燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究.doc

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1、燃气-蒸汽联合循环热效率的估算方法研究　　摘要：以燃气－蒸汽联合循环系统为基础，根据黑箱子原理和热力学能量平衡定律考虑系统进入的总能与输出的总能，建立分析模型，给出燃气－蒸汽循环系统各设备的能量平衡和热效率的估算方法，并与精确计算相比较，得出估算方法是可行的。　　关键词：燃气－蒸汽联合循环；热效率；估算　　中图分类号：ＴＫ４７２＋．５文献标识码：Ａ文章编号：0439－８11404－0842-03　　　　ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙEｓｔｉｍａｔｉｏｎMｅｔｈｏｄｏｆＧａｓ－ｓｔｅａｍＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅTher

2、malEfficiency　　　　ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇ－ｂｉｎ，ＸＩＡＯＬｉ－ｃｈｕａｎ　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｇａｓａｎｄｓｔｅａｍｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍａｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂｌａｃｋｂｏｘｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔａｎｄａｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅａｎｄｔｈｅｒｍａｌｅｆｆ

3、ｉｃｉｅｎｃｙｏｆｇａｓａｎｄｓｔｅａｍｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍｕｎｉｔｗａｓｇｉｖｅｎｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｐｒｅｃｉｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓａｎｄｓｔｅａｍｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅ；ｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；estimation　　　　燃气－蒸汽联合循环是目前世界上供电效率最高的发电方式之一，其最高的供电效率已接近６０％，较之传统的蒸汽发电方式供电效率提高近20个百

4、分点［１，２］。燃气－蒸汽联合循环是将天然气在燃气轮机的燃烧室中进行燃烧，产生的高温烟气在燃气透平中做功，燃气轮机排气的热量进入余热锅炉加热水产生蒸汽，然后蒸汽在蒸汽轮机做功。整体循环系统利用了烟气和蒸汽两种工质，将勃莱敦循环和朗肯循环联系在一起，提高了整个系统的热效率。　　燃气－蒸汽联合循环系统主要是由压气机、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备组成［３，４］，其结构示意图如图１所示。对采用燃气－蒸汽联合循环发电电厂的能量的平衡计算和热效率的精确计算是十分困难的。但是在实际工程中又需要了解联合循环系统中能量被

5、转化和利用的份额，以便可以找到提高循环热效率的有效途径，这就需要一种估算循环热效率的方法。　　研究以整体循环系统为基础，把整个循环系统作为一个黑匣子［５，６］，根据热力学能量平衡定律考虑能量进入的总能与能量输出的总能，建立分析模型，给出燃气－蒸汽循环系统的能量平衡和热效率的估算方法。　　１分析模型的建立　　以进入燃烧室的天然气为基准，建立模型计算循环热效率。将系统进行简化，简化后的系统如下：能量在燃气轮机中只有做功和进入余热锅炉；余热锅炉内能量部分产生蒸汽，其余全部以烟气排向大气；进入蒸汽轮机的能量只有做功与

6、经冷凝器损失到环境中去；并且忽略设备间能量传递的损失。整个系统中输入的能量只有燃烧的天然气所含有的能量以及这些天然气完全燃烧所需要的空气携带的能量，输出的能量为余热锅炉中排烟携带的能量、经冷凝器损失的能量和做功输出的能量。分析模型如图２所示。　　设进入燃烧室的天然气含有的能量为Ｑ入，天然气完全燃烧所需空气所携带的能量为Ｑａ，燃气轮机的循环效率为ηｇｔ，余热锅炉的效率为ηｈ，蒸汽轮机的效率为ηｓｔ，则能量在各设备中的分布如下。　　在燃烧室中的能量分布为：　　Ｑ入×ηｒ＋Ｑａ＝Ｑｓ　　式中Ｑｓ为进入燃气轮机的总能

7、量；ηｒ为燃烧室的效率。　　在燃气轮机中的能量分布为：　　×ηｇｔ＋Ｑｈ＝Ｑｓ　　式中Ｑｈ为进入余热锅炉的能量。　　在余热锅炉中的能量分布为：　　Ｑｈ＝Ｑｈ×ηｈ＋Ｑ烟　　式中Ｑ烟为在余热锅炉中经烟气排向环境的能量。　　在蒸汽轮机中的能量分布为：　　Ｑ１＝Ｑ１×ηｓｔ＋Ｑ冷　　式中Ｑ１为进入蒸汽轮机中的能量；Ｑ冷为蒸汽轮机中经冷凝器冷却所损失的能量。　　在循环系统中输入的总能量为Ｑ入＋Ｑａ，输出的能量只有余热锅炉排烟而损失的热量Ｑ烟，蒸汽轮机经冷凝器损失的热量Ｑ冷、燃气轮机和蒸汽轮机产生的电能×ηｇｔ＋Ｑ１η

8、ｓｔ。则该循环系统中损失的能量之和为Ｑ冷＋Ｑ烟，利用的能量之和为×ηｇｔ＋Ｑ１ηｓｔ，循环的热效率为：　　ηｃｃ＝　　２实例计算与分析　　有某一燃气－蒸汽联合循环系统，环境温度为３０℃，其各设备的利用效率：燃气轮机燃烧室的效率为ηｒ１＝０．９８，燃气轮机的循环效率为ηｇｔ＝０．３７，余热锅炉的热效率为ηｈ＝０．７５，蒸汽轮机的循环效率为ηｓｔ＝０．３３，燃料为四川纳溪天然气，其组成成分如表１。　　则