一种单轴联合循环机组燃机功率和汽机功率的计算方法

技术领域

本发明属于单轴联合循环机组领域，具体涉及一种单轴联合循环机组燃机功率和汽机功 率的计算方法。

背景技术

对于燃气-蒸汽单轴联合循环机组来说，该型机组配备单台发电机，发电机与燃气轮机的 转子通过刚性连接传动，并通过离合器(或刚性连接)与汽轮机转子连接传动。这种配置方 式有诸多优点，如降低了初投资、启动方式灵活、简化滑油系统、布置紧凑等，获得了许多 业主的重视和推荐。

单轴联合循环机组运行时，可通过测量直接得到机组总功率，此总功率为燃气轮机功率 和蒸汽轮机功率之和，但无法直接知晓燃气轮机和蒸汽轮机的各自功率。当前一般通过以下 方法来确定单轴联合循环机组的燃机功率和汽机功率：

方法一：由设备制造商提供公式或曲线，获得蒸燃功比，根据机组总功率来划分燃机和 汽机的各自功率。该方法通过给定的蒸燃功比曲线或公式来确定单设备功率往往存在一定的 偏差，因为曲线或公式是通过多台同型机组试验值统计获得，并不是完全适用于在不同环境 条件下的某一特定机组，该方法用于容差较大的运行状态评估尚可接受，但若用于设备性能 保证值的考核，则显得不够严谨。

方法二：首先在联合循环方式下进行某一稳定工况试验，获得机组功率等数据，然后通 过离合器脱扣蒸汽轮机的方法退出联合循环运行方式改为单燃机运行，获得在该环境条件下 的燃气轮机功率；再通过对环境条件等参数的修正，获得同样条件下的联合循环总功率和燃 机功率，从而获得联合循环方式运行下的蒸汽轮机功率。该方法理论上能够获得较为准确的 燃机功率和汽机功率，但操作较为困难，需要在环境条件相对平稳的时间段执行，且汽轮机 打闸脱扣甩负荷，需获得电力调度的同意和批准；另外，汽轮机打闸脱扣影响汽轮机安全和 寿命，且无法在联合循环方式运行时及时获得燃机功率和汽机功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种单轴联合循环机组燃机功率和汽机功率的计算方法，即可以避 免打闸脱扣汽机，又可以准确地获得单轴联合循环机组的燃机功率和汽机功率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种单轴联合循环机组燃机功率和汽机功率的计算方法，包括通过余热锅炉热平衡计算 余热锅炉入口烟气参数，结合余热锅炉入口烟气参数、通过燃气轮机热平衡计算燃气轮机功 率，通过单轴联合循环总功率减去燃气轮机功率，获得汽轮机功率。

优选地，燃气轮机电功率按式(1)计算：

蒸汽轮机电功率按式(2)计算：

式中：为发电机输出端电功率，Btu/h；为燃气轮机轴功率，Btu/h；为汽轮机轴功率，Btu/h。

进一步优选地，式(1)、式(2)中：燃气轮机轴功率按式(3)计算，汽轮机轴功率按式(4)计算：

P

式中：为Q

进一步优选地，在燃气轮机热平衡计算中：通过热平衡方程式(5)计算燃气轮机输出功 率Q

Q

式中：Q

进一步优选地，在式(5)中：热流量/热功率Q

Q

Q

Q

Q

Q

进一步优选地，在余热锅炉热平衡计算中，通过热平衡方程式(11)计算进入余热锅炉 入口的烟气热功率Q

Q

式中：Q

进一步优选地，通过热平衡方程式(12)计算进入余热锅炉入口烟气流量W

式中：W

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明无需同型号机组试验值统计，避免新型机组无统计值的困难，新型机组和存量机 组均可使用，且无需汽机打闸脱扣，无安全风险，不影响机组寿命，且该方法的使用不受环 境条件的限制，通过理论计算获得燃机功率解析解，由联合循环总功率扣除燃机功率获得汽 机功率，适用范围广，无机型限制，无环境条件限制，从根本上解决了同轴联合循环机组无 法准确知晓分设备功率的问题，在单轴联合循环机组中具有重大实用价值。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种单轴联合循环机组燃机功率和汽机功率的计算方法，先通过余热锅炉热平衡计算余 热锅炉入口烟气参数(流量、成分、组分分数)，即燃气轮机排气详细参数已知，已知了燃 气轮机排气详细参数后，再通过燃气轮机热平衡计算燃气轮机输出功率，最后通过单轴联合 循环总功率减去燃气轮机功率计算汽轮机功率。以下具体阐述下本实施例的计算方法：

1、余热锅炉热平衡计算。

先通过余热锅炉热平衡来确定燃气轮机排气流量、组分，为了计算燃气轮机排气的组分， 需要足够的燃气轮机侧数据，以确定排气焓值，如果在机组投运了烟道燃烧器，则还需要考 虑气体组分和输入热量的变化。

现将燃气轮机和余热锅炉看成一个整体，余热锅炉入口烟气即为燃气轮机排气，燃气轮 机入口空气、燃气、注蒸汽/水最终全部进入余热锅炉烟道，而进入燃气轮机的物质除空气外 均可准确地测量获得，流经燃气轮机的空气流量是唯一未知的参数。燃气轮机排气，即进入 余热锅炉的烟气，在余热锅炉烟道内释放的总热量等于工质吸收热量与热损失之和。在确定 进入与流出余热锅炉的气体组分时，将燃气轮机的空气流量分成两部分：燃烧消耗的空气与 平衡温度的空气。燃烧消耗的空气的流量对应燃料完全燃烧由燃烧化学反应完全确定；平衡 温度的空气的流量仅是湿空气，这部分空气流量通过余热锅炉热平衡计算获得。燃气轮机排 气在余热锅炉内释放的总热量等同于余热锅炉进口与出口气体焓值之差乘以各自的流量。

烟气流量由能量平衡确定：进入余热锅炉的热量与燃气轮机排气热量、烟道燃烧器带入 的热量以及进入余热锅炉的工质携带的热量有关；离开余热锅炉的热量与余热锅炉排烟热量、 余热锅炉输出工质的热量以及热量损失有关，热平衡方程为：

Q

式中：Q

除了进口与出口烟气热量外，其他每一项均已知。进、出口烟气热量分别定义为烟气流 量与入口和出口烟气焓值的乘积，烟气焓值参考中间计算过程；烟气流量等于进入燃气轮机 的空气流量加上燃气轮机燃料量以及所有的注蒸汽/水流量。因此，唯一未知的是未测量的空 气流量。

进入燃气轮机的未测量流量的空气分为两部分，一部分用于完全燃烧，另一部分用于热 量平衡，余热锅炉进口与出口烟气所携带的热量同样分为两部分：一部分为燃料燃烧生成的 烟气加上其他补入的物质流所携带的热量，另一部分为用于热量平衡的过量空气流所携带的 热量。

对于纯燃烧烟气，进人余热锅炉的烟气流量和组分基于燃气轮机消耗燃料按化学计量比 燃烧以及所有的注蒸汽/水确定，还应计入烟道燃烧器生成的烟气流量，即确定了余热锅炉出 口烟气流量与组分，由此即可确定余热锅炉进口与出口纯燃料燃烧烟气所携带的热量。平衡 空气流即为湿空气，进出余热锅炉的空气焓值是已知的，因此，平衡空气流量也就确定，进 入余热锅炉的烟气流量等于进入余热锅炉的平衡空气流量和燃烧烟气流量之和。以下热平衡 方程中只有平衡空气流量是唯一未知的参数，可通过余热锅炉进口能量＝余热锅炉出口能量直 接求解得到：

式中：W

由以上余热锅炉热平衡计算，使得余热锅炉热平衡公式中的唯一未知量：平衡空气流量 可直接求解得到，至此，余热锅炉入口烟气流量W

2、燃气轮机热平衡计算。

燃气轮机热平衡涉及燃气轮机轴功率和燃气轮机排气能量，燃气轮机热平衡中系统进口 能量为进人燃气轮机的燃料、空气和注蒸汽/水，系统出口能量为燃气轮机排气能量、产生的 电能、压气机抽气与热损失。进口能量＝出口能量，计算式为：

Q

式中：Q

以上空气、燃料、烟气的热功率Q

Q

Q

Q

Q

Q

余热锅炉热平衡计算时已经获得平衡空气流量W

Q

燃气轮机入口燃料经过精准计量，可以获得准确的入口燃料参数，且燃料化验可以获得 燃料详细的组分和热值等参数，因此，燃料带入燃气轮机的热流量Q

Q

燃气轮机入口处注蒸汽/水的流量、温度、压力等参数通过测量获得，其计算公式为：

Q

燃气轮机压气机抽气量较少，主要用于防喘、密封等，其流量、压力、温度也通过实测 获得，或者考虑到其用量较小，对计算结果的影响不大，也可使用设计值，热流量计算公式 为：

Q

其中，空气焓值计算可采用余热锅炉热平衡计算时中间过程中推荐的方式。

燃气轮机的损失通常包括机械损失和散热损失，通过以下方式获取各损失功率：燃气轮 机机械损失功率通过制造厂家给出的公式或者曲线查得。燃气轮机运行时，其转速为固定值 3000r/min，因此，其转子机械损失变化不大，可取设计值；燃气轮机的散热损失，由制造厂 家提供公式或者曲线查得。

燃气轮机排气直接进入余热锅炉，余热锅炉入口烟气热流量等于燃气轮机排气热流量， 通过余热锅炉热平衡计算时已经获得余热锅炉入口烟气流量、焓值及热流量。因此：

Q

由以上分析可知，燃气轮机热平衡公式中仅燃气轮机功率为未知量，其他均为已知量， 因此求出燃气轮机功率值，即：

Q

单轴联合循环发电机由燃气轮机和汽轮机同时驱动，因此，发电机的轴功等于燃气轮机 轴功率与汽轮机轴功率之和，即：

式中：为Q

燃气轮机轴功率等于燃气轮机功率P

燃气轮机轴功率P

因此，燃气轮机电功率为：

蒸汽轮机电功率为：

综上，单轴联合循环机组燃气轮机和汽轮机电功率划分计算结束。

在本实施例中：计算余热锅炉热平衡和燃气轮机热平衡的过程中，涉及中间步骤计算均 采用现有技术，这里不详细赘述，仅列出部分中间过程的标题如下(这些中间过程的详细计 算步骤均可在ASME PTC4.4-2008燃气轮机余热锅炉性能试验规程、ASME PTC22-2005燃 气轮机性能试验规程中获得，其中燃气的热值计算还可以参考ASTMD3588-98(2017)、DL/T 1605等)。

(1)、空气组分计算；

(2)、燃气燃烧引起的摩尔流量变化；

(3)、燃油燃烧引起的摩尔流量变化；

(4)、燃气的热值；

(5)、燃油的热值；

(6)、气体和焓值；

(7)、余热锅炉入口烟气组成(即燃气轮机排气组成)；

(8)、余热锅炉散热损失。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够 了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质 所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。