0 2 0 年期间中国的能源消费弹性系数为o 6 5 ，能源需求年均增长 4 8 ，电力需求的增长速度比一次能源更快。2 0 0 3 2 0 1 0 年全社会用电量平均增 长速度为6 6 7 o ，2 0 11 2 0 2 0 年全社会用电量平均增长速度为4 5 5 5 ， 到2 0 2 0 年，全社会用电需求将达4 2 万亿千瓦时，发电装机容量达9 5 亿千瓦， 石油需求为8 7 亿吨标煤，煤炭为2 0 亿吨标煤，碳排放也将达到1 9 4 亿吨，人均 1 3 3 吨碳排放。能源消费的增长将对资源、环境，温室气体排放和能源供应安全施 加更多压力，对中国的能源发展提出了严重的挑战。 1 1 2 我国电力工业发展现状 我国电力工业始于1 8 8 2 年，到2 0 0 5 年已有1 2 3 年的历史。从1 8 8 2 年至1 9 4 9 年，历经6 7 年，装机容量只达到l8 5 g ，发电量4 3 亿千瓦时，分别居世界第2 l 位和第2 5 位。在1 9 4 9 年新中国成立之后的半个世纪中，中国的电力工业取得了迅 速的发展，平均每年以1 0 以上的速度增长，到2 0 0 4 年全国装机容量达到4 4 7 亿 千瓦，并有2 8 亿千瓦电站项目在建特别是近几年来，随着中国经济迸入新一轮 华北电力大学硕士学位论文 增长周期的上升阶段，电力供应出现紧张局面。为此，中国及时调整了电力发展规 划，加快了电力建设步伐。 在加快电源建设的同时，中国电源结构调整也在有序进行。目前全国水电装机 已经突破1 亿千瓦，跃居世界第一位。在超临界、超超临界、环保型火电机组以及 燃气轮机等方面，也加大了技术开发和技术引进的力度，大机组比重明显提高，3 0 万和6 0 万千瓦火电机组已成为电力建设的主力机型。全国安装脱硫设施的电厂已 达到i 0 0 0 万千瓦，在建规模超过5 0 0 万千瓦，单位电量二氧化硫排放量比1 9 9 0 年 减少了4 0 。 1 1 3 当今社会对电力技术的发展要求 2 0 世纪末，伴随着人类所取得的辉煌成就，以往那种以自然资源的巨大消耗为 代价的工业化所引发的人口爆炸、资源短缺、环境恶化等社会问题日益突出，以至 于人类生活、发展以及地球生态平衡都面临着严重的威胁。面对这些问题，人们逐 渐接受了可持续发展理念，并者手在社会各方面实施可持续发展战略。按照可持续 发展的要求，人类需要努力控制人口数量、减少资源消耗、降低环境污染。 上述社会问题在能源领域的具体反映就是能源短缺和能源在转换和消费过卵 中所引起的环境污染问题。到目前为止，人类能够大规模利用，用以满足生产和生 活需要的次能源主要是煤炭、石油、天然气等不可再生的化石燃料。目前这三种 能源占全世界所消耗能源的9 0 左右，预计这种情况在2 l 世纪还将持续相当长的时 间。然而，这三种能源储量有限，在2 0 0 2 年的联合国可持续发展大会上，专家i f 估计：煤炭大约还可开采2 0 0 余年，石油和天然气大约还可开采7 0 年左右。由以 上数据可以看出，煤炭、石油、天然气这三种能源的储量确实有限，即使是可供人 类消费时间最长的煤炭，2 0 0 年在人类历史长河中仅仅是短暂的一瞬。 与此同时，能源转换和消费过程中引起的环境污染、生态破坏等问题已相当严 重。掘统计，排放到大气中的污染物，9 1 的s 0 2 、9 9 的n o x 、9 9 的c o 、7 8 的c 0 2 、 6 0 的粉尘和4 3 的炭化氢是在能源的转换( 主要是燃烧) 过程中产生的。 由此可见，能源行业更加迫切地需要实施可持续发展战略。按照能源可持续发 展的要求，人类在当前必须尽可能有效地利用能源，提高能源转换和使用效率，并 尽可能地减少污染物质的排放，同时要尽可能地增大可再生能源所占的比重。 在一次能源的消费中发电消费所占的比重最大，目前已达到i 3 以上，并且 还在不断增加。在能源可持续发展的总要求下，发电工业除了需继续注重“经济、 可靠、安全”的原则外，还必须满足“高效、洁净”的要求这就决定了发电技术 的基本发展趋势是：近期注重提高效率，降低污染；远期注重采用可再生能源发电。 3 华北电力大学硕士学位论文 展望未来，符合这一趋势的发电技术将会获得快速发展，不符合这一趋势的发电技 术将会被逐步淘汰。燃气蒸汽联合循环机组作为一种效率高、污染小、技术成 熟、可立即大规模装备发电工业的机组，无疑其应用前景极其广泛。 1 1 4 本课题的意义 自2 0 0 3 年起中国能源消费已超过日本，成为仅次于美国的第二大石油消费国。 国内油田开采难度加大；煤炭不仅污染严重，而且由于不规范操作等原因，开采过 程中蕴藏着巨大风险。中国的能源结构缺陷受到越来越多的关注。有关专家分析认 为，天然气将是2 l 世纪的能源主角，加快天然气工业的发展将成为不可扭转的趋势。 我国是一个天然气资源比较丰富的国家。据最新资料，我国天然气总资源量为 5 3 万亿立方米。预测天然气可采资源量为1 2 万亿立方米左右。现已累计探明天然气 可采储量2 6 万亿立方米。目前，天然气剩余可采储量2 万亿立方米，居世界第十五 位。 根据中石油、中石化、中海油三大公司的资源评价研究成果，中西部塔里木， 四川、陕甘宁、准噶尔、柴达木、松辽6 大富气盆地，天然气可采资源达8 8 万亿立 方米，占全国总量的6 2 8 。其中塔里木盆地面积5 6 万平方米，天然气资源量8 3 9 万亿立方米，占全国天然气资源量的2 2 ，占全国陆上天然气资源量的2 8 ，是我国 天然气资源最丰富的盆地之一，鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，蕴藏有丰富 的天然气，天然气总资源量3 6 9 万亿立方米，其中盆地中部资源为1 5 5 万亿立方米， 占总资源量的1 3 8 。近l o 年来大型气田的发现和储量大幅度增长都集中在上述盆 地中。这些盆地发现大气田的可能性高、勘探成本低，得天独厚的优势使它们成为 大气田得以继续发现和快速增加名副其实的“聚宝盆”。专家指出：由于天然气勘 探正处在大气田发现期，预计今后1 5 2 0 年内，天然气年新增探明可采储量达1 6 0 0 亿立方米以上。我国3 0 0 万平方公里海洋国土的天然气资源也十分丰富。经多年研 究证实，我国近海有7 个大的含气盆地，天然气资源近1 4 万亿立方米，有经济价值 的资源量近5 万亿立方米；此外，南沙盆地天然气更加丰富，资源量达8 1 0 万亿立 方米，资源前景非常看好。 有关专家预测，未来几年，我国天然气需求增长将快于煤炭和石油，天然气市 场将在全国范围内得到发育。据预测，2 0 0 5 年我国天然气需求量约6 1 0 亿立方米， 天然气在一次能源消费结构中所占的比例将增加到5 。到2 0 2 0 年，全国天然气的 需求量将达2 0 0 0 亿立方米，其中发电用气和城市燃气增长最快，约占总量的1 3 。 随着燃气轮机技术的日益成熟、天然气资源的进一步开发利用，以及世界范围 内人们对环保质量要求的提高，燃气轮机及其联合循环已经成为世界电力工业的一 4 华北电力大学硕士学位论文 个重要的组成部分。作为既是产能大户又是耗能大户燃气蒸汽联合循环电站， 着力降低燃气蒸汽联合循环电站的供电燃气消耗是实现电力工业节能的一项 重要的工作，而通过对燃气蒸汽联合循环发电机组的热力系统进行定量分析与 计算，准确获得机组燃气消耗指标则是达到这一目标的先决条件。只有明晰知晓实 际运行工况下机组当前的燃气消耗指标，以及各种局部因素( 如蒸汽侧汽水参数变 化、设备参数变化等) 对燃气消耗指标的影响状况，才是优化机组运行管理、确定 影响机组设备运行经济性降低的原因、部位及机组节能潜力。而对燃气蒸汽联 合循环机组热力系统进行定量分析与计算是实现燃气蒸汽联合循环机组节能 降耗的必备基础理论工作之一 目前，针对常规火电机组的热经济性分析方法的研究已经很广泛了，而专门针 对燃气蒸汽联合循环电站的热经济性分析方法却远远不够，仅限于常规热平衡 法和火用分析方法两种方法。随着燃气蒸汽联合循环机组的单机容量的不断增大， 热力系统结构也变得越来越复杂，使用上述两种方法时显得越来越繁琐、复杂其可 变性较差，难以实现其热力系统结构与计算公式在形式上的一一对应关系，不易探 讨系统结构变化对机组运行性能的影响程度，因而通用性不尽理想，造成计算机处 理实现上的困难。如何使燃气蒸汽联合循环机组的热力系统分析这一典型的工 程问题更好地使用严谨的数学方法处理，使得热力系统结构特性完全转化为数学语 言，避免手工操作过程中更多的人为判断的主观干预，从而能够更通用地使用计算 机处理，为燃气蒸汽联合循环机组的热力系统节能提供更为科学和简便实用的 技术手段，是燃气一一蒸汽联合循环机组节能工作的重要课题。 针对上述问题，本文进行了深入细致的分析研究，得出了不同类型的燃气 蒸汽联合循环机组熟力系统分析计算方法。该方法具有结构简单，方程各项的含义 明确，特别便于热力设备局部变化对热经济性的影响，为进一步用矩阵理论研究燃 气一一蒸汽联合循环机组的节能降耗奠定了基础。 1 2g t c c 机组热力系统热经济性计算方法的研究现状 目前针对燃气一蒸汽联合循环电站的热经济性分析方法还比较少，见诸各文献 的可归纳为两种：第一种是基于热力学第一定律的常规热平衡法，第二种是基于热 力学第一定律和第二定律的烟方法。 1 、常规热平衡法 该方法本质上是热力学第一定律在燃气一蒸汽联合循环电站热力系统计算中的 直接表述，是一种单纯的能量平衡方法。它对热力系统内各子系统列能量平衡方程 式，联立方程求解，最终求得系统的热经济指标。该方法概念清晰、计算精度高。 随着计算机的普及，对于任意复杂的热力系统只要编制计算程序，计算机便可很快 华北电力大学硕士学位论文 得到计算结果。但由于计算机程序化对计算方法的通用性要求较高，如果对任意热 力系统计算，主体计算程序都需要重新编程或作较大幅度的修改，那么应用计算机 仅仅是减轻了计算过程的计算工作量，却大大增加了程序设计者的程序设计工作 量。因此，尽管常规热平衡法存在计算工作量大这一不足，也不再是制约其发展的 瓶颈，但由于其通用性不足这一缺陷，特别是当系统比较复杂或对热力系统进行多 方案比较时，直接应用常规热平衡分析法编制程序往往很繁琐，且通用性不佳，制 约了该方法的应用。 2 、火甩方法 媚分析方法，就是以火月概念为基础，火用平衡为工具对燃气蒸汽联合循环系 统的进行计算，计算各部位火用损失的大小及分布，对其能量利用情况进行评价，并 找出薄弱环节，定量评价系统中各种不可逆因素引起的失用损，提出节能措施。火甩分 析方法由于综合考虑了能的量和质的两个方面，能够真正反映出能量损耗的实质， 比起常规热平衡方法客观、科学。通过分析，揭示出能量中火用的转换、传递、利用 和损失的情况，确定出该系统或装置的火用利用效率。这种分析方法和由此得出的效 率是以热力学第一定律和第二定律为基础的。火月方法可以作系统分析，又可以作优 化综合，它可以很方便地进行系统优化，与经济因素结合后可以作设备全寿期成本 计算。 目前，这一方法还处在发展阶段口川，特别是对以下三个方面问题的解决直接 关系到该分析方法的应用。 1 ) 系统集成度的划分 在不同的系统集成度下，所分析火用流的单位火甩成本是不同的。尽管该方法对此 解释为：系统集程度的划分取决于分析者的目的”，但如果以该分析为依据确定产 品成本，例如发电成本作为竞价上网的依据，那么在不同系统集成度下，所计算得 到的发电成本是不唯一的，到底在哪一种系统集成度下所确定的发电成本才是真实 成本，这必然成为研究人员所迫切关心的问题。 2 ) 产品和残留( 或副产品) 的区分 系统输出能量流是产品还是残留( 或副产品) 直接关系到补充方程的确定，进 而影响事件矩阵a 的结构和相应元素数值。这一点对于燃气一蒸汽联合循环机组单 纯发电不是问题，但对于燃气蒸汽联合循环机组热电联产”1 而言，由于存在热、 电两种能量流的输出。因此如何确定这两种能量流是产品还是残留( 或副产品) ， 对热电成本的计算有极大影响。 3 1 各股火用流中火用值的确定 所分析系统内各股火甩流中火用值的确定不但与压力、温度等强度参数有关，而且 有质量有关，而质量需要通过其他分析方法( 如常规热平衡法) 来确定，这在一定 华北电力大学硕士学位论文 程度上给火甩方法的具体应用带来了不便。 1 3 本文的主要研究内容 为避免上述燃气蒸汽联合循环机组分析方法的不足，并充分利用原有火 电机组热经济性分析的研究成果，本文将结合火电机组热力系统热经济分析思想 ( p e d m 方法等) ，以通用性、智能化、精确度和适应计算机计算为研究宗旨，提出 一种新的更科学、更简洁、更通用的燃气蒸汽联合循环机组热经济性分析方法， 使其能够更方便地应用于火电机组热力系统的节能分析，以期对实现燃气蒸汽 联合循环机组的安全与经济运行有所作用。 主要研究内容包括： 1 ) 燃气一蒸汽联合循环基本理论及基本方式综合评述。 2 ) 针对在目前燃气蒸汽联合循环机组热力系统的特点，提出一种新的计 算分析思路，力求基于这种计算分析思路的热经济性计算模型具有较高的 精确度、通用性、智能化和适应计算机计算的特点。 3 ) 以原火电机组热力系统热经济分析方法作为基础，构建一种规律性较强且 适于计算机计算的基于燃气一一蒸汽联合循环的组合能量系统矩阵方程 经济性评价方法。 4 ) 科学的对影响燃气蒸汽联合循环机组热经济性指标的各类汽水进行 分类，使其能够实现对其局部定量分析过程的智能化，即对使用者而言， 不需要具备较高的专业知识，只要按照这种表达方式所确定的规则填写矩 阵即可得到定量分析的结果。 5 ) 针对不同类型的联合循环机组，给出不同的组合能量系统矩阵方程及其经 济性评价方法，并同时给出详细的计算实例。 华北电力大学硕士学位论文 第二章组合能量系统及g t c c 的基本理论 2 1组合能量系统基本概念 能量是指物质做功的本领。广义而言，任何物质都可以转化为能量，但其转化 的难易程度有很大的差别。人类的一切生产和生活，都离不开能量的消耗、转换和 利用。自然界存在的各种能源，通常需要经过转换成所需要的能量形式后才能加以 利用，主要有机械能、热能、化学能、电能、光能、原子能等。而针对上述能量形 式的任何具体能源利用系统都是一个典型的能量生产系统，能量生产系统的大小取 决于研究对象的的范围。根据提供能量形式的不同，可以是只提供单一能量形式的 能量生产系统，如凝汽式发电系统；也可以是提供多种不同能量形式的能量生产系 统，如既能提供电能又能提供热能的供热发电机组。我国的能源百科全书对能 源是这样定义的：能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任形 式能量的载能体资源。根据利用这些能量的载能体的不同，又可将利用这些能源的 能量生产系统分为单一燃料的能量生产系统，如燃煤发电系统；还有综合利用多种 能源的能量生产系统，如分布式供能系统”1 和太阳能一一地热联合闪蒸发电系统”1 等。还可按照能量利用过程中热力循环方式的不同，分为采用单一循环的能量生产 系统，如采用布雷顿循环的燃气轮机发电系统；或采用两种或两种以上的循环方式 的能量生产系统，如燃气蒸汽联合循环发电系统。综上所述，可将现有的能量 生产系统按照能量生产系统的输入侧燃料利用种类是否唯一或按照能量生产系统 输出侧提供的能量形式的是否唯一或按照能量生产系统的热力循环方式是否唯， 将能量生产系统划分为单一或简单的能量生产系统和复杂能量生产系统两大类。 从应用基础研究角度看，能量生产系统研究可分为3 代：第一代的研究基本上 均以热力学第一定律为基础，追求较高的能源利用率；第二代的特点是以热力学第 二定律为基础，注意到能量的品位差别和梯级利用，开始提出总能系统；第三代则 是注意到多学科的交叉结合，追求全面评价系统指标的已有基本雏形但还没有明确 定义的复杂能量生产系统，如联合循环发电系统、功热并供系统、多联产，多重联 合循环系统以及总能工厂等。 迄今为止，传统意义上的能量生产系统大都各自相互独立，这在很大程度上制 约了能源利用率的进一步提高和环保性能的改善。本文从一个崭新的视点，总结提 出了组合能量系统这一概念，组合能量系统概念的提出不是着眼于提高单一的设备 或工艺的能源利用率，而是全面考虑热力、动态、控制、经济，环保等多种因素、 多目标，将多种能量形式、多种循环方式有机的结合起来，从而可以在系统的高度 上，按照能量品位的高低进行梯级利用的原则，总的安排好功、热( 冷) 与工质内 8 华北电力大学硕士学位论文 能等多种能量形式之间的配合关系与转换利用，进而可以在系统高度上总体综合利 用好各级能量，以取得最佳的总效果。 综上所述，本文将组合能量系统( c o m b i n a t i o ne n e r g ys y s t e m ) 总结定义为 从能量生产系统的燃料输入侧或是能量生产系统的能量输出侧或是能量生产系统 的热力循环方式三方面来说，上述三方面中的某一方面或一方面以上是由多种类型 组成的复杂能量生产系统。随着可持续发展理念的深入人心，学科交叉与系统集成 成为动力系统创新的方向，将工程热力学、系统工程理论、计算机科学、经济学、 生态学以及信息理论等多学的交叉和能源利用实践相结合，整体、全面的、系统的 考虑能量系统，将大大推动新型能源动力系统的开拓发展。应用组合能量系统的新 概念来进行系统集成优化、评价能量系统将为研究能源系统拓展一个崭新的视角： 可以针对具体系统，研究确定实现能的梯级利用的基本流程，单元设备和子系统相 互间的连接关系和协调匹配，以产生完成既定功能要求，并满足设计准则的一体化 优化系统。组合能量系统是比较复杂的多变量能量系统，其性能不仅与组成的各子 系统的参数相关，且取决于系统构成流程与各系统的匹配，其复杂性远非简单循环 热力系统所能比拟的。 2 2 蒸汽轮机循环和燃气轮机循环的局限性 由热力学原理可知，任何一种热机循环所能达到的最高热效率均可表示为： 玎：1 一； 1 1 ( 2 1 ) 式中露：循环工质在高温热源的平均吸热温度，k ： 元：循环工质在低温热源( 冷源) 的平均放热温度，k 。 由此可见，欲使热机循环达到较高的热效率，必须使工质的平均吸热温度霉尽 可能的高，同时使工质的平均放热温度不尽可能的低。然而，实际情况往往是：一 种单独的热机循环可以实现较低的工质平均放热温度，却不能实现较高的工质平均 吸热温度；或者相反。发电行业传统上所采用的蒸汽轮机循环和燃气轮机循环就是 这样两种具有相反特征的例子。 一般来说，提高蒸汽轮机循环的工质平均吸热温度是困难的。这是因为，要提 高蒸汽的平均吸热温度面需要同时提高主蒸汽的压力和温度，而压力和温度的同时 提高必然要求锅炉受热面、汽轮机汽缸等部件壁厚加大，使其在热态下工作的可靠 性变差，机组的安全性难以保证。图2 1 给出了德国s i e m e n s 公司对凝汽式汽轮发 电机组进一步发展所可能采取的手段及效益情况的测算，s i e m e n s 公司将汽轮机的 华北电力大学硕士学位论文 进一步发展归结为以下两个方向： ( 1 ) 开发新材料，以便把主蒸汽参数从1 6 6 m p a 5 3 8 。c 5 3 8 的亚临界水平 逐步提高到3 5 o m p a 7 0 0 。c 7 2 0 。c 的超超临界水平； ( 2 ) 采用两次再热等手段改进热力系统及设备的设计。 各种手段结合起来，可使汽轮机组的供电效率在现有基础上提高8 6 。其中， 开发新材料和采用两次再热的目的均是为了提高平均吸热温度，其贡献是提高 6 6 。世界上其他著名的汽轮机制造商也都有与此类似的预测。 系统的设计 徽 j 娼投姑跷 k 按喇 嚣溅 缓 * o 0 5 最 v 一 计算基础 磐 糌 黝 燃料：烟煤梗 缓 机组容量：7 0 0 v i w 缓 凝汽器压力：4 0 0 0 p a 1 钐 。，1 吖6 。7 ，”。a 者器；。；咒蔷。；：。3 。1 ，。5 。1 9 ，a 。，。3 5 ，。，。a 。两次再熟磊蓑嘉毒墨主；曩余鬈吾收 材料f 1 2 p 9 1 1 4 f 6 1 2 舆氏体锏因康镶台金阻力 图2 1 德国s i e m e n s 公司对凝汽式机组发展情况的预测 从图2 - 1 所给出的预测可以得出几点启示： ( 1 ) 提高工质平均吸热温度仍然是常规蒸汽轮机发电技术的主要发展方向 ( 2 ) 提高汽轮机循环的平均吸热温度很困难，即使把主蒸汽参数提高到 3 5 o m p a 7 0 0 。c 7 2 0 。c ，也需付出艰苦努力，而且何时实现也不得而知： ( 3 ) 汽轮发电机组供电效率进一步提高的余地已经不大，充其量不会超过1 0 。 与汽轮机相比，燃气轮机的工作压力不高，高温部件的结构可以做得比较轻巧， 在采用空气或水蒸气对燃烧室及燃气透平关键部件进行冷却的基础上，提高燃气初 温相对容易一些，但降低工质的平均放热温度，必须提高循环的压比，而在目前的 华北电力大学硕士学位论文 技术水平下，既提高燃气轮机的压比，又保证其具有良好的运行性能还存在困难。 总之，燃气轮机发展的主要方向也仍然是提高燃气平均吸热温度。从理论上讲，燃 气初温再提高1 0 0 一2 0 0 是可能的，这可以使燃气轮机发电机组的供电效率在现 有的基础上提高几个百分点。但即便加上其他方面的改进，但燃气轮机的供电效率 也很难提高到5 0 以上。 2 3 联合循环的基本理论 2 3 1 联合循环的热力学原理 图2 - 2 给出了一种理想余热锅炉型联合循环的温一熵图，其原理是：用余热锅 炉( h r s g - - h e a tr e c o v e r ys t e a mg e n e r a t o r ) 吸收燃气轮机排气的热量产生蒸汽， 然后用汽轮机将蒸汽的热量转换为机械功。由于燃气轮机排气的温度比较高，而蒸 汽轮机循环能够利用的蒸汽温度比较低，所以这一原理是可以实现的。 在该循环的燃气轮机子循环中，单位质量工质所获得的热量可由温一熵图上的 面积a - 2 - 3 - c a 表示，对外做功可由面积卜2 3 4 一l 表示，通过余热锅炉传向给水 的热量可由面积b - 5 - 4 - c - b 表示，向外界放出的热量可由面积a 一卜5 一b a 表示。 t obcds 图2 - 2 理想余热锅炉型联合循环的温一熵i 笙i 在该循环的蒸汽轮机子循环中，与单位质量空气相对应的蒸汽( 注意：当流过 燃气轮机的空气量为单位值时，流过蒸汽轮机的蒸汽流量不一定为单位值) 从余热 锅炉吸收的热量可由面积b - 6 - 7 - 8 - 9 - d b 表示，它与面积b - 5 - 4 一c - b 相等，对外所 做的功可由面积6 7 8 - 9 - 1 0 - i i - 6 表示，通过凝汽器向外界放出的热量可由面积 b 一1 1 - 1 0 一d b 表示。显然，在联合循环中，蒸汽轮机子循环的可用能来自于燃气轮 1 1 华北电力大学硕士学位论文 机子循环，是后者不可用能的一部分。 在一定意义上可以认为，燃气轮机是工作于高温区的一种热机，宜于利用高品 位的热量；蒸汽轮机是工作于低温区的一种热机，宜于利用低品位的热量；而联合 循环按照热量梯级利用的原则将燃气轮机和蒸汽轮机结合起来，可以将高品位和低 品位的热量同时利用起来。由于联合循环同时利用了燃气轮机循环平均吸热温度高 和蒸汽轮机循环平均放热温度低的优点，又同时克服了两者的缺点，所以可以达到 较高的循环效率。 2 3 2 联合循环的类型 联合循环的形式多种多样。广义的说，凡是将两个或两个以上的热机循环耦合 在一起的循环均为联合循环。一般，联合循环须由“前置”( t o p i n g ，又称顶置) 循环和“后置”( b o t t o m i n g ，又称为底置) 循环两部分构成。前置循环须是工作于 高温区、输入大部分热量的循环，它会产生大量的余热；后置循环须是工作于低温 区、以前置循环的余热为主要热源的循环。前置循环和后置循环通常用换热器耦合 在一起。 到目前为止，应用最广泛的联合循环是燃气蒸汽联合循环。这种循f 之所 以能获得广泛应用的原因是： ( 1 ) 组成联合循环的设备己在其各自单一循环的动力机组上经过了长期运行 考验，可靠性高，开发费用低； ( 2 ) 空气是最易得和最廉价的工质之一，它能用于燃气轮机，且一般构成高 温的前置循环；水也是最易得和最廉价的工质之一，它能用于汽轮机，且一般构成 低温的后置循环； ( 3 ) 现代燃气轮机排气的温度水平与现代蒸汽轮机蒸汽过程的温度水平可以 良好地搭配，使得燃气轮机循环和蒸汽轮机循环能够成为天然相配的一对前置循环 和后置循环。 燃气一蒸汽联合循环形式也是多种多样的，从热力循环系统中能量转换利用的 组织形式来分，最常见的联合循环类型有：无补燃的余热锅炉型联合循环、补燃的 余热锅炉型联合循环、排气助燃型联合循环、给水加热型联合循环以及并列动力布 置型联合循环。而且还在无补燃式余热锅炉型联合循环的基础上，发展出了以卡林 那循环为底循环的联合循环、程氏双流体联合循环和湿空气透平( h a t ) 联合循环。 此外，人们还开发过增压锅炉型联合循环。但是这些联合循环都是以燃用天然气和 液体燃料为前提的。为使上述联合循环能够燃用固体燃料煤( 石油焦等) ，人 1 2 华北电力大学硕士学位论文 们进一步开发出了整体煤气化联合循环( i g c c ) 、第一代和第二代增压流化床锅炉 型联合循环( p f b c - c c ) 和常压流化床锅炉型联合循环( a f b c c o ) 等新技术。 当然，联合循环的类型远不止于此，它还能与某些先进的能量系统相结合，由 此派生出核电与燃气轮机联合循环相结合的t d 循环、高压气冷堆核能氦气一一蒸 汽联合循环以及高温燃料电池相结合的联合循环等。 2 4 基于燃气一一蒸汽联合循环的组合能量系统 按照本文总结提出的组合能量系统定义，燃气一蒸汽联合循环发电机组由于在 其能量生产系统中的燃料输入侧利用天然气作为燃料( 某些燃气一蒸汽联合循环机 组同时利用了天然气和煤或油作为燃料，如给水加热型燃气一蒸汽联合循环) ，在 其能量生产系统的热力循环方式中同时应用了燃气轮机的布雷顿循环和蒸汽轮机 的朗肯循环，在其能量生产系统的能量输出侧分别或同时输出电能或热能，因而该 能量生产系统亦属于组合能量系统的一种类型。 近年来，随着世界范围天然气开发和利用技术的进展，以燃气轮机为核心的能 量系统以其热力学、生态环境、经济及社会效益等各方面显示出良好的综合性能， 通过多种形式得到广泛重视和应用。在当今能源利用与环境保护的双重压力下，结 合区域供电、分布式发电技术与利用发电或动力生产中废弃的热能来提供冷热( 量) 以及负荷控制、湿度控制、能量存储及其它过程的功和能，使进入组合能量系统的 可利用能量拥有前所未有的高效率，用户可根据用能系统的规模、电、热( 冷) 比、 冷热量比、季节负荷变化采用模块化组合设计选择单元设备和控制系统，其提高能 源利用率和减少环境污染的潜力巨大，因而倍受世界能源届的重视。目前，在这一 领域的研究和开发十分活跃，基于燃气一一蒸汽联合循环的组合能量系统的出发点 正是从系统高度来研究动力系统与各生产过程的相互连接和耦合，实现能源资源的 高效、洁净和经济利用，因而具有十分重要的理论和现实意义。 华北电力大学硕士学位论文 第三章余热锅炉型g t c c 机组热力系统热经济性矩阵分析方法 余热锅炉型燃气蒸汽联合循环机组作为现役运行的联合循环机组的主要 类型之一，同样也属于本文总结提出的组合能量系统中的一种，本文将应用组合能 量系统概念，并借助火电机组热经济分析研究已有的成果，从系统高度来研究这种 联合循环机组的热经济性评价方法，构建了余热锅炉型燃气蒸汽联合循环机组 的组合能量系统矩阵方程，提出了基于该矩阵方程的余热锅炉型燃气蒸汽联合 循环机组热力系统分析计算方法。 3 1余热锅炉型燃气蒸汽联合循环机组的特点 目前应用最广的联合循环是燃烧天然气和液体燃料的余热锅炉型燃气一蒸汽 联合循环，它可以是无补燃式的，也可以是补燃式的。 图3 - 1 为无补燃式余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环系统的示意图。 图3 一l 无补燃式余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环系统 1 一压气机；2 一燃烧室；3 一燃气轮机； 6 4 一余热锅炉( h r s g ) ；5 一蒸汽透平；6 一发电机：7 一凝汽器 由图3 - 1 可知，非补燃余热锅炉型联合循环的实施方法就是在燃气轮机的后面 安装一台余热锅炉，在其中利用燃气透平的排气余热去加热供向蒸汽轮机系统的给 水，使之产生高温高压的水蒸气，进而送到蒸气透平中去膨胀做功。燃气侧和蒸汽 侧两循环的结合点是余热锅炉，故得此名。由于输入循环的热量是在燃气侧的较高 温度下加入的，是一种以燃气轮机为主的联合循环，也是目前各种联合循环中效率 最高、使用最广的联合循环形式在这种联合循环中汽轮机只是燃气轮机的余热利 用设备，汽轮机功率占整体机组总输出功率的比例较小。显然，燃气侧参数对联合 循环系统性能的影响较大，而汽轮机功率和蒸汽参数将取决于燃气轮机的排气参 华北电力大学硕士学位论文 数。一般，这种循环系统的汽轮机与燃气轮机功率比如= 只巴约为1 ：2 ( 0 4 5 0 7 7 ) ，联合循环效率对相应的简单燃气轮机循环的效率比( = ，) 比较大，为1 4 5 1 7 7 。若在燃气轮机的排气段设置旁通烟囱，汽轮机停机时燃气 轮机可以单独运行；但由于在余热锅炉中没有安装燃烧( 补燃) 设备，燃气轮机停 机时汽轮机不能单独工作。为解决上述问题，便有了补燃式余热锅炉型燃气蒸 汽联合循环系统。 图3 - 2 为补燃式余热锅炉型燃气蒸汽联合循环系统的示意图。 所谓“补燃式”的余热锅炉型联合循环是指在余热锅炉中还需补充燃烧一定量 的燃料，这样就可以增大在余热锅炉中产生的蒸汽量，并能提高主蒸汽的热力参数， 由此可以增大联合循环的单机功率。 6 图3 2 补燃式余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环系统 l 压气机：2 一燃烧室；3 一燃气轮机； 4 余热锅炉( h r s g ) ；5 一蒸汽透平；6 - - 发电机；7 一凝汽器 通常由于补燃，联合循环的出力得到显著提高，而循环效率有所下降。此方案 是针对余热锅炉的蒸汽参数低，蒸发量受限制的缺点而设计的。它在燃气轮机与余 热锅炉之间的通道中( 或余热锅炉中) 加装补燃器，将燃气轮机排气中剩余的氧气 用来帮助另行喷入的燃料燃烧，以提高排气温度，便余热锅炉产生参数更高、数量 更多的蒸汽，借以增加汽轮机的功率或对外有效的供热量。由于补燃燃料的能量仅 在蒸汽部分的循环中被利用，未能实现能量的梯级利用，致使随着补燃比的提高， = 乞0 值上升，易= ，下降，并导致了这种型式的联合循环的效率多低于 无补燃的余热锅炉型的效率。因此，补燃的余热锅炉型联合循环多用于热电联产系 统，它通过改变补燃比，灵活地调节热电输出比例。此外，为了避免余热锅炉增设 辐射受热面，使结构过于复杂，余热锅炉入口补燃后的燃气温度最高不超过 8 0 0 - 9 0 0 。c 。另外，考虑到补燃燃料产生的燃气不进入透平的通流部分，因而可采 用劣质燃料。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 在设计联合循环系统时，当燃气轮机已经选定后，倘若不考虑余热锅炉结构的 少量差异阻而引起的流阻损失的微量影响，同时忽略厂用耗电率仉可能发生的微量 变化，那么