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蒸汽-燃气联合循环实例:北京京桥电站的效率计算

发布时间:

北京京桥电站与2013年投入使用,是一个蒸汽燃气联合循环的例子。我们将通过一些网络上公开的数据,对北京京桥电站的最大效率进行一个

北京京桥电站与2013年投入使用,是一个蒸汽燃气联合循环的例子。我们将通过一些网络上公开的数据,对北京京桥电站的最大效率进行一个估计的计算。

主要信息来源:

powermag网站-中国北京京桥电站SGT5-4000F | F-class Gas Turbine | Gas Turbines | Manufacturer | Siemens Energy Global

主要结构的建立

由power网站的信息可以得到:

信息来源:https://www.powermag.com/jingqiao-power-plant-beijing-china/

京桥电站是蒸汽-燃气联合电站,它包含两个燃气循环和一个蒸汽循环,为了简化,我们将两个燃气循环并为一个,我们将其抽象为布雷顿循环和兰金循环的组合。

信息来源:https://www.powermag.com/jingqiao-power-plant-beijing-china/

在其兰金循环中,有三个涡轮:高压涡轮(HP),中压涡轮(IP)和低压涡轮(LP)。在最大功率时,三台涡轮机同时工作。

还有一些其他信息,不再贴图,直接提取:

布雷顿循环也就是燃气循环有两个SGT5-4000F(290 MW ISO)燃烧涡轮机,兰金循环也就是蒸汽循环两台三压热回收蒸汽发生器(HRSG),处于三个涡轮中间,设计工作在12.5 MPa,过热温度为545℃,再热温度为540℃,冷凝器的压力为0.4MPa,不使用低压涡轮时,出水温度为260℃。电站输出功率为838MW。

我们可以画出其结构示意图如下:

我们的目的是计算其效率,图中红色部分都是系统与外界之间的能量交换,那么总的效率有:

,很容易可以知道分子就是有用功,是电站的功率838MW,但是对于吸热我们并不知道。这就需要我们通过热力学知识或者其他手段来进行估计了。

通过状态进行的计算

我们可以通过对状态的计算来帮助我们找到吸收的热量。

理想兰金循环的计算

我们将电站的蒸汽循环简化为理想的兰金循环。其T-S图如下:

懒得找坐标,直接手画的

红色线为蒸汽饱和曲线

  • 1-2为泵中的等熵压缩
  • 2-3为锅炉中的等压吸热,包含过加热部分
  • 3-4为高压涡轮中的等熵膨胀
  • 4-5为再加热过程(HRSG)
  • 5-6为中压涡轮中的等熵膨胀
  • 6-7为再加热过程(HRSG)
  • 7-8为低压涡轮中的等熵膨胀
  • 8-1为冷凝器中的等压放热


状态1的计算:

因为冷凝器的压力为0.4MPa,所以初始压力为0.4MPa,且状态1是在饱和曲线上的,所以我们可以得到状态1的熵与焓:

所以我们有状态1的信息:

状态2的计算:

1-2为等熵压缩,2-3为等压吸热,由此我们查表来确定状态2(过冷水)的信息:

查表发现并没有给出 时的信息,所以这里使用双线性插值法进行计算,先用熵进行插值,再用压强进行插值。

可以看到 时,温度处于 之间,:

时:

时:

所以再对一眼就能看出插值是 的压力进行插值,

我们就能得到状态2的信息:

状态3的计算:

状态3是加热完毕进入高压涡轮时的状态,鉴于已有HRSG的数据,那么我们这里就使用这个数据作为计算依据,即: ,然后查找过加热蒸汽的表格,找出焓和熵。

所以我们对温度插值有状态3的信息:

状态4的计算:

由书上可知,最佳的再加热压力为循环最大压力的四分之一

所以有:

而3-4为等熵膨胀,则:

同样进行查表(过热蒸汽)

时:

时:

所以再对一眼就能看出插值是 的压力进行插值,

我们就能得到状态4的信息:

状态5的计算:

HSRG在12.5MPa工作,所以:

与4类似进行查表:

可以得到:

可得到状态5的信息:

状态6的计算:

5-6为中压涡轮中的等熵膨胀,后面接着进入HSRG,所以有:

同样查表进行计算:

时:

时:

再对压强进行插值可得:

所以有状态6的信息:

状态8的计算:

我们假设状态8也正好位于饱和曲线上(其实是没有其他数据没法算了,实际还有一定偏移)

那么

所以我们有状态8的信息:

状态7的计算:

7-8为等熵膨胀,那么:


所以我们有了所有状态的信息:

状态P:MPaT:℃h:kJ/kgs:kJ.kg·K
10.475.86317.621.0261
212.576.585333.271.0261
312.55453463.216.615
43.125323.423048.36.615
512.55403396.766.53174
63.125303.52998.8756.53174
712.5972.134535.87.6691
80.4402636.17.6691

理想布雷顿循环的计算:

这部分信息主要来自西门子官网,

其T-S图如下:

状态9的计算

我们使用标准冷空气假设,以此作为进气条件,那么有:

可以得到状态9的信息:

状态10的计算:

由西门子官网得到的信息:

燃气机的压缩比为20.1:1,我们近似为20:1

所以我们有: 那么

查表获取状态10信息:

进行插值:

可以得到状态10的信息:

状态12的计算:

根据西门子的数据,出气温度约为600℃,即: ,那么查表可得:

状态11的计算:

已知压缩比,那么

查表:

于是我们有布雷顿循环的所有状态:

状态TPrh
9298K1.3543298.18kJ/kg
10688.51K27.08700.96kJ/kg
111808.6K1338.42013.97kJ/kg
12873K66.92902.7585kJ/kg

理想状态下的效率:

那么我们已经有了所有信息:

兰金循环:

状态P:MPaT:℃h:kJ/kgs:kJ.kg·K
10.475.86317.621.0261
212.576.585333.271.0261
312.55453463.216.615
43.125323.423048.36.615
512.55403396.766.53174
63.125303.52998.8756.53174
712.5972.134535.87.6691
80.4402636.17.6691

布雷顿循环:

状态T KPrh kJ/kg
92981.3543298.18
10688.5127.08700.96
111808.61338.42013.97
1287366.92902.7585

所以我们有整个系统的输入输出信息:

而根据西门子官网和网站信息,我们可以得到两个循环的质量流动率:

所以我们有:

且我们可以计算出总输出功率为:

可以看出与838MW十分不相符

那么我们可以得到理想效率:

明显是偏大不符合实际的

使用等熵效率对实际效率的逼近

我们对各个等熵过程使用等熵效率进行对实际情况的逼近,我们这里认为等熵效率为80%,那么则有:

, ,

, , ,

所以我们能得到:

, ,

, ,

所以我们重新计算整个系统的输入输出信息:

而根据西门子官网和网站信息,我们可以得到两个循环的质量流动率:

所以我们有:

且我们可以计算出总输出功率为:

与实际输出功率838MW比较相近

此时布雷顿循环中燃气涡轮的效率为:

与实际描述290MW比较相近

那么我们可以得到近似实际效率:

比较符合实际情况

通过输出输出直接计算:

既然我们之前已经得到:

,很容易可以知道分子就是有用功,是电站的功率838MW

那么吸热就只有布雷顿循环的吸热,我们可以通过布雷顿循环找出热量输入即可计算效率

我们正好有西门子官网燃气机的参数:

燃气机的效率为41%,而描述中燃气机的功率为290MW,与西门子官网不太一样,我们就使用描述中的功率

所以我们可以计算出吸热:

所以效率为:

与真实情况的对比:

通过描述,我们可以找到,京桥电站在不供热纯发电的情况下,可以达到59.5%的效率

我们通过状态计算出的效率只有49.08%,可能的原因有如下:

  • 等熵效率:80%是一个给定的通常的值,可能以现在的技术手段,可以达到比80%更高的等熵效率
  • 没有考虑其他提高效率的手段,比如布雷顿循环的再生,兰金循环在压缩阶段的冷却等

而通过涡轮效率计算出的效率为59.238%,是十分贴近给定的效率的

鸣谢

感谢Merle以及同小组的Lucie Ethan Jérémy Zachary,在projet中的讨论和努力,以及我们整个小组的不太正确的答案,为本文寻找一个比较正确的答案提供了参考和坚实的基础。同样感谢白嫖怪们的催更。

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