燃气轮机及其联合循环负荷响应特性与蒸发冷却适用性评估

摘要

燃气轮机及其联合循环发电机组启停迅速、负荷适应性好、调峰能力强，应用日益广泛。燃气轮机及其联合循环发电机组的建模仿真是研究其控制系统的基础，也对探究机组对电网频率、负荷扰动的响应特性具有重要意义。本文以GE9FA型燃气轮机及其联合循环机组为研究对象，对不同工况下并网运行的机组进行了动态建模和仿真；基于热经济学理论，对进气蒸发冷却这一应用广泛的提升机组出力的技术进行了适用性评估。 首先，阐释了并网运行中燃气轮机机组的一次调频原理，基于Matlab/Simulink平台，采用模块化建模的思想，从燃气轮机功率计算、透平排气温度计算、燃料量控制、空气量控制和功频控制五个模块入手，发展了一种燃气轮机在不同工况下的动态仿真模型，为研究其动态响应特性提供了基础。 然后，比较了不同初始负荷下的燃气轮机机组对电网频率扰动的响应特性，得出了运行在部分负荷的机组比初始负荷为100%满负荷的机组具有更高的调频潜力。分析了进气蒸发冷却影响燃气轮机负荷响应特性的机理，得出进气温度较低时，机组排气温度超温的时间滞后，且功率的调节裕量更高。 进一步地，建立了联合循环（CCPP）机组控制系统模型，阐释了机组中燃气轮机与汽轮机一次调频能力差异的原因，分析了CCPP机组的转动惯量对负荷扰动响应特性的影响，评价了不同轴系布置方式下CCPP机组对负荷扰动的鲁棒性，从而可以为不同轴系布置方案的CCPP机组选择合适的一次调频方式提供参考。阐释了因转动惯量的存在而产生的能量转换对机组一次调频正反两方面的影响。 最后，基于杭州市典型年的气象数据，采用热经济学分析方法，提出了全新的定量评估CCPP机组进气蒸发冷却系统适用性的方法——临界相对湿度评估方法和分段逐时积分的投资回收期评估方法，为评估不同地区、气象条件的CCPP机组进气蒸发冷却系统的适用性提供了有效判据。

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