提高火电厂的发电效率是解决能源和资源节约问题的关键问题之一。目前,俄罗斯的电力主要来自于传统汽轮机设备的火力发电厂,其发电效率一般在35~40%。近些年来,随着燃气轮机和联合循环技术的使用,老旧火电厂也同时进行着相应的改造或重新建设。火力发电厂已达到一定的极限,燃气轮机和联合循环燃气轮机,具有很大的改进潜力。目前,对于热电厂,使用燃气轮机和联合循环技术是必然的趋势。许多国家运用这种技术,显著提高电厂效率,同时也能改善环境。此外,俄罗斯天然气的储存价格相对较低,以及削减燃煤电厂有害排放的任务越来越紧迫,使得我们对天然气的使用越来越重视。通常情况下,发达国家使用煤炭发电已逐渐被废弃。对于燃煤电厂的改造一般有下列三种方式:1)全部更换为新的燃气轮机联合循环装置;2)拆除燃煤锅炉,加装燃气轮机,利用余热锅炉,汽轮机进行同步的改造,这种方式的成本低于安装新的燃气轮机联合循环装置;3)将燃煤锅炉采用天然气进行燃烧。与另外两种方案相比,这种方法的优点是资金成本低、对现有装置的影响小、实现方便且燃料充足。由于将燃煤锅炉转换为天然气,在压力下运行的锅炉与在真空下运行的锅炉有很大的不同,锅炉的整个路径循环也发生了改变,将对燃烧的化学计量和燃烧空气量产生影响。同时在饱和区和过热区,水汽在管道中的流动速度也会发生变化。若采用将锅炉使用的煤,用另一种类型的天然气作为燃料,首先应该考虑的问题就是,对锅炉排放、传热、锅炉效率、蒸汽效率和过热温度的变化进行评估,采取综合研究其替代的可行性。本文提出了使用燃气轮机单元(GTU)和燃气轮机联合循环装置(CCGT)的方式生产电能,通过附加的平行燃烧室来提供热量,同时采取向气流中注入水蒸气结合的方法来提高效率。将其使用在火力发电厂的主要热力机械设备中,以显著降低发电成本。基于燃气轮机,以及带有平行于燃烧室的附加燃烧室CCGT,采用理论分析并结合已有的实验测试,分析热系统机械设备、热回路及其计算方法。在此基础上,对GTU和CCGT的热力方案进行改进,对其设计参数进行优化,以提高整体运行效率。基于燃气轮机技术,提高装置效率有效的一个方法,是将蒸汽从热回收锅炉中注入燃气通道。由于燃气轮机中工作流体的质量流量增加、其热量含量增加,以及废气热量的循环利用,使得燃气轮机的有用功率和效率显著增加。对于蒸汽过热和再生的方法,过热器和高压再生器表面的温度,是主要的制约因素。这些换热器的最小温度假定为100℃。根据压缩机出口处的压力,其效率的极值相应的压力远远超过实际设备的极限(约3MPa)。在大多数的研究中,该参数的极限设定值为4MPa。根据燃料完全燃烧的条件,GTU气路中注入蒸汽的最大比例在设备干气消耗的10%以内。在再生器中注入饱和蒸汽的循环效率,高于上述的所有循环效率。因此,与向燃烧室中喷射过热蒸汽相比,其有效效率提高了3.96%,与仅采用两段压缩的安装方案相比,其有效效率提高了9.35%。对于更完全的循环内热回收,以及使用再生器作为过热器成为可能。现代材料和叶片的冷却技术,允许在燃气轮机的入口达到的温度能够高达1500℃,并且能够继续增加;与蒸汽轮机装置相反,蒸汽轮机的装置达到了极限。尽管与其他发电厂相比,GTU已具备优势,但通过采用更复杂的两级空气压缩和热输入的方案,GTU具有提高效率的潜力,最简单的单元的效率范围能够在35~40%。本论文研究的内容主要包括三部分:1)概述了GTU和CCGT混合的方式,结合提高效率的方法,增设附加的平行燃烧室以达到逐步提加热量的目的;2)通过计算水、蒸汽和空气热力学等方程组,发展了GTU和CCGT混合方式的热力学计算方法;3)建立了GTU和CCGT混合方案的数学模型。通过使用燃气轮机技术来提高发动机效率方法的分析表明,效率的增加可以通过多种方式实现,但其最大值是随着设计的复杂性和不同方法组合而得到的。本文绪论部分,介绍了课题研究的重要性,明确了论文的研究目的,阐述了需要解决的任务、科学性和现实意义。本文第一章,对GTU和CCGT热电联产方式进行了分析,提出了提高效率的方法和参数优化的方式。得出了最有效的一个方案,就是向气路中注入蒸汽的方式,而对于增设附加平行布置燃烧室的方案,目前的研究比较少。本文第二章,概述了GTU和CCGT混合的广义热力学方式,在构造中考虑了提高效率的方法:空气的再生加热、带有中间冷却阶段的膨胀压缩、带有中间与燃烧室串联和平行的加热室、燃烧产物的再膨胀和废热锅炉在气流中喷射水蒸气。通过移除某些部件以得到简化的方式,直到GTU在一个简单的循环上工作。对于广义GTU和CCGT混合方案,发展了一种基于逐次逼近法的计算方法,在计算机上计算空气、水和水蒸气的实际参数。采用连续近似法,按经典方法计算燃气轮机机组。在计算中提出以下假设:1)压缩机级之间的压力比分布均匀;2)压缩机和燃烧室之间存在空气泄漏;3)考虑燃烧产物对混合物焓的影响;4)空气和水蒸气,流向燃气轮机冷却,同时回到低压涡轮机循环;5)在气体冷却器之后,循环部分中的燃烧产物流存在着压降;6)不考虑辅助泵、除氧器过热水和工艺管道中的损失,对水和蒸汽的焓的影响,以及电耗。采用计算公式来确定空气的热力学参数,并在计算机上完成计算。基于国际上水与蒸汽组织IAPWS的IF97形式给出的计算公式,来确定水和水蒸气的热力学参数,得到特定状态下的压力和温度。本文第三章,为了对GTU和PSU混合的广义热力方案中能量流的相互影响进行综合评价,建立了质量和能量流向图,以及包括所有可能连接设备的数学模型。流程图的顶部代表不同部件,弧线代表物质和能量的流动,在图中的几个节点反映了具有复杂能量流系统的不同部件,其内部没有能量和质量从其输入到其输出,即不需要求解额外的方程来确定这些参数。图中大量的节点和弧线降低了可见性。因此,需要给出一个邻接矩阵来代替图像,取代弧的特定权重。在能量流图上分配物质流。质量与功率平衡方程组是GTU广义热方案的数学模型。通过与Olkhovsky G.G得到的计算结果进行比较,来评估上述的数学模型。查阅文献中,空气压缩机中压缩空气的质量流量为61.0kg/s,压缩机的内部效率为0.874,涡轮内部效率为0.918,机械效率为0.980,发电机的效率为0.967。在压缩机内压缩空气压力为2.1MPa、涡轮进口气体温度为1523K的条件下,基本单元的有效效率为36.5%,GTU的有效功率为20.0MW。GTU是在热水回收锅炉中,按照单级压缩、两级膨胀、不需中间加热和供热的方案制造的。由数学模型得到的效率与文献给出的绝对值相差0.44%。本文第四章,研究了利用主并联燃烧室和附加并联燃烧室分段供热,从回收锅炉、GTU、CCGT中注入水蒸气的CGT方式。为了评估所提出的安装方案的有效性,采用了燃气轮机AD-31ST,GTU采用单级空气压缩和单级供热的双轴方案。本项的研究是在“GTU自动计算与混合CCGT系统”程序综合体的协助下进行的。对于过热蒸汽和再生回路,主要的限制因素分别为过热器和高压再生器加热面上的温度。就上述三种方案对热回收锅炉注汽CCGT进行热力学评价。它们的区别在于水蒸气的状态及其注入点,即:向燃烧室注入干饱和蒸汽、向燃烧室注入过热蒸汽、向高压再生器注入干饱和蒸汽。根据GTU和CCGT的广义格式的统一编码,研究表明,通过向高压再生器中注入干饱和蒸汽,CCGT的效率最高。计算结果表明,对于压缩机内两段压缩空气、热回收锅炉,向高压回热器内注入干饱和蒸汽的CGT,在高压压缩机的出口压力为2.4MPa,过热蒸汽温度为390℃时,其有效效率和有效功率的最大值分别为47.76%和33.45MW。通过降低再生器中的温度压力,可以防止这些参数进一步增加。此外,就三种方案对燃气轮机和带有附加平行燃烧室的CCGT进行热力学评价。研究表明,通过联合使用附加的平行燃烧室和向高压再生器中注入干饱和蒸汽,可获得最大的效率。在再生器出口不同温度的汽-气混合物下,从压缩机的出口压力,基于效率和CCGT的净功率,对该方案进行了热力学评价。计算结果表明,在高压压缩机的出口压力为2.4MPa,过热蒸汽温度为450℃时,其有效效率和有用功率的最大值分别为41.96%和56.76MW。高压压缩机出口压力的有用功率,在2.2MPa、370℃时出现最大值。其数值分别为57.12MW和37.98%。本文基于理论分析和已有的实验测试,提出了使用GTU和CCGT的方式,通过附加的平行燃烧室、采取向气流中注入水蒸气相结合的方法,以提高系统的效率。主要内容和结论如下:(1)本文分析了燃气轮机的广义热环路和CCGT混合、组合方式,以及附加平行于燃烧室的热量供应,来提高效率的方法。提出了用逐次逼近法计算GTU和CCGT混合广义热方案的方法,在计算机上实现了用公式计算空气、水和水蒸气的实际参数。(2)本文开发了“GTU和混合CCGT自动计算系统”软件包,实现了GTU和混合PSU的设计,以及运行过程中运行参数的控制,使其能够自动优化运行。基于图论建立了GTU和CCGT混合广义热方案的数学模型。(3)计算表明,通过向高压回热器内注入干饱和蒸汽,CCGT效率最高。在蓄热器的加热温度390℃和高压压缩机出口压力为2.4MPa时,有效效率为47.76%,有效功率为33.45MW。与基础单元相比,CCGT的有效容量提高了15.18MW,效率提高了10.22%,与二级压缩和中间冷却方案相比,分别提高了7.76MW和9.35%。(4)研究表明,在CCGT方案中,在附加安装的平行燃烧室中采用分步供热,采用两级空气压缩和向高低压再生器注入干饱和蒸汽,装置的有效功率能够提升到56.76MW,有效效率提升到约42%。这是通过在低压燃气轮机之前增加工作流体的流速来实现的。与GTU相比,两级压缩的有效效率提高了3.55%,有效容量提高了31.07MW。