一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法與流程
2023-04-23 12:20:06
本發明涉及軟測量技術領域，特別涉及一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法。
背景技術：
聯合聯產為燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產的簡稱，是分布式能源系統中一種典型的系統形式，包含燃氣輪機組的勃雷登循環和餘熱鍋爐及熱電聯產汽輪機的朗肯循環兩個部分。在勃雷登循環中，天然氣與壓縮空氣在燃氣輪機內燃燒並作功，除了驅動壓氣機耗功外還對外做功；在朗肯循環中，燃機排放的煙氣在餘熱鍋爐內換熱產生蒸汽並在熱電聯產汽輪機內作功，同時汽輪機的抽汽或排汽用於供熱。這種分布式能源系統既具備使用天然氣清潔燃料的環保優勢，又具有燃氣蒸汽聯合循環及熱電聯產過程中能量轉換效率高的優點。因此，在燃機循環工作過程中，測算燃氣蒸汽聯合循環及熱電聯產過程中的能量轉換量具有十分重大的意義，通過測算能量損失率來體現燃機的工作性能。
目前，對於蒸汽輪機的朗肯循環過程中，已有標準的能量平衡測算方法以及相關的效率測算方法，但是還未有聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，影響了聯合聯產機組的熱耗分攤及發電與供熱分項指標的測算，因此開發出聯合聯產機組中燃機的能量平衡與能量損失率的測算方法成為軟測量技術領域亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的發明目的在於提供一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，以解決目前還未有聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，影響聯合聯產機組的熱耗分攤及發電與供熱分項指標的測算的問題。
根據本發明的實施例，提供了一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，包括以下步驟：
S1、獲取聯合聯產機組中燃機的熱力學參數和所述燃機的發電量；其中，所述熱力學參數包括輸入燃機的天然氣量、輸入所述燃機的空氣量、所述燃機的排煙溫度和所述燃機的排煙量；
S2、根據所述熱力學參數，利用求解方程，得到數據結果；其中所述數據結果包括天然氣帶入的熱量值、輸入空氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙焓值和所述燃機的排煙熱量值；
S3、根據所述數據結果和所述燃機的發電量，建立燃機能量平衡關係式；
S4、根據所述燃機能量平衡關係式，得到所述燃機的能量損失值；
S5、根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率。
優選地，所述步驟S2中，所述根據所述熱力學參數，利用求解方程，得到數據結果的過程包括：
獲取輸入所述燃機中的天然氣量，根據第一熱量計算方程，得到所述天然氣帶入的熱量值；
獲取輸入所述燃機中的空氣量，根據第二熱量計算方程組，得到所述輸入空氣帶入的熱量值；
獲取所述燃機的排煙溫度，根據排煙焓計算方程，得到所述燃機的排煙焓值；
獲取所述燃機的排煙量，根據所述燃機的排煙焓計算方程和排煙熱量計算方程，得到所述燃機的排煙熱量值。
優選地，所述第一熱量計算方程為：
BQar＝B·Qar；
式中，BQar表示所述天然氣帶入的熱量值，B表示所述天然氣量，Qar表示天然氣的低位熱值。
優選地，所述第二熱量計算方程組為：
Hair＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)；
Qair＝Bair·Hair；
式中，d表示空氣含溼量，P表示環境氣壓，t表示環境溫度，Ps表示水蒸氣在溫度t時對應的飽和壓力，表示環境相對溼度，Hair表示輸入空氣的焓值，Qair表示所述輸入空氣帶入的熱量值，Bair表示輸入所述燃機的空氣量。
優選地，所述排煙焓計算方程為：
Hgas＝∑Ni(cυ)iVm/M；
式中，Hgas表示所述燃機的排煙焓值，Ni表示煙氣中各成分i的物質的量，M表示排煙的摩爾質量，γ表示所述燃機的排煙溫度，Vm表示氣體的摩爾體積，(cυ)i表示i成分在溫度γ時的焓值。
優選地，所述排煙熱量計算方程為：
Qgas＝Bgas·Hgas；
式中，Qgas表示所述燃機的排煙熱量值，Qar表示所述天然氣的低位熱值，BQar表示所述天然氣帶入的熱量值。
優選地，所述步驟S3中，所述燃機能量平衡關係式為：
BQar+Qair＝Qgas+3600Pgt/ηmg+dQgas；
式中：BQar表示所述天然氣帶入的熱量，Qair表示所述輸入空氣帶入的熱量值，Pgt表示所述燃機的發電量，ηmg表示所述燃機內的機械效率與發電機效率的乘積。
優選地，所述步驟S4中，所述根據所述燃機能量平衡關係式，得到能量損失值包括：
利用所述燃機能量平衡關係式，對轉換方程進行求解，得到所述能量損失值；其中，所述轉換方程為：
dQgas＝BQar+Qair-Qgas-3600Pgt/ηmg；
式中，dQgas表示所述燃機的能量損失值，BQar表示所述天然氣帶入的熱量值，Qair表示所述輸入空氣帶入的熱量值，Pgt表示所述燃機的發電量，ηmg表示所述燃機內的機械效率與發電機效率的乘積，d表示所述空氣含溼量，Qgas表示所述燃機的排煙熱量值。
優選地，所述步驟S5中，所述根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率的過程包括：
利用所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，對所述能量損失率計算方程進行求解，得到燃機能量損失率；其中，所述能量損失率計算方程為：
式中，ζg表示所述燃機能量損失率，dQgas表示所述燃機的能量損失值，BQar表示所述天然氣帶入的熱量值，Qair表示所述輸入空氣帶入的熱量值。
由以上技術方案可知，本發明實施例提供了一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，包括以下步驟：獲取聯合聯產機組中燃機的熱力學參數和所述燃機的發電量；根據所述熱力學參數，利用求解方程，得到數據結果；根據所述數據結果和所述燃機的發電量，建立燃機能量平衡關係式；根據所述燃機能量平衡關係式，得到所述燃機的能量損失值；根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率。本發明提供的方法，通過獲取聯合聯產機組中燃機的相關熱力學參數以及發電量，建立燃機的能量平衡關係式，最終測算出燃機的能量損失率。該方法分別取用輸入燃機的天然氣量，天然氣低位熱值；輸入燃機的空氣量，環境氣壓、環境溫度、環境相對溼度；燃機的排煙量、排煙溫度和排煙各成分組成；燃氣輪機組的發電量；通過計算得到輸入空氣帶入的熱量值、天然氣帶入的熱量值、燃機的排煙焓值和排煙熱量值。再根據上述數據建立燃機的能量平衡關係式，計算得出燃機的能量損失值，最終測算出燃機的能量損失率。本發明提供的方法簡單方便，可準確測算出燃機的能量損失率，解決目前還未有聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，影響聯合聯產機組的熱耗分攤及發電與供熱分項指標的測算的問題，並為後續提出聯合聯產機組的熱量分攤及發電與供熱分項指標奠定了基礎。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例示出的聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法的流程圖；
圖2為本發明實施例示出的聯合聯產機組中燃機的能量平衡圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參閱圖1和圖2，本發明實施例提供了一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，包括以下步驟：
S1、獲取聯合聯產機組中燃機的熱力學參數和所述燃機的發電量；
S2、根據所述熱力學參數，利用求解方程，得到數據結果；
S3、根據所述數據結果和所述燃機的發電量，建立燃機能量平衡關係式；
S4、根據所述燃機能量平衡關係式，得到所述燃機的能量損失值；
S5、根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率。
具體地，在步驟S1中，獲取聯合聯產機組中燃機的熱力學參數和所述燃機的發電量；其中，所述熱力學參數包括輸入燃機的天然氣量、輸入所述燃機的空氣量、所述燃機的排煙溫度和所述燃機的排煙量。
在燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產的系統中，在燃氣輪機中注入天然氣後，燃氣輪機才能正常工作；天然氣進入到燃氣輪機中時，會將自身的熱量和外界的熱量帶入到燃氣輪機中，而改變燃氣輪機中的熱量平衡，因此需首先計算出天然氣燃料注入到燃氣輪機過程中帶入的熱量值。
第一步，計算輸入燃氣輪機中天然氣帶入的熱量BQar。天然氣燃料帶入的熱量值BQar可由注入燃氣輪機的天然氣量B和天然氣的低位熱值Qar計算得出；在實際測算時，獲取具體工況下的輸入燃氣輪機的天然氣量B和天然氣的低位熱值Qar，二者相乘即可得到天然氣燃料帶入的熱量BQar，如下式所示：
BQar＝B·Qar。
第二步，計算帶入到燃氣輪機的外界的熱量，該外界的熱量為空氣自身的熱量，因此要計算出輸入空氣帶入的熱量值Qair。
獲取該工況下輸入燃氣輪機的空氣量Bair、環境的氣壓P、環境溫度t和環境相對溼度通過下式先計算出空氣的含溼量d：
式中，Ps為水蒸氣在溫度t時對應的飽和壓力。
再根據溼空氣焓值計算公式，計算出輸入空氣的焓值Hair，溼空氣焓值計算公式如下式所示：
Hair＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)；
最終，根據得到的輸入空氣的焓值Hair和在工況現場獲取的輸入燃氣輪機的空氣量Bair，通過計算得到輸入空氣帶入的熱量值Qair。輸入空氣帶入的熱量值Qair的計算公式參照下式：
Qair＝Bair·Hair。
第三步，計算出燃氣機組的排煙熱量Qgas；
燃氣機組在工作過程中，不僅會產生熱量，也會隨著煙氣的排出而釋放熱量，為了精準體現燃氣輪機內的熱量平衡，要測算出燃氣輪機的排煙熱量Qgas。
在計算燃氣輪機的排煙熱量值Qgas時，要先計算出燃氣輪機的排煙焓值Hgas。燃氣輪機的排煙焓值Hgas的計算公式參照下式：
Hgas＝∑Ni(cυ)iVm/M；
式中，Hgas表示排煙焓，值Ni表示煙氣中各成分i的物質的量，M表示排煙的摩爾質量，γ表示燃機的排煙溫度，(cυ)i表示i成分在溫度γ時的焓值，Vm表示氣體的摩爾體積。
獲取該工況下燃氣輪機的排煙溫度γ，排煙的摩爾質量M和各成分i(CO2、H2O、N2和O2)的物質的量Ni；再通過查詢相關成分的焓溫表，獲取i成分在溫度γ時的焓值(cυ)i，氣體的摩爾體積，此處，氣體的摩爾體積Vm為理想氣體的摩爾體積22.4L/mole；將獲取到的各參數值帶入到上式中，得到燃氣輪機的排煙焓值Hgas。
再獲取該工況下的燃氣輪機的排煙量Bgas，根據下式，計算出燃氣輪機的排煙熱量值Qgas。
Qgas＝Bgas·Hgas；
第四步，獲取該工況下燃氣輪機的發電量Pgt，以備後序使用。
在步驟S3中，根據所述數據結果和所述燃機的發電量，建立燃機能量平衡關係式；
根據步驟S2中計算得到的數據結果：天然氣燃料帶入的熱量值BQar，輸入空氣帶入的熱量值Qair，燃氣輪機組的排煙熱量值Qgas和燃氣輪機組的發電量Pgt，建立燃機能量平衡關係式，如下式所示：
BQar+Qair＝Qgas+3600Pgt/ηmg+dQgas；
式中，dQgas表示燃氣輪機的能量損失，ηmg表示燃氣輪機發電機內機械效率與發電機效率的乘積，此處取為常數0.96。
在步驟S4中，根據所述燃機能量平衡關係式，得到燃機的能量損失值；
由燃機能量平衡關係式進行轉換，得到計算燃氣輪機的能量損失值dQgas的計算公式，如下式所示：
dQgas＝BQar+Qair-Qgas-3600Pgt/ηmg；
代入由步驟S2計算得到的相關數據結果，得到燃氣輪機的能量損失值dQgas。
在步驟S5中，根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率。
燃氣輪機的能量損失率ζg的計算公式如下式所示：
將上述各步驟中得到的相關數據結果，代入到上式中，通過計算即可得到燃機能量損失率ζg。
由以上技術方案可知，本發明實施例提供了一種聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，包括以下步驟：獲取聯合聯產機組中燃機的熱力學參數和所述燃機的發電量；根據所述熱力學參數，利用求解方程，得到數據結果；根據所述數據結果和所述燃機的發電量，建立燃機能量平衡關係式；根據所述燃機能量平衡關係式，得到所述燃機的能量損失值；根據所述天然氣帶入的熱量值、所述燃機的排煙熱量值和所述燃機的能量損失值，得到燃機能量損失率。本發明提供的方法，通過獲取聯合聯產機組中燃機的相關熱力學參數以及發電量，建立燃機的能量平衡關係式，最終測算出燃機的能量損失率。該方法分別取用輸入燃機的天然氣量，天然氣低位熱值；輸入燃機的空氣量，環境氣壓、環境溫度、環境相對溼度；燃機的排煙量、排煙溫度和排煙各成分組成；燃氣輪機組的發電量；通過計算得到輸入空氣帶入的熱量值、天然氣帶入的熱量值、燃機的排煙焓值和排煙熱量值。再根據上述數據建立燃機的能量平衡關係式，計算得出燃機的能量損失值，最終測算出燃機的能量損失率。本發明提供的方法簡單方便，可準確測算出燃機的能量損失率，解決目前還未有聯合聯產機組中燃機能量損失率的測算方法，影響聯合聯產機組的熱耗分攤及發電與供熱分項指標的測算的問題，並為後續提出聯合聯產機組的熱量分攤及發電與供熱分項指標奠定了基礎。
下面結合具體實施例來詳細說明本發明的技術方案的有益效果。
以測算某廠S109FA型聯合聯產機組的能量損失率作為示例。
第一步，當燃氣輪機發電的熱平衡為100％負荷時，獲取此工況條件下輸入燃氣輪機的天然氣量B為50.7t/h，天然氣的低位熱值Qar為48686.3KJ/Kg，由此可計算得出，天然氣燃料帶入的熱量BQar＝2468.39541GJ/h。
第二步，再獲取100％負荷下輸入燃氣輪機的空氣量Bair為2328.3t/h，環境的氣壓P為101.35kPa，環境溫度t為15℃，環境相對溼度為60％。
先根據下式計算出空氣含溼量d：
式中，水蒸氣在溫度為15℃時對應的飽和壓力P為1.7068kPa。
再根據溼空氣焓值計算公式，計算出輸入空氣的焓值Hair：
Hair＝1.005t+0.001d(2501+1.86t)＝31.1KJ/Kg；
由以上計算結果，參照下式，計算出輸入空氣帶入的熱量值Qair；
Qair＝Bair·Hair＝72.41013GJ/h；
第三步，計算燃氣輪機的排煙熱量；
獲取相關參數：在100％負荷的工況下，燃氣輪機組的排煙溫度θ為604.8℃，排煙的摩爾質量M為28.39g/mole，氣體摩爾體積Vm取理想氣體的摩爾體積22.4L/mole。各成分i的物質的量Ni，以及i成分在溫度θ時的焓值(cυ)i，分別為：
首先，根據上述數據，計算出燃氣輪機的排煙焓值Hgas：
Hgas＝∑Ni(cυ)iVm/M＝656.4KJ/Kg；
再獲取100％負荷的工況下，燃氣輪機的排煙量Bgas為2383.7t/h；根據下式計算燃氣輪機組的排煙熱量Qgas：
Qgas＝Bgas·Hgas＝1564.66068GJ/h；
在100％負荷的工況條件下，燃氣輪機組的發電量Pgt為255.52MW。燃氣輪機發電機組內機械效率與發電機效率的乘積ηmg，取為常數0.96。
根據上述步驟中得到的天然氣燃料帶入的熱量值BQar＝2468.39541GJ/h，輸入空氣帶入的熱量值Qair＝72.41013GJ/h，燃氣輪機組的排煙熱量值Qgas＝1564.66068GJ/h和燃氣輪機組的發電量Pgt＝255.52MW，建立燃機能量平衡關係式。
燃機能量平衡關係式如下：
BQar+Qair＝Qgas+3600Pgt/ηmg+dQgas；
根據此式和上述步驟得到的相關數據結果，計算得到燃氣輪機組的能量損失值dQgas；
燃氣輪機組的能量損失值dQgas的計算過程如下：
dQgas＝BQar+Qair-Qgas-3600Pgt/ηmg＝17.94486GJ/h；
最後，根據上述步驟得到的燃氣輪機組的能量損失值dQgas、輸入空氣帶入的熱量值Qair和天然氣燃料帶入的熱量值BQar，根據下式，得到燃氣輪機的能量損失率ξg：
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理並包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正範圍和精神由下面的權利要求指出。
應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由所附的權利要求來限制。