利用协同式IAH-IGV调节技术提升燃气轮机联合循环部分负荷性能的运行窗口与策略分析

《Energy》：Analysis of operational windows and strategies for gas turbine combined cycles using synergistic IAH-IGV regulation to enhance part-load performance

　　摘要：为提升富含可再生能源的电力系统中燃气轮机联合循环机组的部分负荷性能，本研究针对F类燃气轮机联合循环系统提出了一种新的负荷调节策略。该策略通过烟气再循环技术实现进气加热与导叶控制的协同调控，具体而言，将热回收蒸汽发生器中的废气与压缩机进口空气混合以用于加热。研究利用MATLAB和EBSILONProfessional建立了非设计工况模型，分析了不同负荷下的运行范围，同时考虑了压缩机进口温度、导叶位置、涡轮进口温度以及涡轮排气温度等约束条件。在确定的运行范围内，研究了影响系统性能的因素，并制定了能够在效率与运行安全之间取得平衡的调节策略。与传统的恒定涡轮排气温度策略相比，所提出的高效策略会在高负荷时将压缩机进口温度提升至允许的最大值，然后再调整导叶，从而保持涡轮排气温度处于上限水平。实验结果表明，在100%–60%的负荷范围内，这种协同的进气加热与导叶控制策略可使联合循环系统的效率提升1.25–1.49个百分点，尽管这会带来冲击容量的相应降低。通过在负荷降低时提高压缩机进口温度和涡轮排气温度，进气加热与烟气再循环相结合的方法能够提升低负荷时的发电量并改善整体燃油经济性。本研究为在灵活运行条件下实现燃气轮机联合循环系统效率与运行安全的平衡提供了实用框架。

引言：全球能源结构正在发生快速变化，可再生能源在能源结构中的占比不断上升[1]。然而，可再生能源的间歇性和不可预测性给电网的稳定性与可靠性带来了严峻挑战。因此，传统化石燃料发电厂在维持电力系统安全、经济的运行方面仍发挥着不可或缺的作用，尤其是通过提供峰值调节和灵活支撑来平衡供需关系[2,3]。在这种背景下，提升这些传统发电厂的运行灵活性和经济性变得愈发重要，这对于确保能源转型过程中的电网稳定可靠运行具有关键意义[4]。

在各种基于化石燃料的发电技术中，燃气轮机联合循环系统因其灵活的启停能力、高效率以及出色的峰值发电性能而备受重视[5,6]。正因如此，这类机组经常被用于负荷跟踪和削峰任务，尤其是在可再生能源占比较高的电力系统中。不过，这样的运行模式往往迫使燃气轮机联合循环机组在部分负荷状态下长时间运行，此时其性能下降和经济损失会比满负荷运行更为明显[7]。这就凸显出通过先进的负荷调节策略优化燃气轮机联合循环系统在部分负荷状态下的运行性能和经济性的重要性。

传统的燃气轮机联合循环机组通常采用两种负荷调节方法：导叶控制和纯燃料流量控制。燃料控制是通过减少送入燃烧室的燃料量来调节负荷，而导叶控制则是通过调节导叶角度来控制压缩机进口的气流，进而影响涡轮进口温度和涡轮排气温度。已有大量研究致力于优化部分负荷条件下的导叶控制策略。例如，Mehrpanahi[8]采用多目标遗传算法优化了导叶位置，研究表明更高的功率输出会增强导叶调节的效果，从而降低运行成本并提高机组效率。Yang[9]比较了热电联产型燃气轮机联合循环机组中的导叶控制与纯燃料控制，发现虽然导叶控制有助于提高燃料利用率，但在部分负荷状态下其调节热功转换比的能力较为有限。Huang[10]指出，导叶控制策略能够提升蒸汽轮机的输出功率并减少热回收蒸汽发生器中的废热，但代价是蒸汽膨胀过程中的有效能损失会增加。Liu[11]发现，虽然燃料流量控制有利于燃气轮机循环，但导叶控制则更利于蒸汽循环；他们提出了一种混合策略，通过结合这两种方法，可使发电效率相比单独使用任一方法提升多达2.63%。

后续研究则聚焦于系统可靠性与运行极限问题。Warih[12]对导叶控制系统进行了改进，以有效减少意外停机情况并提升燃气轮机的可靠性。Guan[13]建立了一个数据驱动模型，表明导叶角度每增加1°，压缩机的冲击容量压力比就会降低0.11，这体现了性能与压缩机稳定性之间的权衡关系。Du[14]提出了一种两阶段导叶控制方法，即先通过减小导叶开度来保持涡轮进口温度稳定，然后再调整涡轮排气温度。与传统导叶控制方法相比，这种方法在100–29.3%的负荷范围内可使联合循环系统的有效能效率提升多达1.37%。

不过，调节压缩机进口流量并不仅仅依赖于导叶控制；通过调节压缩机进口的初始温度——这一参数会影响气体密度——同样可以改变质量流量以实现负荷调节。因此，研究人员也探讨了通过控制压缩机进口温度来调节燃气轮机性能的可行性，并取得了显著成果。De[15]发现，当燃气轮机在比标准工况高约30K的环境温度下运行时，其有用功率会损失大约44MW，对于设计功率为265MW的SGT 94.3型号燃气轮机而言，其热效率也会下降约2.1%。此外，直接调节压缩机进口温度也是另一个研究方向。目前，关于进口冷却技术的研究已经相当广泛且较为成熟[16]，全球众多燃气轮机发电厂都在使用该技术来提升进气流量并改善性能。Kakaras[17]引入了集成吸收式制冷技术来降低燃气轮机进口温度，这一方法显著提升了发电功率和效率。De[18]指出，进口蒸发式冷却虽然成本低廉，但仅适用于干燥炎热的气候环境。Farzaneh[19]提出了一种膨胀管式进口冷却方法，其效率提升幅度可达4%，相比传统方法更具成本优势。Mohapatra[20]比较了两种进口冷却方法，发现蒸汽吸收式冷却更有利于提升燃气轮机性能，而从整个燃气轮机联合循环系统的性能来看，蒸汽压缩式冷却则更为优越。Hashmi[21]发现，将进口冷却与可变导叶技术相结合，能够进一步提升工业用燃气轮机的性能。Dabwan[22]提出了一种利用中间冷却器产生的废热来冷却进口空气的新型系统，该系统在炎热地区能有效提升燃气轮机联合循环系统的性能，且投资回报周期较短。

类似地，进气加热也能改变压缩机进口流量，且可通过多种方法实现。Liu[23]利用部分废气来预热压缩机出口的空气，结果发现在非设计工况下，采用该方法的燃气轮机联合循环机组性能优于基准机组。Liu[24]证明，进气加热能够提升压缩机和燃气轮机的效率，尤其在较低的环境温度下，其性能提升潜力更为显著[25]。Wang[26]通过实验发现，利用热回收蒸汽发生器排放的余热来加热进口空气，既能提升热回收蒸汽发生器的效率，也能在复杂环境条件下改善部分负荷下的性能。Li[27]采用回热器来利用三级涡轮排放的废气为进口空气加热，他发现大部分性能提升都源于燃气轮机本身。Variny[28]发现，提高压缩机进口温度能够在热回收蒸汽发生器中产生更多高压蒸汽，进而提升蒸汽轮机的输出功率及整个循环系统的性能。Yang[29]同样利用热回收蒸汽发生器的余热进行进气加热，结果表明较高的进口温度能够减少有效能损失和燃料消耗，不过其负荷调节范围相比导叶控制要窄。Zhu[30]发现，将进气加热与导叶控制相结合的策略能够提升燃气轮机的效率并增加压缩机的冲击容量，这说明进气加热在负荷调节方面具有替代导叶控制的巨大潜力。Li[31]则提出了一种整合废热回收、进气加热与导叶控制于一体的策略，该方法能够扩大压缩机进口流量的可调范围，延缓高负荷区域的效率下降趋势，同时提升低负荷区域的性能。

综合现有研究可知，目前关于燃气轮机联合循环系统运行优化的研究主要集中于导叶控制或进口温度调节这两种单一控制策略。尽管已有研究证实，对这两个参数进行协同调节能够提升部分负荷性能并扩大系统的运行范围，但对于它们之间的耦合效应进行系统性定量分析仍然不足，尤其是在涉及烟气再循环或废热回收的多维度控制条件下。此外，随着协同控制使得系统运行范围得以扩展，系统在该范围内的性能特性——比如在不同导叶角度和进口温度组合下的效率、冲击容量与涡轮排气温度之间的权衡关系——至今尚未明确界定。准确描述这些多维度的运行特性，从而确定最优的运行曲线，对于实现最终的性能优化至关重要。因此，本研究针对F类重型燃气轮机开发了一种全新的部分负荷性能预测模型，该模型将导叶控制与基于烟气再循环的进口温度调节策略相结合。本研究的主要贡献如下：1. 对导叶角度与温度之间的协同效应进行了定量分析：建立了耦合调节模型，量化了导叶开度与压缩机进口温度之间的相互作用，确定了不同负荷水平下的最佳匹配关系，同时将压缩机进口流量的可调范围从受限于最小导叶开度的状态进一步拓展。2. 对多维度运行范围进行了特征分析：系统地研究了导叶控制与烟气再循环之间的协同机制，确保在指定安全范围内维持涡轮进口温度和涡轮排气温度稳定，从而明确了扩展后的运行范围内的性能特性，并保障了运行的安全性。3. 确定了最优运行曲线：基于精确的性能预测，提出了兼顾效率与稳定性的最优调节策略，能够延缓高负荷区域的效率下降趋势，同时提升部分负荷性能。这为在以可再生能源为主的能源体系中提升燃气轮机联合循环系统的灵活性和经济性奠定了理论基础。

本研究通过提供一种具有科学依据的方法，解决了当前调节策略中存在的理论与实践问题，从而推动了燃气轮机联合循环系统在部分负荷条件下的优化发展，为其实现更高效、更灵活的运行奠定了基础。

章节节选：

联合循环系统建模：本研究中所分析的燃气轮机联合循环系统是以西门子SGT5-4000F重型燃气轮机为基准设计的，该燃气轮机配备有15级轴流式压缩机、环形燃烧室以及4级轴流式涡轮。其低负荷运行模式则包括三压再热式热回收蒸汽发生器以及蒸汽轮机系统。表1总结了该基准燃气轮机联合循环系统的主要设计参数。所提出系统的核心创新之处在于引入了烟气再循环回路，用于主动调节压缩机进口温度。

模型计算精度验证：本研究采用的建模方法已在我们之前的研究[27]中得到验证，其对于预测部分负荷性能的准确性已得到证实。对于基于西门子SGT5-4000F的本次研究的燃气轮机联合循环系统，我们还使用了制造商提供的专用设计数据进行了进一步验证。模拟是在100%、75%和50%的负荷条件下进行的，研究分析了包括燃料流量、涡轮排气温度、燃气轮机输出功率以及整个联合循环系统的各项关键性能参数。

结论：本研究提出了一种通过在热回收蒸汽发生器尾部利用烟气再循环来实现进气加热的方法，并设计了一种将进气加热与导叶控制相结合的集成负荷调节策略。以传统的通过导叶控制维持恒定涡轮排气温度的策略作为基准，系统评估了不同运行策略下燃气轮机联合循环系统的性能。主要结论如下：1. 在燃气轮机联合循环系统的运行范围内，较高的压缩机进口温度、涡轮进口温度以及涡轮排气温度都与更好的性能相关。

作者贡献说明：Yongyi Li：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念构建。Haoyu Cheng：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、概念构建。Tianqi Wang：正式分析、概念构建。Yuxuan Zhang：软件应用、概念构建。Yingqi Liang：监督工作、软件应用、概念构建。Guoqiang Zhang：验证工作、监督工作、概念构建。Ming Lei：监督工作、数据整理。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4102600）以及中国国家自然科学基金（项目编号：52306010）的支持。

Yongyi Li|Haoyu Cheng|Tianqi Wang|Yuxuan Zhang|Yingqi Liang|Guoqiang Zhang|Ming Lei
中国河北保定，华北电力大学，储能与综合能源系统河北省重点实验室