一种确定单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法与流程

技术特征：

1.一种确定单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：所述的发电功率和排烟参数的计算方法包括以下步骤：

S1，相关参数的采集与测定；

S2，压气机热力特性的计算；

S3，燃烧室热力特性的计算；

S4，透平热力特性的计算；

S5，燃气轮机发电功率及效率的计算。

2.根据权利要求1所述的单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：S1相关参数的采集与测定还包括如下步骤：

S11，根据燃气轮机项目所在的地点，采集燃气轮机周围环境的大气压力、温度、湿度或者海拔高度参数信息；

S12，根据所选定的燃气轮机机型，采集燃气轮机标准工况下的运行参数，包括：燃气轮机的型号、压气机进口空气温度、压气机进空气量、压气机压比、压气机效率、燃气轮机的转速、燃气轮机标准工况下的排气温度、发电量、及其对应的燃料的低位热值、燃气轮机燃烧温度；

S13，根据燃气轮机项目所在地，收集燃气轮机所用天然气成分，通过天然气热力计算公式计算得到项目所使用的天然气的低位热值、高位热值、密度等参数，其具体步骤包括：

1)根据第一计算式计算天然气的低位热值，所述第一计算式为：

$Q_{NG,L}=P_{NG}\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{Q}_{i,L}}{8.31451\·T_{NG}\·Z}$

式中，Q_NG，L为天然气低位发热量，MJ/Nm³；m_i为天然气各组分的摩尔体积百分数，％；Q_i，L为天然气各组分在不同的燃烧和计量参比条件下的理想气体摩尔低位发热量，kJ/mol；P_NG为天然气的压力，kPa；T_NG为天然气的温度，K；Z为天然气压缩系数；

2)根据第二计算式计算天然气的高位热值，所述第二计算式为：

$Q_{NG,H}=P_{NG}\frac{{\mathrm{\Σm}}_i{Q}_{i,H}}{8.31451\·T_{NG}\·Z}$

式中，Q_NG，H为天然气高位发热量，MJ/Nm³；Q_i，H为天然气各组分在不同的燃烧和计量参比条件下的理想气体摩尔低位发热量，kJ/mol；

3)根据第三计算式计算天然气的密度，所述第三计算式为：

ρ_NG＝(P_NG/(R·T_NG))×∑m_i·M_i

式中，ρ_NG为天然气密度，kg/Nm³；M_i为天然气各组分的摩尔质量，kg/kmol。

S14，根据S11和S12所采集的数据，通过湿空气的气体常数计算公式、湿空气的比热及比热比计算公式等计算大气湿度对空气热物理性质的影响，进而利用相似原理，推导出燃气轮机性能参数大气湿度修正系数。

1)根据第四计算式计算湿空气气体常数，所述第四计算式为：

$R_h=\frac{R_k+d\·R_s}{1+d}$

式中，R_h为湿空气气体常数；R_k为干空气气体常数；R_s为水蒸汽气体常数；d为湿空气中相对于每千克质量干空气所含的水蒸汽量；

2)根据第五计算式计算湿空气定压比热，所述第五计算式为：

${\mathrm{Cp}}_h=\frac{{\mathrm{Cp}}_k+d\·{\mathrm{Cp}}_s}{1+d}$

式中，Cp_h为湿空气定压比热，J/(kg·K)；Cp_k为干空气定压比热，J/(kg·K)；Cp_s为水蒸汽定压比热，J/(kg·K)；

3)根据第六计算式计算湿空气比热比，所述第六计算式为：

$K_h=\frac{{\mathrm{Cp}}_h}{{\mathrm{Cp}}_h-R_h}$

式中，K_h为湿空气比热比；

4)根据第七计算式计算干空气比热比，所述第七计算式为：

$K_k=\frac{{\mathrm{Cp}}_k}{{\mathrm{Cp}}_k-R_k}$

式中，K_k为干空气比热比；

5)根据第八计算式计算大气湿度变化时，空气流量的修正系数，所述第八计算式为：

${\mathrm{\γ}}_{G_a}=\sqrt{\frac{K_k\·R_h}{K_h\·R_k}}$

式中，γ为大气湿度变化时，空气流量的修正系数。

3.根据权利要求1所述的单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：S2压气机热力特性的计算还包括如下步骤：

1)根据第九计算式计算燃气轮机压气机进气相对压比，所述第九计算式为：

${\mathrm{\π}}_{a1}^0=10^\[\frac{1}{4.575835}(B_1\ln T_1+2B_2{T}_1+\frac{3}{2}{B}_3{\left(T_1\right)}^2+\frac{4}{3}{B}_4{\left(T_1\right)}^3+\frac{5}{4}{B}_5{\left(T_1\right)}^4+B_6)\]$

式中，为燃气轮机压气机进气相对压比；B_i(i＝0…6)为燃气轮机压气机进气相对压比系数；T₁为燃气轮机压气机进气温度，K；

2)根据第十计算式计算燃气轮机压气机进气比焓，所述第十计算式为：

$i_{a1}^{T1}=4.1868\×(B_{01}+B_1{T}_1+B_2{\left(T_1\right)}^2+B_3{\left(T_1\right)}^3+B_4{\left(T_1\right)}^4+B_5{\left(T_1\right)}^5)\÷28.97$

式中，为燃气轮机压气机进气比焓，kJ/kg；

3)根据第十一计算式计算燃气轮机压气机出口压力，所述第十一计算式为：

p_a2＝ε_c·p_a1

式中，p_a2为燃气轮机压气机出口压力，MPa；ε_c为燃气轮机增压比；p_a1为燃气轮机压气机进口压力，MPa；

4)根据第十二计算式计算燃气轮机压气机出口压比，所述第十二计算式为：

π_a2＝ε_c·π_a1

式中，π_a2为燃气轮机压气机出口压比；根据第九计算式可反求出燃气轮机压气机出口等熵温度T_2S；

5)根据第十三计算式计算燃气轮机压气机出口空气实际比焓，所述第十三计算式为：

$i_{a_2}^{T_2}=\[i_{a_2}^{T_{2s}}-(1-{\mathrm{\η}}_c)i_{a_1}^{T_1}\]/{\mathrm{\η}}_c$

式中，为燃气轮机压气机出口实际比焓，kJ/kg；为燃气轮机压气机出口等熵比焓，kJ/kg，可根据第十计算式进行计算；η_c为燃气轮机压气机效率；根据第十计算式可反求出燃气轮机压气机出口实际温度T₂；

6)根据第十四计算式计算燃气轮机压气机进气压气机耗功，所述第十四计算式为：

$W_c=G_c(i_{a_2}^{T_2}-i_{a_1}^{T_1})$

式中，W_c燃气轮机压气机进气压气机耗功，kW。

4.根据权利要求1所述的单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：S3，燃烧室热力特性的计算还包括如下步骤：

1)根据第十五计算式计算标准工况下燃气轮机燃烧室进燃料量，所述第十五计算式为：

$G_f^0=\frac{W_e\·q}{3600\·Q_{NG.L}\·{\mathrm{\η}}_{cp}}$

式中，为标准工况下燃气轮机燃烧室进燃料量，kg/s；W_e为标准工况下燃气轮机的功率，kW；q为标准工况下燃气轮机热耗率，kJ/kWh；η_cp为标准工况下燃气轮机发电效率；

2)根据第十六计算式计算燃气轮机运行工况下对其燃烧室进燃料量的影响系数，所述第十六计算式为：

${\mathrm{\γ}}_{G_f}=\frac{P_0\·{\mathrm{Cp}}_{k0}\·{\mathrm{Cp}}_{hr}}{P_r\·{\mathrm{Cp}}_{h0}\·{\mathrm{Cp}}_{kr}}\·{\mathrm{\γ}}_{G_a}\·\sqrt{\frac{T_r}{T_0}}$

式中，为燃气轮机运行工况下对其燃烧室进燃料量的影响系数；P₀为标准工况的压力，MPa；P_r为运行工况的压力，MPa；T₀为标准工况的压力，K；T_r为运行工况的压力，K；Cp_k0为标准工况干空气的定压比热，J/(kg·K)；Cp_h0为标准工况湿空气的定压比热，J/(kg·K)；Cp_kr为运行工况干空气的定压比热，J/(kg·K)；Cp_hr为运行工况湿空气的定压比热，J/(kg·K)；

3)根据第十七计算式计算燃气轮机运行工况下燃烧室进燃料量，所述第十七计算式为：

$G_f^r=G_f^0\·{\mathrm{\γ}}_{G_f}$

式中，为燃气轮机运行工况下燃烧室进燃料量，kg/s；

4)根据SHBWR方程计算在基准温度及天然气进入燃烧室时的温度条件下，天然气的焓值；

5)根据第十八计算式计算燃气轮机燃烧室的理论空气量，所述第十八计算式为：

$V_{air}^0=\frac{\mathrm{\Σ}(n+\frac{m}{4})C_n{H}_m}{V_{O_2}^0}$

式中，为燃气轮机燃烧室的理论空气量，m³/m³；C_nH_m为天然气成分，％；n为天然气成分的碳原子个数；m为天然气成分的氢原子个数；为燃气轮机运行工况下的环境空气中氧气的百分含量；

6)根据第十九计算式计算进入燃气轮机燃烧室的空气的容积数，所述第十九计算式为：

$V_{air}=\frac{G_{cc}}{{\mathrm{\ρ}}_{air}}$

式中，V_air为进入燃气轮机燃烧室的空气的容积数，m³/s；G_cc为进入燃气轮机燃烧室的空气量，kg/s；ρ_air为燃气轮机运行工况下的环境空气的密度，kg/m³；

7)根据第二十计算式计算进入燃气轮机燃烧室的空气的容积数，所述第二十计算式为：

$V_f=\frac{G_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}$

式中，V_f为进入燃气轮机燃烧室的天然气的容积数，m³/s；G_f为进入燃气轮机燃烧室的空气量，kg/s；ρ_f为燃气轮机运行工况下的环境空气的密度，kg/m³；

8)根据第二十一计算式计算天然气消耗的空气的容积数和剩余空气的容积数，所述第二十一计算式为：

$V_{air}^f=V_f\·V_{air}^0$

$V_{air}^{\left(3\right)}=V_{air}-V_{air}^f$

式中，为天然气消耗的空气的容积数，m³/s；为剩余空气的容积数，m³/s；

9)根据第二十二计算式计算燃烧室烟气中氮气的容积数，所述第二十二计算式为：

$V_{N_2}^{\left(3\right)}={\mathrm{\υ}}_{N_2}{V}_{air}$

式中，为燃烧室烟气中氮气的容积数，m³/s；为燃气轮机运行工况下空气中的氮气的百分含量，％；

10)根据第二十三计算式计算燃烧室烟气中二氧化碳的容积数，所述第二十三计算式为：

$V_{{\mathrm{CO}}_2}^{\left(3\right)}=\left(\mathrm{\Σ}\right(n\·{\mathrm{\υ}}_{C_n{H}_m}\left)\right)\·V_f+{\mathrm{\υ}}_{{\mathrm{CO}}_2}\·V_{air}$

式中，为燃烧室烟气中二氧化碳的容积数，m³/s；为天然气中C_nH_m的百分含量，％；为燃气轮机运行工况下空气中二氧化碳的百分含量，％；

11)根据第二十四计算式计算燃烧室烟气中水蒸汽的容积数，所述第二十四计算式为：

$V_{H_{2}O}^{\left(3\right)}=\left(\mathrm{\Σ}\right(m\·{\mathrm{\υ}}_{C_m{H}_m}\left)\right)\·V_f+{\mathrm{\υ}}_{H_{2}O}\·V_{air}+{\mathrm{\υ}}_{H_{2}S}\·V_f$

式中，为燃烧室烟气中水蒸汽的容积数，m³/s；为燃气轮机运行工况下空气中水蒸汽的百分含量，％；为天然气中H₂S的百分含量，％；

12)根据第二十五计算式计算燃烧室烟气中二氧化硫的容积数，所述第二十五计算式为：

$V_{{\mathrm{SO}}_2}^{\left(3\right)}={\mathrm{\υ}}_{H_{2}S}\·V_f$

式中，为燃烧室烟气中二氧化硫的容积数，m³/s；

13)根据第二十六计算式计算燃烧室烟气中氧气的容积数，所述第二十六计算式为：

$V_{O_2}^{\left(3\right)}={\mathrm{\υ}}_{O_2}\·V_{air}^{\left(3\right)}$

式中，为燃烧室烟气中氧气的容积数，m³/s；为燃气轮机运行工况下空气中氧气的百分含量，％；

14)根据第二十七计算式计算燃烧室烟气中氩气的容积数，所述第二十七计算式为：

$V_{Ar}^{\left(3\right)}={\mathrm{\υ}}_{Ar}\·V_{air}$

式中，为燃烧室烟气中氩气的容积数，m³/s；υ_Ar为燃气轮机运行工况下空气中氩气的百分含量，％；

15)根据第二十八计算式计算燃烧G_f天然气生成的烟气总容积数，所述第二十八计算式为：

$V_g^{\left(3\right)}=V_{N_2}^{\left(3\right)}+V_{{\mathrm{CO}}_2}^{\left(3\right)}+V_{H_{2}O}^{\left(3\right)}+V_{{\mathrm{SO}}_2}^{\left(3\right)}+V_{O_2}^{\left(3\right)}+V_{Ar}^{\left(3\right)}$

式中，为燃烧G_f天然气生成的烟气总容积数，m³/s；

16)根据第二十九计算式计算各烟气成分的百分含量，所述第二十九计算式为：

${\mathrm{\υ}}_i^{\left(3\right)}=\frac{V_i^{\left(3\right)}}{V_g^{\left(3\right)}}$

式中，为各烟气成分的百分含量，％；为各烟气成分的容积数，m³/s；

17)根据第三十计算式计算进入燃烧室的空气流量，所述第三十计算式为

$G_{cc}=\frac{G_f\·\[(i_g^{T_3}-i_g^{288})-(i_f^{T_r}-i_f^{288})-Q_{NG,L}\·{\mathrm{\η}}_{cc}\]}{(i_f^{T_f}-i_f^{288})-(i_g^{T_3}-i_g^{288})}$

式中，为烟气在燃烧温度T₃下的焓值，kJ/kg；为烟气在基准温度15℃下的焓值，kJ/kg；为天然气进入燃烧器时的温度T_f下的焓值，kJ/kg；为天然气在基准温度15℃下的焓值，kJ/kg；η_cc为燃烧室效率，％；

5.根据权利要求1所述的单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：S4，透平热力特性的计算还包括如下步骤：

1)根据第三十一计算式计算燃烧室出口各种烟气成分的相对压比，所述第三十一计算式为

${\mathrm{\π}}_i^{0^{T_3}}=10^\[\frac{1}{4.575835}(B_{1i}\ln T_3+2B_{2i}{T}_3+\frac{3}{2}{B}_{3i}{\left(T_3\right)}^2+\frac{4}{3}{B}_{4i}{\left(T_3\right)}^3+\frac{5}{4}{B}_{5i}{\left(T_3\right)}^4+B_{6i})\]$

式中，为燃烧室出口各种烟气成分的相对压比；下角标i表示N₂，CO₂，H₂O，SO₂，O₂，Ar；

2)根据第三十二计算式计算燃烧室出口烟气的相对压比，所述第三十二计算式为

${\mathrm{\π}}_g^{0^{T_3}}=10^({\mathrm{\Σ\υ}}_i^{\left(3\right)}\·{\mathrm{lg\π}}_i^{0^{T_3}})$

式中，为燃烧室出口烟气的相对压比；

3)根据第三十三计算式计算透平的膨胀比，所述第三十三计算式为

ε_t＝ε_c·ξ_c·ξ_cc·ξ_t

式中，ε_t为透平的膨胀压比；ε_c为压气机压比；ξ_c为压气机的总压保持系数；ξ_cc为燃烧室的总压保持系数；ξ_t为透平的总压保持系数；

4)根据第三十四计算式计算透平出口处的等熵相对压比，所述第三十四计算式为：

${\mathrm{\π}}_{g4}^{0^{T_{4S}}}=\frac{{\mathrm{\π}}_g^{0^{T_3}}}{{\mathrm{\ϵ}}_t}$

式中，为透平出口处的等熵相对压比；T_4S为燃气轮机出口等熵温度，K；

5)根据第三十五计算式计算透平出口处各烟气成分的等熵相对压比，所述第三十五计算式为：

${\mathrm{\π}}_i^{0^{T_{4S}}}=10^\[\frac{1}{4.575835}(B_{1i}\ln T_{4S}+2B_{2i}{T}_{4S}+\frac{3}{2}{B}_{3i}{\left(T_{4S}\right)}^2+\frac{4}{3}{B}_{4i}{\left(T_{4S}\right)}^3+\frac{5}{4}{B}_{5i}{\left(T_{4S}\right)}^4+B_{6i})\]$

式中，为透平出口处各烟气成分的等熵相对压比；

6)根据第三十六计算式计算透平出口处烟气的等熵相对压比，所述第三十六计算式为：

${\mathrm{\π}}_{g4}^{0^{T4S}}=10^\left({\mathrm{\Σ\υ}}_i^{\left(3\right)}\·{\mathrm{lg\π}}_i^{0^{T_{4S}}}\right)$

式中，为透平出口处的等熵相对压比；

7)根据第三十七计算式计算透平出口烟气的比焓，所述第三十七计算式为：

$i_g^{T_4}=\mathrm{\Σ}\[4.1868\×(B_{0i}+B_{1i}{T}_4+B_{2i}{\left(T_4\right)}^2+B_{3i}{\left(T_4\right)}^3+B_{4i}{\left(T_4\right)}^4+B_{5i}{\left(T_4\right)}^5)\]\÷{\mathrm{\μ}}_{g4}$

式中，为透平出口各烟气的比焓，kJ/kg；μ_g4为烟气的摩尔质量，kg/kmol；T₄为燃气轮机出口温度，K；

8)根据第三十八计算式计算透平功率，所述第三十八计算式为：

$W_t=(G_{cc}+G_f)(i_g^{T_3}-i_g^{T_4})$

式中，W_t为透平功率，kW；

6.根据权利要求1所述的单轴燃气轮机发电功率及排烟参数的计算方法，其特征在于：S5，燃气轮机发电功率及效率的计算还包括如下步骤：

1)根据第三十九计算式计算燃气轮机功率，所述第三十九计算式为：

W_gt＝W_t-W_c

式中，W_gt为燃气轮机功率，kW；

2)根据第四十计算式计算燃气轮机效率，所述第四十计算式为：

${\mathrm{\η}}_{gt}=\frac{W_{gt}}{G_f\·Q_{NG,L}}$

式中，η_gt为燃气轮机效率，％；

3)根据第四十一计算式计算燃气轮机燃烧室燃空比，所述第四十一计算式为：

$f=\frac{G_f}{G_{cc}}$

式中，f为燃气轮机燃烧室燃空比。