茍珈源，吳曉南，李 昊

（西南石油大學 土木工程與測繪學院，成都 610500）

0 引言

制造業(yè)對于電能的需求量較大，為了節(jié)省購電費用和節(jié)約能源，制造業(yè)通過運行燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，得到大量的可用電能[1,2]。目前研究制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組有效地結合布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)，操作更加靈活，得到的能效更高，排放量更低。

雖然制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機具有上述優(yōu)點，但是經過長時間的運行發(fā)現(xiàn)，在制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行過程中，會產生大量的無用功，影響電能的轉化效率，因此本文在當前機組運行方式的基礎上進行改進優(yōu)化，提高制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效。

當前制造業(yè)領域的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行模式存在漏洞和缺陷，負熵消耗較多，運行成本較高。因此本文以制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理作為研究基礎，進一步分析機組參數(shù)對發(fā)電機組運行效率的影響，最終建立制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效優(yōu)化模型，解決以上問題。

1 制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效參數(shù)匹配優(yōu)化分析

1.1 制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理

制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組主要由蒸汽發(fā)生器、燃料燃燒室、省煤器、余熱器、溫度管理器以及余熱控制熱鍋爐構成[3,4]。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的工作原理是在燃氣機組和燃料機組連接處安裝一個余熱控制熱鍋爐，協(xié)助燃氣和蒸汽循環(huán)組件的運行。通過余熱控制熱鍋爐將燃氣循環(huán)和蒸汽循環(huán)過程中，散出的余熱轉化為機械能，提高循環(huán)發(fā)電的驅動動力，提高循環(huán)發(fā)電機組的運行能效。余熱控制鍋爐的工作原理是二次加工燃機循環(huán)的排氣熱量和蒸汽機做功的無用功，將聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的運行能效最大化，其工作能效對于機組的運行能效有關鍵性影響[5,6]。制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理如圖1所示。

圖1 制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理

通過圖1可知，循環(huán)發(fā)電機組運行過程首先是將得到的能源進行相應途徑的預熱，通過溫度的提高，逐漸將其不可轉化的能量轉化為機械能，提高電能的轉化率；然后當預熱溫度達到飽和溫度時，各個能源進入相應的蒸發(fā)器和燃料燃燒室內；最后經過蒸汽循環(huán)和燃氣循環(huán)將蒸汽和燃料機械飽和加熱，達到一定溫度后，以有用功的形式輸出，為發(fā)電機組提高驅動力，完成電能的轉化[7,8]。

1.2 制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效參數(shù)分析

在制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理的基礎上，分析機組在運行過程中所涉及到的重要機組參數(shù)，根據(jù)各個機組參數(shù)的性能和含義，為循環(huán)發(fā)電機組運行能效的優(yōu)化奠定基礎[9,10]。制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組內部傳熱量和溫度之間的關系如圖2所示。

圖2 制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組內部傳熱量和溫度之間關系圖

根據(jù)圖2中傳熱量和溫度之間的關系，分析內部節(jié)點。在制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效的機組參數(shù)主要有節(jié)點溫差、循環(huán)過程中的余熱、循環(huán)排氣量等。

節(jié)點溫差是蒸發(fā)器內部的溫度和混合循環(huán)發(fā)電機組內溫度的差值，節(jié)點溫差對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效有阻礙作用，節(jié)點溫差值越大，那么機組的運行發(fā)電效率越低，但是在混合循環(huán)發(fā)電機組運行過程中，由于機組的工作原理，始終會存在節(jié)點溫差，所以運行能效優(yōu)化過程中只能最大力度地降低節(jié)點溫差值，以便控制發(fā)電機組的運行能效[11]。一方面節(jié)點溫差涉及到運行機組的下位電站的運行效率，因為節(jié)點溫差越大，蒸汽機內部溫度和能源加工溫度的差值大，在蒸汽機和燃氣機內部的加熱時間就越長，導致下位電站的運行時間增加，降低其運行效率；另一方面節(jié)點溫差對于燃氣機內運行溫度有影響，要合理地控制節(jié)點溫差的數(shù)值，確保機組運行能效。

循環(huán)過程中的余熱主要來源于蒸汽機與燃料機工作產生的余熱、機組內部溫度過高產生的余熱，余熱過多代表能用混合循環(huán)的循環(huán)利用效果不好，為了提高循環(huán)發(fā)電機組運行能效，最有效的辦法是將余熱二次加工，使余熱成為有效功。

循環(huán)發(fā)電機組運行的排氣量參數(shù)是運行能效的具體體現(xiàn)，循環(huán)的排氣量越多，代表蒸汽機和燃料機產生的有效功越多，則轉化電能能力越多，因此在對制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效優(yōu)化過程中通過機組的排放量驗證運能能效[12]。

2 建立制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效優(yōu)化模型

燃料是制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行的動力來源，制造業(yè)在電能轉化過程中，常用的燃料是無害的化學產品，但是在燃料轉換過程中會分解一種物質，對循環(huán)發(fā)電機組的組成零件進行損害，降低器件的性能并且縮短發(fā)電機組器件的使用周期。在制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行過程中，燃料為生產組件和耗散組件提供驅動動力，生產組件需要外部燃料燃燒分解的有機物和氣體，才可以驅動生產組件完成工作任務，將有機物和氣體轉化為電能輸出[13]。燃燒室組件如圖3所示。

圖3 燃燒室組件

圖3中燃燒室組件內部的參數(shù)如表1所示。

表1 燃燒室組件內部參數(shù)

燃燒室工作示意圖如圖4所示。

圖4 燃燒室工作示意圖

耗散組件的工作任務是通過燃氣和蒸汽的混合循環(huán)加熱配合其他運行組件的任務驅動，只有內部燃料分解的物質才可完成任務。壓氣機組件如圖5所示。

圖5 壓氣機組件

圖5中的壓氣機組件參數(shù)如表2所示。

表2 壓氣機組件參數(shù)

壓氣機工作示意圖如圖6所示。

其中控制運行組件的變量為燃料量和負熵，因此兩種組件的燃料性能模塊如下所示：

圖6 壓氣機工作示意圖

在燃氣和蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行過程中需要調用許多的組件，每個組件具有不同的工作原理，每個組件的工作原理都是相應組件的轉化模型。燃料室的工作是通過天然氣的化學能和負熵轉化增加燃料化學量。因此燃料室的轉換模型如下所示：

壓氣機的工作原理是通過燃料燃燒產生的氣體驅動壓氣機工作，產生機械能，將機械能壓縮后，從而增加燃料的燃燒室的燃料，提高天然氣的化學能和負熵，促進泵的運行[14,15]。轉化模型計算公式如下所示：

通過壓氣機壓縮機械能量、將天然氣轉換成電能后，通過冷凝-散熱機制消耗負熵，使燃燒燃料的燃燒室內天然氣產生的化學能和負熵增大，使天然氣和空氣產生的氣體產生負熵，冷凝器的轉化模型如下所示：

通過以上對蒸汽和燃料混合循環(huán)發(fā)電機組運行組件的運行性能研究，本文根據(jù)其原理對循環(huán)發(fā)電機組的蒸汽循環(huán)和燃料循環(huán)統(tǒng)一進行合理的優(yōu)化，達到提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效的目的。

因為燃料循環(huán)產生的氣體都充分聚集在循環(huán)倉的內部，并且燃料循環(huán)可以促進蒸汽循環(huán)的轉化率，因此燃料循環(huán)也被稱為頂循環(huán)。目前控制聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)內燃料室的溫度下限為1500攝氏度，上限沒有具體的規(guī)定，如果燃料燃燒充分，那么會適當提高燃料室的溫度。燃料循環(huán)的循環(huán)性能取決于燃機的燃燒轉換率，因為燃燒機的工作轉化率跟組件的性能有關，轉化率越高，燃燒循環(huán)周期越短，燃燒能效越好，因此根據(jù)燃燒機的工作負荷情況，能效發(fā)生周期性變化。

蒸汽循環(huán)的循環(huán)驅動力主要來源于燃料循環(huán)的?，根據(jù)驅動力和自身的燃燒動力，完成循環(huán)操作，蒸汽循環(huán)的主要組件是凝氣器和蒸發(fā)器。凝汽器通過提取每次循環(huán)剩余的熱量進行冷凝處理，從而保證蒸汽循環(huán)組件的安全性；蒸發(fā)器的工作是將燃料循環(huán)的部分熱量和蒸汽循環(huán)環(huán)境的溫度熱量共同轉化為電能。

為此根據(jù)蒸汽循環(huán)、燃料循環(huán)的工作原理分析以及制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效機組參數(shù)分析優(yōu)化模型如下所示：

其中，h1代表燃料循環(huán)的溫度；h4代表蒸汽循環(huán)的溫度；i1代表環(huán)境溫度；isui代表聯(lián)合循環(huán)的熱效率。

通過以上公式，可以得出循環(huán)燃料和蒸汽聯(lián)合循環(huán)的溫度越高，則聯(lián)合循環(huán)的運行能效越高。綜上所述，通過提高燃料循環(huán)和蒸汽循環(huán)的循環(huán)溫度和工作環(huán)境溫度方法，提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的運行能效是可行的。

3 實驗研究

為驗證本文提出的制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行能效優(yōu)化方法的有效性，與當前優(yōu)化方法進行實驗對比。選擇鞍山某電廠的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機，發(fā)電機參數(shù)如表3所示。

表3 實驗參數(shù)

計算負熵消耗，得到的實驗結果如圖7所示。

圖7 負熵消耗實驗結果

根據(jù)圖7可知，經過所提優(yōu)化方法優(yōu)化后制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的消耗的負熵小于當前方法。在各個內部組件中，燃料的成本本最高，所以燃燒室的負熵消耗最大。所提研究的優(yōu)化方法針對燃燒室進行了特殊優(yōu)化，能夠在短時間內對排氣損失進行修正，減少負熵消耗。

優(yōu)化成本實驗結果如圖8所示。

圖8 消耗成本實驗結果

根據(jù)圖8所示，所提優(yōu)化方法能夠有效降低工作成本，在優(yōu)化過程，所提優(yōu)化方法能夠逐漸減少下位機的排放損失。能夠針對上位電機和下位電機的連接處參數(shù)進行分析，在確定不同的耦合參數(shù)后，通過優(yōu)化耦合參數(shù)提高聯(lián)合循環(huán)的整體效率。本文針對節(jié)點溫差、循環(huán)過程中的余熱、循環(huán)排氣量進行參數(shù)優(yōu)化，建立的優(yōu)化模型能夠有效提高聯(lián)合循環(huán)的運行能效，具有很強的實際應用價值。

4 結語

本文通過了解制造業(yè)用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行原理，并根據(jù)循環(huán)發(fā)電機組運行參數(shù)對能效的影響情況，建立循環(huán)發(fā)電機組運行燃料優(yōu)化模型，合理地對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行模式進行優(yōu)化，解決當前發(fā)電機組負熵消耗多，運行成本高的問題。