阅读说明：本技术 燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统 (Heat supply control method, device and system for gas-steam combined cycle unit ) 是由 梁言凯 许明 安振源 吴莉娟 边防 侯宝 李振海 刘志会 杨耀辉 王云飞 刘洁 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统,涉及供热控制技术领域,该方法应用于燃气轮发电机；燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；压气机和透平沿转子相对设置；该方法包括：获取燃气轮发电机的运行参数；运行参数用于控制转子向透平方向移动；根据运行参数生成运行指令；根据运行指令控制燃气轮发电机运行,以使燃气蒸汽联合循环机供热。本发明通过运行参数控制转子向透平方向移动,从而使透平运行效率降低,燃气轮发电机排气温度升高,燃气轮发电机余热回收供热量增加,进而利用发电机余热为热网提供更多的热量,满足热负荷需求。(The invention provides a heat supply control method, a heat supply control device and a heat supply control system for a gas-steam combined cycle unit, and relates to the technical field of heat supply control; the gas turbine generator comprises a rotor, a gas compressor and a turbine; the compressor and the turbine are oppositely arranged along the rotor; the method comprises the following steps: acquiring operating parameters of a gas turbine generator; the operation parameters are used for controlling the rotor to move towards the direction of the turbine; generating an operation instruction according to the operation parameters; and controlling the gas turbine generator to operate according to the operation instruction so that the gas-steam combined cycle machine supplies heat. The invention controls the rotor to move towards the direction of the turbine through the operation parameters, thereby reducing the operation efficiency of the turbine, increasing the exhaust temperature of the gas turbine generator, increasing the heat supply amount of the waste heat recovery of the gas turbine generator, further providing more heat for a heat supply network by using the waste heat of the generator and meeting the heat load requirement.)

燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及供热控制技术领域，尤其是涉及一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统。

背景技术

近年，随着城市规模不断发展，冬季热负荷需求不断攀升。大型燃气蒸汽联合循环机组因有着清洁高效、供热负荷集中等特点，且处在城市核心热负荷区的独特区位优势，承担着城市供热的主要任务。燃气蒸汽联合循环机组利用余热锅炉收集燃气轮发电机和汽轮发电机发电时产生的余热，为热网供热。供热季热负荷需求较高，则机组对电负荷要求也较大。但是受电网供热季电网运行特点所限，全网整体用电负荷不高，而且电网调峰需求明显，因此在用电负荷不高的情况下，无法保证机组高负荷运行，机组供热能力无法满足供热需求。

发明内容

本发明提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统，可以提高背压工况下联合循环机组的热电比，提升热电解耦能力，满足热负荷需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法，应用于燃气轮发电机；所述燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；所述压气机和所述透平沿所述转子相对设置；该方法包括：获取所述燃气轮发电机的运行参数；所述运行参数用于控制所述转子向所述透平方向移动；根据所述运行参数生成运行指令；根据所述运行指令控制所述燃气轮发电机运行，以使所述燃气蒸汽联合循环机供热。

第二方面，本发明实施例还提供一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置，应用于燃气轮发电机；所述燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；所述压气机和所述透平沿所述转子相对设置；该装置包括：获取模块，用于获取所述燃气轮发电机的运行参数；所述运行参数用于控制所述转子向所述透平方向移动；生成模块，用于根据所述运行参数生成运行指令；控制模块，用于根据所述运行指令控制所述燃气轮发电机运行，以使所述燃气蒸汽联合循环机供热。

第三方面，本发明实施例还提供一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制系统，该系统包括燃气轮发电机、余热锅炉和汽轮发电机；所述燃气轮发电机包括上述任一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法。

第五方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法的计算机程序。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方案，该方案应用于燃气轮发电机；燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；压气机和透平沿转子相对设置，该方案首先获取燃气轮发电机的运行参数，运行参数用于控制转子向透平方向移动，根据运行参数生成运行指令，之后，根据运行指令控制燃气轮发电机运行，以使燃气蒸汽联合循环机供热。本发明实施例通过运行参数控制转子向透平方向移动，从而使透平运行效率降低，燃气轮发电机排气温度升高，燃气轮发电机余热回收供热量增加，进而利用发电机余热为热网提供更多的热量，满足热负荷需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的液压间隙优化技术系统原理图；

图3为本发明实施例提供的液压间隙优化技术主辅推力面切换前后温度与熵的关系图；

图4为本发明实施例提供的燃气蒸汽联合循环机组供热控制系统结构示意图；

图5为本发明实施例提供的液压间隙优化技术主辅推力面切换参数曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置结构框图；

图7为本发明实施例提供的计算机设备结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，清洁风电的消纳问题，更进一步压挤了火电机组的负荷空间，因此对供热机组热电解耦的要求，提出了更加严峻的挑战。

现有的Siemens 9F级燃气蒸汽二拖一联合循环机组，机组采用分轴布置方式，燃气轮机和汽轮机分别配备单独的发电机，两台燃气轮机使用天然气作为燃料，每台燃机排气进入一台无补燃、三压自然循环、一次再热的余热锅炉，两台余热锅炉产生蒸汽经并汽后进入汽轮机做功，或者单台燃机、单台余热锅炉带动汽轮机一拖一运行。汽轮机为两缸两排汽、高中压合缸、双流低压缸、无调节级、中间再热、无回热抽汽、中压排汽设一级调整抽汽以及一级低压补汽组成。高、中压转子与低压转子之间设置SSS离合器，高中压部分保持运行的同时，低压部分可以实现停机或与高中压部分同步运行。

非供热工况时，高中、低压转子通过SSS离合器(Synchro-Self-Shifting，同步自换档离合器)连成一个轴，汽轮机纯凝运行。机组供热工况时，在汽轮机最大抽汽量可满足供热负荷需要的情况下，汽轮机采用抽凝方式运行；在汽轮机最大抽汽量不能满足供热负荷需要时，低压缸转子通过SSS离合器与高中压转子解列，高中压缸背压运行，其排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器；纯凝、抽凝、背压三种工况下，燃机HCO(HydranlicClearance Optimization，液压间隙优化)系统均在主推力面运行，以保证燃机高效率运行。

进入冬季供热期后，为保证城市供暖，燃气蒸汽联合循环机组均切至背压方式运行，此时机组热电比已达当前技术条件下的最大值，约为0.495左右。以一套西门子(SIEMENS)9F级二拖一联合循环机组为例，冬季二拖一背压满负荷时热负荷可达2100GJ/h，基本可满足供热要求。但是，当机组处于部分负荷时，仍无法满足热负荷需求，因此热力调度常需要启动效率较低、耗电率较高的尖峰燃气热水锅炉进行替代运行，并且启动时间较长，不能及时补充热量缺口，调节方式也不够灵活。

基于此，本发明实施例提供的一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统，可以进一步提高背压工况下联合循环机组的热电比，提升热电解耦能力。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法进行详细介绍。

本发明实施例提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法，参见图1所示的一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法流程图，该方法应用于燃气轮发电机；燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；压气机和透平沿转子相对设置；该方法应用于燃气蒸汽联合循环机组以背压方式运行的情况，该方法包括以下步骤：

步骤S102，获取燃气轮发电机的运行参数。

在本发明实施例中，运行参数可以是工作人员输入的数据，运行参数用于控制转子向透平方向移动。

需要说明的是，燃气轮发电机可以采用西门子9F型燃气轮发电机。

步骤S104，根据运行参数生成运行指令。

在本发明实施例中，根据人工输入的运行参数生成控制模块可以识别的运行指令。

步骤S106，根据运行指令控制燃气轮发电机运行，以使燃气蒸汽联合循环机供热。

在本发明实施例中，根据运行指令，控制燃气轮发电机的转子向透平方向移动，实现机组冬季供热期处于背压工况运行时，将燃机HCO系统由主推力面切换至辅推力面运行(若气轮发电机的转子向压气机方向移动，则燃机HCO系统状态为主推力面运行)，可增加机组热电比，提升机组热电解耦能力。

参见图3所示的液压间隙优化技术主辅推力面切换前后温度与熵的关系图，布雷登循环4点升至4＇点，燃机出力下降。同时，由于透平侧叶片顶部和气缸之间的间隙增大漏气量增加，从而使燃机排气温度升高，使Q₁---烟气余热回收供热量增加，机组热电比增大。

机组接受电网负荷指令P相同情况下，为维持总负荷恒定，燃机需增加燃气流量弥补负荷损失，耗气量增加后进入余热锅炉的烟气量也随之增加，余热锅炉产汽量也将提升。如图3所示，朗肯循环7点升至7点＇汽机负荷P₂占比增加。由于汽机处于背压工况运行，中压缸排汽热量完全被热网回收用于供热，蒸汽量提升必然也会使Q₂---汽机排汽供热量增加，机组热电比增大。

因此SIEMENS 9F级燃气蒸汽联合循环机组背压方式运行时，通过将燃机HCO系统切至辅推力面运行，可增加机组热电比，提升机组热电解耦能力。

本发明实施例提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方案，该方案应用于燃气轮发电机；燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；压气机和透平沿转子相对设置，该方案首先获取燃气轮发电机的运行参数，运行参数用于控制转子向透平方向移动，根据运行参数生成运行指令，之后，根据运行指令控制燃气轮发电机运行，以使燃气蒸汽联合循环机供热。本发明实施例通过运行参数控制转子向透平方向移动，从而使透平运行效率降低，燃机排气温度升高，烟气余热回收供热量增加，进而利用发电机余热为热网提供更多的热量，满足热负荷需求。

燃气轮发电机还包括燃烧室；转子依次穿过压气机、燃烧室和透平设置。

在本发明实施例中，参见图2所示的液压间隙优化技术系统原理图，该图显示了压气机、燃烧室、透平以及转子连接情况的剖面图，该图仅显示了一半的剖面，在图中转子下方与转子上方对称的压气机、燃烧室和透平部分未示出。转子穿过压气机、燃烧室和透平设置，并且可以沿转子的轴向左右平移。

根据运行指令控制燃气轮发电机运行，可以按照如下步骤执行：

根据运行指令控制转子绕轴向转动并沿轴向平移。

在本发明实施例中，转子绕轴向转动的同时，可以沿轴向平移。转子可以沿轴向向透平方向平移，也可以沿轴向向压气机方向平移，根据运行指令，控制转子在转动的时候沿轴向向透平方向平移。

转子沿轴向向透平方向移动的位移值小于转子沿轴向向压气机方向移动的位移值

在本发明实施例中，转子沿轴向向透平方向的位移值可以为1毫米，沿轴向向压气机方向移动的位移值可以为3毫米。

下面以一个具体实施例对该方法执行情况进行说明。

首先，对提升联合循环机组热电比原理介绍如下：

一、HCO原理介绍：

HCO是通过专门的液压油系统调整燃气轮机转子的轴向位置，降低燃气轮机因轴向间隙大造成的能量损失。

燃机HCO切换至主推力面位置时，转子向压气机进气口方向的移动，燃机透平叶顶与气缸间隙减小，透平效率的增加，压气机叶顶与气缸间隙增大，压气机效率降低。但是燃机透平增加的效率要大于压气机损失的效率，因此机组净效率升高。^[4]

如图3所示，由于燃气轮机设计的特点，压气机气道的锥度α1远小于燃气透平的锥度α2，当转子沿轴向位移与气流反向移动位移△X时，燃气透平的间隙减小量dy2远大于压气机的间隙增加量dy1，使燃气透平增加的功率大于压气机损失的功率，即：dy2＝△X·tan(α2)；dy1＝△X·tan(α1)。

实际运行参数显示，SIEMENS F(4)型燃机在主推力面运行时燃机功率可提升约3-5MW，效率提高0.3个百分点。

二、指标分析：

(1)联合循环机组热电比计算公式如下：热电比＝Q/(Q+P×36)，其中，Q：供热量；P：发电量。

(2)供热量计算公式如下：Q＝Q₁﹢Q₂，其中，Q₁：烟气余热回收供热量；Q₂：汽机排汽供热量。

(3)机组总负荷P，计算公式如下：P＝2×P₁+P₂；其中，P₁：燃机负荷；P₂：汽机负荷。

由(1)中的公式可以看出：相同电负荷前提下，热电比越高，供热量越大，供热能力越强。

由(2)中的公式总供热量受烟气余热回收供热量和汽机排汽供热量影响，汽机负荷占比越高，总供热量越大。

由(3)中的公式可看出，总负荷相同情况下，若提升联合循环机组中汽机负荷(P₂)占比，须降低燃机负荷(P₁)占比。

三、热力性能计算：

1)燃机HCO切至辅推面后，该型号燃机实际负荷损失约3MW，共损失6MW。联合循环机组中汽机占比约1/3，因此汽机负荷升高约2MW；机组二拖一背压工况下，实际热电比约为4.5，设定Q₂---汽机排汽供热量增量为Q₂＇，计算公式为：Q₂＇＝2MW×热电比×3.6＝32.4GJ/h。

2)为维持总负荷不变，两台燃机切至辅推面后需各涨负荷2MW。通过历史切换曲线可知，冬季燃机由主推面切至辅推面后，排气温度由560℃升至570℃，因锅炉排烟余热回收，因此排烟温度维持60℃恒定。设定辅推面Q₁---烟气余热回收供热量为Q₁＇由热力学第二定律Q＝C×M×▽T可知：Q₁＇/Q₁＝▽T＇/▽T＝(570-60)/(560-60)＝1.02。该厂满负荷时烟气回收供热量为200GJ/h，因此Q₁最大增量为：MaxQ₁增量＝(Q₁＇/Q₁-1)×200GJ/h＝4GJ/h。联合循环机组负荷调节范围50％-100％，因此Q₁增量约为2-4GJ/h。由上述计算可以看出，供热增量主要以Q₂汽机排汽供热量增量为主，新增总供热量Q＇约为34～36GJ/h。

四、实施：

2020年02月22日02：00，机组负荷450MW，二拖一背压负荷下限运行。将#1、#2燃机HCO系统切至辅推力面运行，切换前后机组运行参数显示曲线如图5所示，该曲线中横轴表示时间，图中多个曲线分别表示表1中总负荷、燃机排气温度等各数据项随时间的走势，根据该曲线图可以得到表1中各数据项在HCO主推面和HCO辅推面的具体数值：

表1

根据上述数据可知，机组二拖一背压运行，HCO切至辅推面后燃机排气温度增加10℃，燃机、汽机负荷各增长2MW，天然气耗气量增加约350标方，供热量增加30GJ/h与性能计算值基本接近。

经过折算，两台燃机HCO切至辅推面运行后，联合循环机组综合气耗降低0.0015Nm3/KWh，热电比提升0.0053，热电解耦能力进一步增强。

全负荷区间可增加供热能力约30GJ/h，热电比提升0.005，综合气耗降低0.0015Nm3/KWh。全年利用小时数不变的情况下可增加供热量约4万GJ，增加盈利约240万元。

本发明实施例提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法、装置及系统，该方法燃气蒸汽联合循环机组以背压方式运行时，通过运行指令控制燃气轮发电机的转子向透平方向移动，可增加机组热电比，从而提升机组热电解耦能力。

本发明实施例中还提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法相似，因此该装置的实施可以参见燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法的实施，重复之处不再赘述。

参见图6所示的燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置结构框图，该装置应用于燃气轮发电机；燃气轮发电机包括转子、压气机和透平；压气机和透平沿转子相对设置；该装置包括：

获取模块61，用于获取燃气轮发电机的运行参数；运行参数用于控制转子向透平方向移动；生成模块62，用于根据运行参数生成运行指令；控制模块63，用于根据运行指令控制燃气轮发电机运行，以使燃气蒸汽联合循环机供热。

在一个实施例中，燃气轮发电机还包括燃烧室；转子依次穿过压气机、燃烧室和透平设置。

在一个实施例中，根据运行指令控制燃气轮发电机运行，包括：根据运行指令控制转子绕轴向转动并沿轴向平移。

在一个实施例中，转子沿轴向向透平方向移动的位移值小于转子沿轴向向压气机方向移动的位移值。

本发明实施例中还提供了一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制系统，该系统包括燃气轮发电机、余热锅炉和汽轮发电机；所述燃气轮发电机包括上述任一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制装置。

在本发明实施例中，参见图4所示的燃气蒸汽联合循环机组供热控制系统结构示意图，其中，燃机为西门子9F(4)型；还包括1台型号为LZC266-12.5/0.4/545/540供热蒸汽轮机；余热锅炉为无锡华光生产的三压、无补燃、带尾部烟气余热回收、一次再热、自然循环锅炉。

机组二拖一分轴布置，两台余热锅炉产生的高、中、低压主蒸汽采用母管制，汇汽至母管后进入汽轮机做功；若机组进行单台燃机启停调峰或单台燃机检修时，也可转换为一台燃机+汽轮机的一拖一方式运行。

汽轮机为双缸双排汽、高中压合缸、无调节级、一级再热、无回热、中压缸排汽设一级调整抽汽、带低压补汽。汽机转子配置一台SSS离合器，纯凝和抽凝方式运行时，SSS离合器啮合。供暖季热负荷较高时，可将SSS离合器脱开切除低压转子，汽机转为高中压缸背压方式运行。中压缸排汽和低压补汽全部用进入热网系统进行供热。

本发明实施例还提供一种计算机设备，参见图7所示的计算机设备结构示意框图，该计算机设备包括存储器71、处理器72及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法的步骤。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的计算机设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述任一种燃气蒸汽联合循环机组供热控制方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。