能的梯级转化与燃机变工况特性的耦合机理研究

Integration and optimization of energy & power system mainly focuses on the design condition. In fact, the power system is always operating on the off-design condition, resulting in lower power generation efficiency. In this project, keeping the high design efficieny of gas turbine power system, the off-design condition problem will be solved from the integrated aspects of energy conversion and gas turbine off-design characteristics based the system analysis theory. By exploring the substantial relations between the mechanism of energy cascading utilization (including chemical and physical energy) and gas turbine off-design characteristics (including performance and safety), the mechanism of energy cascading utilization for the off-design operation will be revealed and the basic equation relating energy efficiency, exergy destruction, and off-design operating parameters will be induced. Further more, the principle and the methods will be developed for integration an advanced gas turbine power system under off-design condition. At last, some advanced gas turbine power systems will be proposed, which can be more efficient of off-design performance than the conventional gas turbine power system. By modeling the off-design process, these advanced gas turbine power system will be analyzed and optimized. This project will provide new ideas and methods for the design and operation of efficient gas turbine power system, and provide the theoretic sport for the gas turbine power system suitable to the peak shaving of the power gird.

能源动力系统的集成与优化一般基于设计工况，实际运行工况一旦发生变化，则导致系统性能恶化。本项目基于系统分析方法论，研究能量梯级转化与燃机变工况气动特性之间的耦合机制，在提高设计工况下热力性能的同时，解决燃机发电系统变工况运行效率低的缺陷。通过探索压气机、燃气透平的变工况性能和安全特性与能量梯级转化（包括化学能梯级转化、高中低温热能梯级转化）之间的耦合关系，揭示变工况下燃气轮机热力循环的能量梯级利用机理，建立燃料化学能转化过程中能量利用效率、不可逆损失与变工况运行参数之间的基本关系式，发展变工况下燃气轮机发电系统的系统集成原则和方法。在此基础之上，构建变工况条件下高效运行的燃气轮机发电系统，并通过复杂燃气轮机发电系统变工况性能计算模型进行分析与优化。研究成果将为燃气轮机循环的高效设计与运行提供新思路和方法，为适用于电网调峰的燃气轮机发电系统的开拓提供理论支持。

燃气轮机联合循环发电系统在变工况下其发电效率会大幅度下降，而能源动力系统的集成与优化研究一般都基于设计工况，有鉴于此，本项目基于系统分析方法论，研究能量梯级转化与燃机变工况气动特性之间的耦合机制，通过关键过程和系统方案的集成优化，解决燃气轮机发电系统变工况下效率低的缺陷。.首先，本项目建立了燃气轮机联合循环各个部件的变工况特性模型和变环境温度工况下的性能模型，验证了模型的有效性。之后开展了燃气轮机联合循环变工况热力特性分析，发现变工况下燃气轮机循环的热效率变化幅度较大，对整个联合循环性能具有决定性作用，余热锅炉的㶲效率在变工况下变化不大，燃气品质的降低是燃气轮机变工况性能降低的主要原因。综合分析了变工况下余热锅炉的能量转换特，提出了三压再热余热锅炉变工况性能的半经验半理论简化公式，在100%~50%部分负荷工况下，简化公式的精确度在1.5%以内（大部分指标控制在1%以内），具有简单、快速、精确的特点。在此基础之上，基于燃气轮机变工况特性推导了压气机和透平的变工况耦合因子，结合化学能梯级利用基本方程，推导了燃烧过程中化学能释放与燃机变工况特性的耦合关系式，指出压气机和透平的变工况耦合因子影响着燃气轮机变工况特性，其值小于等于1，也是变工况下导致燃烧室㶲损失率急剧增加的主要原因，分析了负荷调节的必要途径与不同运行策略下的能量释放特性，提出了变工况下燃气轮机联合循环能的梯级利用原则与方法。基于机理分析，提出了一种新型的部分回热联合循环发电系统，其特点为将部分回热及对应负荷调节策略应用于联合循环，与常规联合循环相比，新型联合循环的总出功在设计工况下受回热改造的影响很小（-0.75%），但变工况下联合循环效率有明显提升（低负荷下高出4.9%）；提出了两种新型的LNG冷能驱动的制冷方法，一为氨水吸收式制冷“逆”循环（COP在1.7以上）；另一为结合CO2工质的朗肯循环和压缩制冷循环（COP约为1.4-1.5），并将第二种制冷方式用于燃气轮机的进气冷却，相对于传统进气冷却方式联合循环的功率输出和热效率分别提高0.50~2.47%和0~0.11%。初步开展了燃气轮机联合循环降背压改造研究，通过在余热锅炉末端加设抽风机和对应运行优化，变工况下发电效率相对传统联合循环提高2.1%（在64%负荷下）。