蒸汽-燃气联合循环实例：北京京桥电站的效率计算

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：

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。

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：

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：

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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，

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我们就能得到状态2的信息：

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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：

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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，

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我们就能得到状态4的信息：

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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：

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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：

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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：

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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:MPa	T：℃	h：kJ/kg	s:kJ.kg·K
1	0.4	75.86	317.62	1.0261
2	12.5	76.585	333.27	1.0261
3	12.5	545	3463.21	6.615
4	3.125	323.42	3048.3	6.615
5	12.5	540	3396.76	6.53174
6	3.125	303.5	2998.875	6.53174
7	12.5	972.13	4535.8	7.6691
8	0.4	40	2636.1	7.6691

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：

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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：

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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	T	Pr	h
9	298K	1.3543	298.18kJ/kg
10	688.51K	27.08	700.96kJ/kg
11	1808.6K	1338.4	2013.97kJ/kg
12	873K	66.92	902.7585kJ/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:MPa	T：℃	h：kJ/kg	s:kJ.kg·K
1	0.4	75.86	317.62	1.0261
2	12.5	76.585	333.27	1.0261
3	12.5	545	3463.21	6.615
4	3.125	323.42	3048.3	6.615
5	12.5	540	3396.76	6.53174
6	3.125	303.5	2998.875	6.53174
7	12.5	972.13	4535.8	7.6691
8	0.4	40	2636.1	7.6691

布雷顿循环：

状态	T K	Pr	h kJ/kg
9	298	1.3543	298.18
10	688.51	27.08	700.96
11	1808.6	1338.4	2013.97
12	873	66.92	902.7585

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。