引言
随着能源短缺和环境污染问题日益严峻,提高能源利用效率成为当前能源领域的重要课题。天然气作为清洁能源,在发电领域应用广泛。PG6111FA燃气轮机以其高效率、低排放的特点,在联合循环发电系统中占据重要地位[1]。本文旨在研究PG6111FA燃机余热回收系统的设计与优化,探讨其在综合能源利用方面的应用潜力,为提高燃气-蒸汽联合循环电厂的整体效率和经济性提供理论依据和技术支持。
2PG6111FA燃机主要技术参数
PG6111FA燃气轮机作为通用电气公司开发的F级重型燃气轮机，其技术参数反映了其在性能和效率方面的优势。该燃机的额定功率约为75MW，压气机压比达到15.5:1，具有较高的热力循环效率。燃机的排气温度约为600℃，燃气温度可达1300℃左右，这为余热回收系统提供了充足的热源。排气流量约为220kg/s，为余热锅炉的热量传递提供了良好的条件。PG6111FA燃机的热效率超过35%，在同类型燃气轮机中处于领先水平。在环保方面，其NOx排放控制在25ppm以下（15% O2干基），满足严格的环保要求。
3.PG6111FA燃机余热回收系统设计与优化
3.1余热锅炉设计原理
PG6111FA燃机的余热锅炉设计遵循热力学第二定律和传热学原理，旨在最大限度地回收燃气轮机排出的高温烟气中的热能。余热锅炉采用逆流换热原理，通过合理布置受热面，实现烟气与水/蒸汽之间的有效换热。设计中需考虑烟气温度、流量、成分等参数，以及水/蒸汽的物性变化，确保各换热单元的温度匹配和热负荷分配最优。此外，余热锅炉的设计还需权衡传热效率与压力损失，以在提高换热效率的同时，保证燃气轮机的正常运行。
在PG6111FA燃机余热锅炉的具体设计中，采用了双压无补燃卧式自然循环结构。高、低压系统分别包括过热器、蒸发器和省煤器，通过级联布置实现了对烟气热能的分级利用[2]。自然循环设计简化了系统结构，提高了运行可靠性。无补燃方式虽然限制了蒸汽参数的进一步提高，但简化了系统控制，降低了投资和运行成本。卧式结构有利于减小锅炉占地面积，便于安装和维护。
3.2余热回收系统优化策略
余热回收系统的优化是提高PG6111FA燃机联合循环效率的关键。首要策略是优化换热面布置，通过精确计算和模拟分析，确定各换热单元的最佳位置和尺寸。这包括调整高、低压过热器、蒸发器和省煤器的相对位置，以及优化换热管束的结构和排列。同时，采用先进的翅片管技术可显著提高换热效率。另一重要策略是蒸汽参数优化，通过提高蒸汽压力和温度，增加热力循环的热效率。然而，这需要在效率提升与设备成本、材料限制之间权衡，找到最佳平衡点。
此外，给水系统优化通过优化给水泵的性能和控制策略，可以实现给水流量的精确调节，适应不同负荷条件下的热量回收需求。引入再热循环可进一步提高系统效率，但需要考虑其对系统复杂度和成本的影响。最后，通过采用先进的控制算法和监测系统，如模糊控制和神经网络预测，可以实现余热回收系统的智能化运行，在不同工况下保持最佳性能。
4.PG6111FA燃机综合能源利用系统研究
4.1热电联产系统设计
PG6111FA燃机热电联产系统的设计旨在实现电力和热力的高效协同生产，充分利用燃机余热，提高整体能源利用效率。系统设计以PG6111FA燃气轮机为核心，结合余热锅炉和抽汽凝汽式汽轮机，形成完整的热电联产机组。在电力生产方面，燃气轮机直接驱动发电机产生电能，同时其高温尾气进入余热锅炉产生高、低压蒸汽，驱动汽轮机进行二次发电。热力生产则主要通过两种方式实现：一是利用汽轮机的抽汽，二是利用余热锅炉产生的部分蒸汽。系统设计需要综合考虑电热负荷特性、季节性变化以及用户需求，合理配置抽汽量和参数，确保在不同工况下都能满足电热需求。此外，设计中还需考虑调峰能力，通过调节抽汽量和补燃等手段，实现电热负荷的灵活调节。
热电联产系统的关键在于热力网络的设计和优化。根据热用户的分布和需求特性，设计合理的供热管网，包括一级网和二级网。一级网主要负责将热源站的高温热媒输送至各热力站，二级网则将热力站的热量分配给终端用户。在管网设计中，需要优化管径、保温材料和敷设方式，降低热损失和水力损失。同时，考虑引入智能调度系统，根据实时负荷需求和网络状况，动态调整供热参数，提高系统运行效率。此外，热电联产系统还可以与区域供冷集成，通过吸收式制冷机将热能转化为冷能，实现冷热电三联供。这不仅提高了能源利用效率，也增加了系统的经济性和灵活性。在系统设计中，还需考虑环保因素，如低NOx燃烧技术的应用、烟气处理设施的配置等，确保系统运行符合环保要求。最后，通过先进的自动化控制系统，实现热电联产系统的智能化运行，在保证供能质量的同时，最大化能源利用效率和经济效益。
4.2综合能源利用效率分析
PG6111FA燃机综合能源利用系统的效率分析主要从一次能源利用率、热电比、系统能效和综合能源利用率等方面进行。一次能源利用率反映了燃料中化学能转化为有用能量的程度，对于PG6111FA燃机热电联产系统，这一指标通常可达80%以上，远高于常规火电厂。热电比是衡量系统热能与电能输出比例的重要参数，影响系统的运行策略和经济性。PG6111FA燃机系统的热电比可根据季节和负荷需求灵活调节，通常在0.5-1.5之间。系统能效则综合考虑了电效率和热效率，采用等价发电效率法进行计算，可以更全面地反映系统的能量转换能力。
综合能源利用率的计算需要考虑系统的多种输出形式，包括电能、热能和冷能。对于PG6111FA燃机热电联产系统，其综合能源利用率通常可达85%以上，在三联供模式下甚至可以超过90%。效率分析还需考虑系统在不同负荷和环境条件下的性能变化。通过建立详细的热力学模型和热经济学模型，可以模拟和预测系统在各种工况下的运行性能。这些模型不仅考虑了设备的特性曲线，还包括了环境温度、湿度等外部因素的影响。通过参数敏感性分析，可以确定影响系统效率的关键因素，为运行优化和改进设计提供依据。
4.3经济性与环境效益评估
PG6111FA燃机综合能源利用系统的经济性评估主要涉及投资成本、运营成本和收益分析。初始投资包括设备采购、安装和辅助设施建设等，通常比单纯的燃气发电系统高。然而，由于系统的高效率和多种能源产品输出，其运营成本相对较低。燃料成本是主要运营支出，但天然气价格的波动会影响系统的经济性。维护成本则相对较低，得益于PG6111FA燃机的高可靠性和先进的预测性维护技术。收益方面，除电力销售外，热力和冷能的供应为系统带来额外收入，显著提高了投资回报率。通过计算净现值(NPV)、内部收益率(IRR)和投资回收期等指标，可以全面评估系统的经济可行性。敏感性分析还可以评估燃料价格、电价和热价变动对经济性的影响，为风险管理提供依据。
环境效益评估主要关注系统的排放特性和资源利用效率。PG6111FA燃机使用天然气作为燃料，相比煤电，大幅减少了二氧化硫、氮氧化物和颗粒物的排放。通过先进的低NOx燃烧技术和烟气处理设施，系统的NOx排放可控制在25ppm以下，远低于国家排放标准。温室气体方面，由于系统高效率和天然气的低碳特性，每单位能源输出的CO2排放显著低于传统火电厂。此外，系统的高效率也意味着更少的燃料消耗和更低的资源开采压力。水资源利用方面，相比传统火电厂，PG6111FA燃机系统的用水量大幅降低，缓解了水资源压力。
参考文献
[1]谢敏,叶佳南,何知纯,等. 考虑碳排放和混合燃烧特性的氢混燃机精细化建模及应用 [J]. 中国电机工程学报, 2023, 43 (11): 4319-4340.
[2]史伟,陆怀谷,周珊,等. 基于电力和燃气互补控制的综合能源系统控制方法研究 [J]. 浙江电力, 2021, 40 (12): 3-10.
