1. 研究目的与意义（文献综述）

选题的目的与意义：随着我国天然气资源的大规模开发以及使用的普及，在煤改气的大背景之下，使用燃气轮机来满足电力需求符合我国现阶段的发展状况。天然气作为公认的清洁能源，受到了广泛关注。尤其是以天然气为燃料的高效的燃气轮机联合循环发电机组更是受到了全世界的重视。燃气轮机发电机组电站的的可用率较高，能达到90%以上，高于燃煤电站，同时还能提高电网的经济运行水平，可以作为我国普遍使用的从煤电向清洁能源过渡的一种发电方式。中国能源产业结构的调整，天然气产量的不断增加，给以洁净天然气为燃料的燃气轮机提供了发展和应用的良好的外部环境与条件。根据国家发改委规划，到2020年，全国燃气轮机联合循环装机容量将达到5500万千瓦。我国将成为世界最大的燃气轮机潜在市场，行业发展前景广阔。因此，研究燃气轮机联合循环的热力学特性在帮助其提高热效率，减少污染水平，提高经济性水平等方面具有重要的理论指导意义。本文通过定量分析燃气轮机的热力学过程以及其特点，旨在探究不同的使用要求，如要求最大的热效率，最大的功率等情况下，找出各热参数的最优点，尤其是注入蒸汽的量，从而在理论上指导燃气轮机电厂的运行。

国内外的研究现状与发展趋势：

注蒸汽燃气轮机，即stig(steam-injected gas turbine). 发展起步较晚，但是发展迅猛。我国于八十年代以前所建的燃气轮机发电站都是简单循环机组，经济性较差，能耗也较高，没度电耗油大多都在330克以上，热效率为26%左右。为了改善燃气轮机发电的技术经济性能，九十年代初，我国从发货alsthom公司引进了一套10万千瓦燃气-蒸汽联合循环发电机组，在汕头市成功用原油连续运行，开创了我国应用燃气-蒸汽联合循环发电的先例，把我国燃气轮机技术提高到一个新的水平。此后我国新建了36座联合循环发电站，共装机66台，总容量达到503千瓦，其中深圳美视abb电力公司的一套gt13e2机组，其功率为24万千瓦，单机功率为当时我国之最。由于联合循环性能的优越性，我国开始消化吸收国外技术，使联合循环发电技术装备逐步国产化，深圳金岗电力有限公司于1993年采用杭州锅炉厂制造的q318/460-40-275/390型余热锅炉和一台德国西门子公司1935年制造的pg5301型燃气轮机配套建成一套2.8万千瓦的联合循环发电机组，开创了国内改造简单循环燃气轮机的先例。之后经过二十多年的发展，国内在燃气轮机自主创新、引进消化吸收、产品研制生产等方面取得了较大进展，为我国自主知识产权的燃气轮机产品的研制奠定了基础。

从上世纪九十年代开始，各国的科研人员一直没有停止过对stig及其相关系统的热力性能研究。在我国，纪军、张世铮对注蒸汽燃气轮机稳态全工况性能进行了分析[1]。胡宗军，吴铭岚等人，对注蒸汽燃气轮机进行了建模，并对其进行了理论计算，得出了制约注蒸汽量大小的因素[2]。 t. srinivas 等 人在注蒸汽系统中使用双压余热锅炉，并对其进行了热力性能分析 [3] 。之后还有许多学者对stig的热力学过程和特性进行了研究，并对其进行了各种仿真试验。而到目前为止，学者们又在探索更加高效，节能的方法来提升stig系统的性能，最主要的方法是将stig系统与其他系统联合起来，针对性的利用其他系统的优点，来弥补stig系统的短板。主要包括燃煤气的注蒸汽燃气轮机循环系统，生物质气化的注蒸汽燃气轮机循环系统，将湿空气透平（hat）循环和stig系统结合起来的pevgt系统，以及注蒸汽燃气轮机-海水淡化复合系统这四种。其中，燃煤气的注蒸汽燃气轮机循环是针对我国的资源禀赋而建立的一套系统，充分的发挥了我国产煤大国的优势。整个循环为煤在气化炉中形成粗煤气，经过热交换器，降温放热以加热给水产生回注用蒸汽，再经过脱硫、除尘 变为洁净煤气，作为循环所用的燃料进入燃烧室。 在燃烧室中煤气与空气燃烧后与注入的蒸汽混合，达到燃气轮机人口温度，再在涡轮中膨胀做功。余热锅炉一般不需要补燃，利用燃气轮机排气来加热 处理过的水，使之变为过热蒸汽，注入燃烧室。因此，这种循环是煤气化产物为燃料的注蒸汽燃气轮机循环，简称igstig系统。白云波和陈安斌对其进行了热力学分析之后发现，这种装置由于增加了煤气化装置，必然引起了附加损失，但由于煤的气化显热得到有效回收，使得其性能与天然气的stig循环相近，是很有前途的燃煤发电技术。类似的还有生物质气化的注蒸汽燃气轮机循环（big/stig），生物质在气化器中气化，气化器中产生的燃料气通过净化系统变为干净的燃气，干净的燃气被送到燃气轮机的燃烧室中 和压缩空气燃烧，并与湿蒸汽充分混合，生成高温高压的气体驱动燃气轮机发电。从燃气轮机排出的气 体经过余热锅炉产生高温高压的蒸汽，蒸汽回注到燃烧室。而湿空气透平（hat）循环和stig系统结合起来的pevgt循环则解决了stig循环在热电联供领域的应用问题。其中hat循环相对于stig循环具有较高的效率，但不适合同时供电和供热，而stig循环则有灵活的热电比调节的性能，但效率相对较低。所以，将两者结合起来的pevgt循环，既具有较高的发电效率，又能对外提供蒸汽并实现灵活的热电比调节。王静，张士杰等对其中两种pevgt循环方式进行了参数优化以及热力学分析。结果表明，其混流位置对pevgt循环的热力性能有重要影响。同时，纯发电时，两种循环的效率对高点对应在0~20%之间，循环效率和比功对分流比变化不敏感，循环效率、比功和最佳压比随透平初温升高而上升。在最关键的热点联供的工况下，这两种pevgt循环相对于stig循环来说有着相似的热电调节灵活性但发电效率更高。在相同的蒸汽输出比下，两种循环的热电比分别居于stig循环两侧。这种pevgt循环确实能将hat循环和stig循环的有点结合起来，但是耗水量巨大成为制约其发展的一个重要因素。所以有学者就提出注蒸汽燃机-海水淡化复合系统（stig-metvc），即将注蒸汽燃气轮机循环和低温多效热蒸汽压缩海水淡化系统结合起来，利用海水淡化来满足该循环对水的巨大消耗。集美大学的王永青教授在对其做过热力学分析之后得出结论: 1.循环压比，透平初温和注蒸汽比是影响stig-metvc系统的主要因素。随着初温升高，系统产功量和产水量都升高;随着注蒸汽比升高，产功量提高、产水量下降。2.随着压比提高，相应于单位质量压气机入口空气的比功先升高、后下降，存在最佳压比，相应于单位质量燃耗 的产功量则一直升高，同时产水量下降。3.低压比、低注蒸汽比适用于低功水比、高淡水需求的场合，反之，高压比、高注蒸汽比适用于高功水比、低淡水需求的场合。

2. 研究的基本内容与方案

主要内容：本文首先对燃气轮机发电技术做简要的介绍，选取其中的一种，即注蒸汽燃气轮机循环发电模式作为本文主要的研究对象。并从四个方面(4e)，即功率，能效，经济性与环境四个方面，对其热力学特性进行分析，分别计算其在不同优化目标下的下的各运行参数的最佳值，包括压缩机压力比，压缩机，涡轮等熵效率和燃气轮机入口温度[5]等三重优化目标。而根据这三重优化目标，又可引出更多的热力参数，如温比，压比，节点温差，最高蒸汽温度和压力[6]等。并且探讨他们的匹配关系和对循环性能的影响。

研究方法：本文将会从四个方面[4e]分析，将其循环看做成理想过程，根据公式，抽象出各优化目标的数学指标，如功率最大，效率最高，氮氧化物与co排放最少的指标，用纯数学方法计算出理论上各优化目标下的最佳热力参数，并得出各热力参数对优化目标的函数关系。从而对燃气轮机发电机组在不同状况下的运行提供理论指导。

技术路线：先从理论上分析注蒸汽燃气轮机联合循环各循环的热力学特性，即分析brayton循环和rankine循环的热力学特性，并将其结合到一起，探究在各优化目标下的各热力参数值最佳值和对联合循环的影响，并简单配合工程软件做出其函数图像，再结合实际给出具体结论和建议。

3. 研究计划与安排

第1-3周：英文翻译，完成开题报告和文献综述。

第4-6周：注蒸汽燃气轮机系统的调研和分析。

第7-10周：注蒸汽燃气轮机系统调研和分析。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献：

[1] 纪军, 张世铮. 注蒸汽燃气轮机稳态全工况性能分析[j]. 工程热物理学报, 1994, 13(4): 361-364.

[2] 胡宗军, 吴铭岚. 注蒸汽燃气轮机最佳注汽量的研究[j]. 热能动力工程, 1998, 13(76): 257-261.