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Damavand发电厂蒸汽注入双压蒸汽压缩机的优化设计和4E分析
摘要：
在目前的研究中进行了利用蒸汽注入燃烧室的联合循环发电厂的能量，能效，经济性和环境（4E）分析。蒸汽从热回收蒸汽发生器（HRSG）的低压（LP）侧供应。根据遗传算法的结果，蒸汽喷射将总的联合循环功率提高了2兆瓦，同时在最佳状态下大大降低了设计成本。一些参数限制了联合循环内的蒸汽喷射用量，这可以被视为燃气轮机功率下降;燃气轮机损失由于压力损失而增加; HRSG的制造成本增长;高压和低压流量变化之间的对立; NOX和CO排放成本取决于最佳条件。本文讨论了在联合循环中实现这种技术的上述限制。在最佳点，能效和热效率值分别从42％和47.6％上升到47.28％和48.94％。计算高压和低压侧的最佳夹点和接近温度分别为35,20,17和37.5。此外，X参数的最优值为23.28％。 X定义为蒸汽与入口空气流量的比值除以燃料与输入空气流量之比，即没有蒸汽注入燃烧室的另一部分.
- 引言:
大部分关于蒸汽注入燃烧室的研究都是实验性的和数值化的，可以认为关于利用蒸汽喷射的联合循环的4E（（1）能量，（2）火用，（3）火用经济和（4）环境）分析是几乎没有的。 Ahmad等人进行了非蒸汽注入联合循环的4E评估，并且目前正在开发中。 Ganjehkaviri等人最近分析了蒸汽涡轮输出蒸汽的质量改进。[2]。 这项工作的优化过程与特定类型的汽轮机无关。 压缩机压力比，压缩机，涡轮等熵效率和燃气轮机入口温度等参数计算在内。 他们的三重目标优化引出了15个联合循环运行的参数的确定。 通常，HRGS设计在非蒸汽喷射条件下用于联合循环。在燃烧室蒸汽喷射的情况下，没有关于HRSG新的配置和设计对联合循环操作影响的调查。 HRSG所要求的在这种情况下对联合循环具有最佳性能的修正也是未知的。在这方面，很多文章都可以作为非蒸汽注入条件下关于HRSG设计的例子。 Casarosa和Franco [3]来自HRSG设计先驱。从其他在HRSG设计和优化中做出贡献的研究人员，Pasha和Sanjeev [4]，Esmaieli等人[5]，Behbahaninia等。 [6]和Ganjekaviri等。 [7]可以提到。为了确定Damavand联合循环能源公司管道燃烧器的最佳燃料流量，Mokhtari等人[8]为了减少各种温度下的燃气轮机损失，建立了HRSG模型。 2015年，Mokhtari等。 [9]设计了HRSG作为太阳能海水淡化研究的一部分，在发电部分选择合适的工作流体。 加湿型燃气轮机（HGT）循环有多种配置，包括蒸汽注入式燃气轮机（SIGT），湿式空气涡轮（HAT）和蒸发式燃气轮机（EvGT）[10]。在SIGT系统中， 蒸汽用HRSG来产生，注入燃气轮机燃烧室，并用作工作流体与空气[11]。最近，一些研究已经测试了注入式蒸汽燃气轮机[12e22]。 Paepe和Dick [14]从技术和经济角度分析了蒸汽喷射式燃气轮机的水回收。Nishida等人[11]分析了两种再生式注蒸汽燃气轮机的性能特点，并将其性能与简单，再生式，注水和注蒸汽燃气轮机循环相关的特性进行了比较。他们提出，蒸汽喷射配置可以应用于柔性热电联合系统。 Wang和Lior [10]研究了一个基于SIGT的热脱盐系统组合系统的性能。他们的分析提高了作者对SIGT能力和海水淡化过程的理解，并开辟了改进和优化的途径。 Hassan Kayhan等人。 [21]研究了燃气轮机循环中蒸汽到燃烧室的喷射。 在他们的研究中，调查了蒸汽注入量，热效率和环境影响（NOx和CO的产生）。 在研究中没有考虑压降，HRSG设计和经济分析。 从其他有价值的作品，Tufalo等人[22]的研究会被提及。 在将蒸汽注入燃烧室的情况下，他们致力于重新搜索以获得数学方程式。 安装的控制系统导致他们调查的燃气轮机（LM2500-PE0）得出了半实验关系的排放分析。 系统用实验数据调整其系数，以预测CO和NOx量。
与燃气轮机一起运行的联合循环和发电循环的问题之一是其意外的功率下降。 这种下降是由现场环境条件造成的，这也会扰乱其他单位的准备。 对于发电厂，需要考虑两个重点：1.通过最大额定功率来提供基于网络的负载。2.关于网络负载的发电机待机变化。伊朗的政府发电厂从能源部的两个职责中获益：1.能量转换2.电路存在备用 本文重点介绍了联合循环的电路存在待机。 联合循环中唯一的控制系统是燃烧室燃油率。 风管式燃烧器的使用增加了导致上游循环（顶部循环）与下游循环（底部循环）分离的燃料消耗。 热交换器，特别是过热器中的翅片尖端温度不应超过600℃。因此，即使这种方法降低了循环效率，该系统也只能在有限的情况下使用。 如前所述，一些调查考虑了这种方法，可以参考[1,8]和[23e25]。
为什么在Damavand联合循环发电厂注蒸汽？
Damavand发电厂位于德黑兰附近，海拔1300米，年平均温度和湿度分别为16.6℃和52％。 它包括12个燃气轮机（V94.2），每个燃气轮机额定功率为160 MW。 建模数据如表1所示。 这项研究中，只对这座发电厂的一个区块，包括一个天然气汽轮机，蒸汽轮机和HRSG进行了研究（图1）。 年平均温度和ISO-温度（15℃）没有明显的不同。 假设压缩机入口体积流量是固定的，而质量流量随温度和压力而变化。 因此，压力下降和空气质量流量是动力下降的原因。 假定该工厂在两种状态下运行，配备和缺少风管燃烧器。由于在没有额外的燃料消耗的情况下功率更好地被改进的事实，该过程在没有使用管道燃烧器的情况下建模。 表1显示了ISO模式下三种主要的空气性质偏差。例如，含水量变化代表从60％变到52％，而ISO状态的温度和压力保持不变。追踪每个参数变化对燃气轮机循环参数的相关影响很有帮助。 可以看出，循环工作压力变化是一个严重影响循环操作参数的因素。因此，需要选择一种方法来增加下游循环的发电量。 一种方法是冷却压缩机入口空气，这是由于ISO模式下的高温差异而合理的。然而，与表1相比，由于年平均温度和ISO模式温度之间的差异较小，所以这似乎是不适当的方法。导致燃气轮机发电耗散的一个制约因素是其入口温度不应超过规定的界限[1,26,27]。由于循环运行增加了二氧化碳和环境负面影响，因此建议将蒸汽注入燃烧室，以减少发电量和环境负面影响。目前的研究，从4E的角度来评估周期。
表1. 环境变化对燃气轮机的影响
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参数 压力变化 温度变化 湿度变化 ISO状态 |
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进气流量(kg/s) 450.709 524.30- 527.687 527.42 燃料流量(kg/s) 8.8563 9.8404 9.9321 9.9361 发电机功率(MW) 139.60 160.35 162.27 162.33 热效率(%) 32.74 33.81 33.91 33.90 |
1.2 HRSG设计对蒸汽喷射情况的重要性
在本研究中，可以认识到，向燃烧室内喷射的蒸汽增加了HRSG内的气体侧压降。因此，本文的目的是为了优化设计蒸汽注入应用的HRSG配置。图1示意性地示出了HRSG和燃气轮机参数如何影响燃气轮机发电。由于压降对HRSG配置的敏感性依赖性，HRSG应设计为如何在燃气轮机中发生最小功率损失。因此，蒸汽喷射的增加是否导致净功率下降还不能确定地报道。这种现象取决于HRSG设计，这将在本研究中解决。图2中引入的等式表明了功率损耗关系。有关它的补充说明可以在HRSG建模部分得到;但是应该注意功率耗散对蒸汽注入的依赖性。燃气轮机的排气质量流量（m_g）与功率损失之间有直接关系。由于蒸汽喷射造成的排气质量流量越多，压降和功率损失就越多。这似乎是一个不可避免的过程。因此，为了降低功耗，对功耗参数可能起重要作用的系统应该进行一些改进。根据图2，HRSG和燃气轮机是循环的重要组成部分。因此，本文分析了蒸汽注入过程中的HRSG设计和配置以及相关功耗。
1.3 情景定义和假设
这里的情景出现在这些目标上：通过改变夹点和接近温度（蒸汽产量增加）来增加上游发电量[5,8,28]。 燃气轮机功率增量; 减少环境成本和温室气体排放; 减少HRSG建设，开采和消耗销毁成本。
表1. 环境变化对燃气轮机的影响
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参数 压力变化 温度变化 湿度变化 ISO状态 |
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进气流量(kg/s) 450.709 524.30- 527.687 527.42 燃料流量(kg/s) 8.8563 9.8404 9.9321 9.9361 发电机功率(MW) 139.60 160.35 162.27 162.33 热效率(%) 32.74 33.81 33.91 33.90 |
图1.蒸汽注入燃烧室的联合循环总览图
燃气轮机功率的增加是通过以下方式来实现的：（1）减小HRSG中的气体侧压降，从而降低功耗[6]; （2）与在相同温度下不进行蒸汽注入的情况下的流量相比，增大燃气轮机入口流量。 在这项研究中，考虑了以下假设和限制： 图2 HRSG和参数是如何影响燃气轮机发电的总览（文献[6]中的方程）
1.空气和燃烧气体产品特性视作温度变化的。
2.现场的潮湿度为52％，ISO状态下为60％[29]。
3.汽轮机出口质量为88％[9,29]。
4.假定燃气轮机入口温度恒定并等于1060℃[30]。
5.为了防止燃烧，假定中间锅炉的散热片密度和高度低于其他热交换器[31]。
6.管布置应该是三角形（基于Damavand电厂信息）
7.根据参考文献的不同，对每个管列中的捕获能量进行计算. [32].
8.为了计算翅片尖端的温度，假定翅片是纵向的，并且在计算基准温度后，翅片尖端的温度可以通过参考文献[32e34]得到。
9. HRSG的HP和LP侧的蒸汽压力和温度分别为90巴，520℃和8.5巴，233℃。收缩温度和接近温度以及冷凝器压力来自于参考文献. [39].对于气体侧，应该知道气体质量流量，HRSG入口温度和烟气组合等参数。10. HRSG中的排污量（BD）假定为5％[29,32].11.由于燃料中存在硫化氢气体（6.5 ppm），所以假定HRSG出口气体的最低温度为110℃。
以下是目前研究中的杰出新颖之处：
✓考虑蒸汽注入的综合循环的能耗，经济和环境分析
✓考虑蒸汽喷射的HRSG设计
✓采用蒸汽注入的联合循环来降低功耗的HRSG优化
✓通过蒸汽注入燃烧室，研究相关环境影响的变化
✓为了净增加功率和降低成本，HRSG优化和Pareto曲线绘图
✓注入蒸汽流量的灵敏度分析
✓通过将它们作为目标函数中的权重系数进行热学和火用效率研究
2.能源分析（1E）
根据以下关系考虑海平面高度（H）表示大气压力：
(1)
H的单位是米，P的单位是巴。2.1.燃气轮机循环建模。燃气轮机循环建模是基于图1中的公式表示的：2.1.1．压缩机压缩机领域控制体积的热力学第一定律：
(2)
假设多变过程和方程的简化得到Eq(3) (3)
其中r是压缩机压力比，等于12. hAC是压缩机等熵效率，设定为85.5％。 钾也是如下计算的：
(4)
为了计算不同温度空气组分的热容量，使用以下关系： (5) 根据文献[35]，系数a，b，c和d可以表示为不同的空气化合物百分比。 每个组分的焓和熵可直接从下式得到[35]： (6) (7) 这个公式中的系数是从文献[35]中与绝对焓和熵计算有关的表中获得的。其中 摩尔质量和气体常数也由方程（8）决定： (8)
2.1.2. 燃烧室图3表示具有蒸汽喷射的燃烧室的示意图。 下列燃烧方程考虑了这种情况：
(9)
在元素守恒之后，可以获得以下关系。 通过考虑燃烧室的热力学第一定律，计算（摩尔燃料与空气比）
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