前言：
由于具有环保、启动迅速、成本低廉以及良好的调峰功能等特点，燃气轮机正在吸引着更多人的关注。通过燃气-蒸汽的联合循环，可以在这个基础上进行能源的阶梯式利用，从而提高了设备的能源使用效率和热效率。近些年来，这种方法已经被广泛地运用到电力领域。GE、西门子、三菱等企业一直专注于燃气轮机的开发，并且把航空发动机的科技融入工业燃机里，以此持续改进燃气轮机。我国联合循环机组多从国外进口，厂家多会提供设计工况下的额定参数，但是实际运行情况与设计工况有较大出入。所以，要深入理解联合循环机组的性能，同时了解其在变工况下的特征。
一、变工况下联合循环性能的影响因素
（一）大气条件变化
1.大气温度
燃气轮机以及其联合循环机组的功能和效能受到环境温度的显著影响。如果环境的温度Ta发生了变动，那么会影响到空气的流速qa和温比t。举个例子，如果大气的温度上升，那么空气的密度就会下降，从而使得压缩机吸取的空气的质量流速下降。因为燃烧比f是固定的，所以天然气的质量流速也会相应地下降，从而使得整个系统的燃料总热量下降，进而影响到机组的做功能力，使得其出力也会相应地下降。另一方面，随着大气温度的升高，每单位工质的功耗也会相应增加，从而导致燃机的效率下降。
但是，随着大气温度的上升，由于烟气流量的减少，余热锅炉的产汽量会相应减少，从而导致蒸汽侧的输出功率也会相应减少。尽管机组的转速和燃料的初始温度保持固定，压比仍然会下降，导致燃气透平的做功减弱。然而，透平的排烟温度T略微升高，这将导致单位蒸汽在锅炉内吸收的热量增加，进而在蒸汽机内做更多的功，因此，蒸汽侧的相对输出功率将会逐渐缓慢降低。所以，尽管燃机、汽机以及联合循环系统的输出功率都会有所减少，但是燃机的相对功率变化最为显著，而蒸汽轮的变化则最为微小，联合循环系统的功率变动率则介于这两者之间。
2.大气压力
通常，要根据1.013×105pa的国际标准（ISO）大气压力来设计燃气轮机。在燃气轮机和它的联合循环机组的地理坐标、海拔升降以及大气压力的改变中，大气压力的波动性可能很强，这将对压气机的入口部分的进气参数产生影响，从而对整个系统的产出功率产生影响。
举个例子，当大气压力上升时，如果环境温度和机组转速保持不变，那么若是大气压力增大，则空气的密度也会随之提高，进而使得压气机的入口处的空气流量也会相应提升，从而使得燃机的出力也会相应提高。在保持机组燃空比恒定的情况下，若是环境温度保持不变，燃料的用量也会随着压气机入口的空气流速的增加而相应增加，从而保持了燃机的效率稳定性。
在联合循环过程中，机组转速、大气温度和燃料的初始温度保持恒定，那么燃气轮机的排放流量也会与大气压力呈现出正相关性。假设蒸汽循环的效能保持恒定，那么在整个循环过程中，蒸汽发动机的功率将与大气压力呈现出正相关性。显然，当大气压力升高时，联合循环系统的整体功率也会相应提升。由于联合循环的燃空比是固定的，燃料的用量会根据进气的质量流量的改变而改变，所以大气压力并不会对联合循环机组的效能造成干扰。
（二）机组燃料变化
在所有的气体燃料中，天然气的性能表现出色，而在液体燃料领域，轻油的使用频率更为广泛。这类优秀的燃料不仅能够维持燃料系统的稳定性，还能够提升其耐久性，所以，这两种燃料得以广泛采纳。鉴于天然气在燃烧后的产物比热相对较大，所以相对于轻柴油，其燃烧后出力会提升2%~3%。
如果燃气轮机选择了气体燃料，那么循环机组的输出功率与效能就会遭遇重大冲击。如果选择了热值相对较小的燃料，那么必须提高燃料的质量流量。然而，这种增加可能对燃气轮机压气机、透平等设备的工作表现产生负面影响，从而对燃机的排烟温度、排气压力以及输出的功率和效率等指标产生相关的影响。改变排烟的温度和流量会引起接下来的锅炉和蒸汽轮机的蒸汽参数的变化，进一步对整个联合循环机组的出力。
（三）进排气压力损失
第一，由于进气压力损失，压气机的入口压力将会降低，这将使其低于大气压力，导致压气机功耗增加，从而使得整个机组的功率和效率降低。
鉴于排气压损会使透平排气压力增大，减小膨胀比，影响机组的功率和效率。然而，因为排气压损并未对压气机的进口产生影响，因此进入压气机的空气的质量流量不会被干扰，因此，相较于进气压损，排气压损对机组出力的影响更为微弱。
另一方面，也必须理解使用排气热量的燃气轮机，其中的进气与排放压损会对其排气的流量与温度产生影响，当进气压力损失增加时，其排气流量会相应降低。当燃气的初始温度维持不变时，随着进气压损的提升，空气的质量流量会降低，这将导致透平的膨胀比降低，从而使得排气温度上升。如果排气压损增加，透平膨胀比将会直接降低，从而导致排气温度上升。从这个角度来看，不管是增加进气压损或者排气压损，燃机的排气温度都会升高。
二、联合循环机组建模及仿真
（一）燃气-蒸汽联合循环机组建模及仿真
基于某联合循环机组在100%的负荷、纯凝状态（大气温度为12°C、大气压力为101.07kPa、大气相对湿度为57%）的性能要求，构建了一种燃气-蒸汽联合循环机组的模型，如图5-3。
图1 燃气-蒸汽联合循环机组模型
（二）仿真计算
1.环境温度变化的影响
在最大工况下（T3*保持固定），创立多个子文件，维持大气压力等参数不变，改变压气机入口的环境温度，并通过计算获取不同温度下的功率、热效率值，结合图表分析环境温度对机组性能的影响。相关数据如表1所示。
表1 不同温度下机组性能参数
根据表格中的数据，绘制了机组热效率和总功率随环境温度变化的图，并将其与制造商的修正曲线进行了比较。
图2 热效率随环境温度变化图
图3 总功率随环境温度变化图
当环境温度升高时，燃气和蒸汽轮机的输出功率将相应下滑，然而，汽轮机的功率下滑速度相对较慢。总的来说，联合循环的输出功率变动幅度在两者的范围内。根据图3分析，当大气温度升高10°C时，机组的输出功率大概会减少5.3%。随着环境温度的上升，单位工质的耗功也相应提高，这使得机组的热效率下滑。尽管模型在背压保持稳定的状态下运作，但当背压保持稳定时，大气温度对机组热效率的影响会减小。然而，从图中我们也能观察到联合循环的热效率有着显著的降低。
2.大气压力变化的影响
在最大工况下创建5份子文件，环境的温度等参数恒定，并且改变压气机入口的大气压力。然后，获取各种大气压力条件下的功率以及热效率的值，通过仿真计算，可得表2。
表2 不同大气压力下机组性能参数
绘制机组热效率和总功率随大气压力变化的图，并与制造商的修正曲线进行比较。
图4 热效率随大气压力变化图
图5 总功率随大气压力变化图
图6 机组出力随大气压力修正曲线（厂家）
根据仿真数据图5，可以观察到，随着大气压力的增加（1kPa），机组的输出功率也会相应提升1%，这与图6所展示的制造商的修正曲线规则相吻合。
三 总结：
综上所述，由于联合循环电站具有低污染、建设时间短、高供电效率以及快速启动和停止机器的特性，正逐渐在电力生产行业中占据越来越关键的地位。这文主要针对某燃气-蒸汽联合循环机组进行了深入的探讨、推理和建模分析，并着重研究了联合循环机组在变工况条下的表现，保证机组的高效率和稳定运行。
参考文献：
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