燃气机组热力系统全工况优化及策略研究

发布时间：2020-04-25 11:10

【摘要】：燃气-蒸汽联合循环电站在全球范围是一种主流的火力发电形式,相比于燃煤电站有着效率高、污染少、起停快等诸多优点。燃气机组既可以使用传统化石能源天然气,也能利用可再生能源生物质气作为燃料,在未来发电领域有着广阔的应用前景。由于其经常在电网中承担调峰的作用,因此燃气机组往往处于变负荷下运行,其运行效率随之降低。所以对燃气-蒸汽联合循环设计工况和变工况性能的研究与提升是同等重要的。本文以F级机组为基准,分别从联合循环变工况性能提升和部件设计优化两方面展开研究,具体研究内容如下:首先,建立适用于非等流回热循环改造前后的联合循环机组变工况仿真模型,定性给出回热循环改造对联合循环效率的影响,从而确定联合循环变工况性能提升的研究方向,为运行策略优化创新和联合循环回热改造研究奠定基础。并对生物质气层流火焰燃烧速度实验进行简要介绍,描述多层火焰燃烧热力学模型,用于实验数据处理。其次,利用基准联合循环仿真模型开展不同运行策略对机组变工况性能影响分析。通过对比多种IGV策略下基准机组的变工况性能,分析各主要系统参数与各循环间作用关系,寻求机组安全裕度内最优运行策略,总结为变工况下维持较高透平进排气温度有利于燃气轮机联合循环性能。之后,基于燃气-蒸汽联合循环全系统能的梯级利用原理,研究中间回热改造对联合循环全工况性能影响分析。优化余热锅炉受热面与回热器的匹配,将回热器布置在余热锅炉内,从而在发挥回热循环改造对燃气轮机循环性能提升的同时,减少蒸汽轮机循环受到的负面影响。并搭建带中间回热的联合循环变工况模型,针对中间回热机组特征对应创新运行策略,通过热分析和(?)分析对比不同运行策略下改造前后机组的变工况性能,最终提出新型高效运行策略并揭示中间回热改造对联合循环变工况性能的提升机理。随后,基于能的梯级利用原理,分析入口加热改造对联合循环全工况性能影响规律。探索余热锅炉排烟中废热的利用潜力,用于加热压气机入口空气,从而在联合循环中构建新型低品位能回热循环。并针对改造后机组特征创新设计新型的负荷调节方式,通过热分析和(?)分析下改造前后机组变工况性能与参数比较,从而归纳新型高效负荷调节方式的特点,揭示入口加热改造对联合循环变工况性能的提升机理。进而研究回热器压损对改造后循环性能的影响,并探究新型调节与常规IGV调节耦合使用的可行性。最后,基于多层火焰燃烧热力学模型与燃烧试验台进行生物质气层流火焰燃烧速度实验研究。通过定容密闭燃烧法和一维稳态燃烧模拟两种方法分析多种因素(温度、压力、气体成分)对生物质气的层流火焰燃烧速度的影响。在对比验证数据可靠性后,利用实验数据总结归纳燃烧速度在研究范围内的分段拟合公式,用于揭示燃料燃烧特性受各因素的影响,最终为燃气轮机基准燃料由天然气变为生物质气对燃烧室设计的潜在影响提供基础实验数据和理论建议。
【图文】：

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１．１课题背景逡逑能源攸关国家竞争力和民生水准，高效稳定的能源供应是社会进步和科技逡逑发展的重要物质基础之一。当今世界能源消耗依旧以煤、石油、天然气等化石逡逑能源为主［１］，但与发达国家普遍以石油天然气等清洁化石能源为主要能源的能逡逑源体制所不同的是：我国过去发电领域长期严重依赖于煤炭，这一畸形发展间逡逑接导致了近年来大量出现的污染问题［２：｜。逡逑伴随着世界范围对煤电的有序放弃［３］，我国煤炭占一次能源消费的比重近逡逑年也呈现逐步下降的趋势，取而代之的是非化石能源占比的迅速增加［４］。最新逡逑发布的《ＢＰ世界能源展望》中预测［４］：未来至少二十年的全球能源供给增长逡逑主要依赖可再生能源和天然气，同期中国煤炭占比将骤减。这一数据与我国“十逡逑三五规划”中内容高度契合［５］：预计我国煤炭消费比重在２０２０年将降至５８％，逡逑２０３０年进一步降至５０％以下，同期非化石能源比例分别提升至１５％和２０％左逡逑右。逡逑＾逦峰逡逑——邋邋邋邋—逦逦逦逦—＿—邋逦逦—？—邋逡逑

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ｍｍ逡逑过糊．逡逑图１－２邋７／９ＨＡ级燃气轮机安装逡逑Ｆｉｇ．１－２邋７／９ＨＡ邋Ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ逡逑高参数燃机在启动时间方面远优于传统燃煤电厂，以ＧＥ公司生产的Ｈ级逡逑燃气轮机联合循环单轴机组为例，机组在热态（停机时间＜８ｈ）邋／温态（停机时逡逑间８—７２ｈ）／冷态（停机时间＞７２ｈ）的启动响应时间分别为３０ｍｉｎ／６５ｍｉｎ／１１０ｍｉｎ；逡逑二拖一多轴布置机组对应分别为３３ｍｉｎ／７０ｍｉｎ／１１５ｍｉｎ。９Ｅ级燃气二拖一机组逡逑热启动时各主要参数曲线如下图［１１］，全速启动耗时约３０分钟。逡逑１２ＱＵ逦升速过程逦逦荷教过程逦ｊ６６５逡逑ｎｏ－邋逦逦邋６ｉｏ逡逑１００邋＾逦ｍ｜｜：逦ｆＬ邋＿，，－邋７逦逦－ｙ邋５５５逡逑９０１－逦—？—挣气洗量；逦／逦／逦＾＾邋５００逡逑－—逡逑灔？0－逦逦Ｘ逦Ａ邋Ｘ逦／逦／逦３９０邋０逡逑ｌ：１邋ｆＺｌ逡逑；逦Ｓ逡逑Ｊｒ，￣ｒｎ，”５逡逑／逦Ｉ邋＆大燃料ｍ＝７４５ｌｃｇ／Ｓ邋－６０逡逑０逦１逦２逦３逦４逦５逦６逦７逦３逦９邋１０邋１１邋１２邋１３邋１４邋１５邋１６邋１７邋１８邋１９邋２０邋２１邋２２邋２３邋２？邋２３邋２６邋２７邋２８逡逑ｉｆｍｉｎ逡逑图１－３邋ＧＥ公司９Ｅ级燃气轮机热态启动曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｈｏｔ邋ｓｔａｒｔｉｎｇ邋ｕｐ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ＧＥ邋９Ｅ邋ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑燃气轮机是继蒸汽机、内燃机之后的第三代动力机械，相关技术广泛应用逡逑在航空推进、能源发电、舰船动力、分布式供能乃至空气储能等涉及国防、民逡逑生的多个领域中。我国燃气轮机技术起步较晚
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM611.31

【参考文献】