燃气-蒸汽联合循环发电系统多目标优化分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24033

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 839-848.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24033

燃气-蒸汽联合循环发电系统多目标优化分析

王文静¹, 韩依璇¹, 李继宾², 沈晓旭², 霍兆义¹, 冯亮花¹

^1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁省鞍山市 114051
^2.上海嘉德环境能源科技;有限公司，辽宁省鞍山市 114051

收稿日期:2024-04-04 修回日期:2024-07-01 出版日期:2025-08-31 发布日期:2025-08-21
作者简介:王文静(1998)，女，硕士研究生，研究方向为能量系统集成优化，wwj180508@163.com；
韩依璇(1997)，女，硕士，助教，研究方向为能量系统集成优化， hanoeseom@163.com；
霍兆义(1982)，男，博士，副教授，研究方向为复杂能量系统集成优化、工业低温余热综合利用、能量系统诊断分析等，huozhaoyi@ustl.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52074151);辽宁省科技厅应用基础研究项目(2022JH2/101300079)

Multi-Objective Optimization Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Power Generation Systems

Wenjing WANG¹, Yixuan HAN¹, Jibin LI², Xiaoxu SHEN², Zhaoyi HUO¹, Lianghua FENG¹

^1.School of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning Province, China
^2.Anshan Cadre Environment Energy Science and Technology Co. , Ltd. , Anshan 114051, Liaoning Province, China

Received:2024-04-04 Revised:2024-07-01 Published:2025-08-31 Online:2025-08-21
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52074151);Applied Basic Research Project of the Science and Technology Department of Liaoning Province(2022JH2/101300079)

摘要/Abstract

摘要：

目的为提高燃气-蒸汽联合循环发电机组效率，需进行热力系统的优化设计，因此提出一种同时考虑热效率、运行成本和碳排放的联合循环发电系统多目标优化建模方法。方法燃气循环考虑叶片冷却建模，蒸汽循环基于三压再热余热锅炉建模。所构建的混合整数非线性数学规划模型采用 GAMS 软件进行求解，对发电机组进行优化，探究联合循环发电系统的最佳设计参数，包括循环压比、透平初温、底循环蒸汽参数，分析多目标之间的权衡关系。结果透平初温对循环效率、总成本和碳排放量影响程度最大。当权衡系统联合循环效率、系统总成本和碳排放进行多目标优化时，联合循环效率应为65%。结论所提方法可以更好优化大型发电机组热力参数，达到节能减排、提高能效的目的。

关键词: 联合循环发电机组, 多目标优化, 碳排放, 热力计算, 余热锅炉, 循环压比, 仿真分析

Abstract:

Objectives To improve the efficiency of gas-steam combined cycle power generation units, an optimized design of thermodynamic systems is required. Therefore, a multi-objective optimization modeling method for combined cycle power generation systems, simultaneously considering thermal efficiency, operating cost, and carbon emission is proposed. Methods The gas cycle is modeled incorporating blade cooling, while the steam cycle is modeled based on a triple-pressure reheat heat recovery steam generator. The constructed mixed-integer nonlinear mathematical programming model is solved using GAMS software to optimize the generation units, explore optimal design parameters of the combined cycle power generation system including cycle pressure ratio, turbine inlet temperature, and bottom-cycle steam parameters, and analyze trade-off relationships among multiple objectives. Results Turbine inlet temperature has the most significant effect on cycle efficiency, total cost, and carbon emissions. When conducting multi-objective optimization that balances combined cycle efficiency, total system cost, and carbon emissions, the combined cycle efficiency should be 65%. Conclusions The proposed method can more effectively optimize the thermodynamic parameters of large-scale generation units to achieve energy saving, emission reduction, and improved energy efficiency.

Key words: combined cycle generator sets, multi-objective optimization, carbon emission, thermodynamic calculation, waste heat boiler, cycle pressure ratio, simulated analysis

中图分类号:

TK 121

王文静, 韩依璇, 李继宾, 沈晓旭, 霍兆义, 冯亮花. 燃气-蒸汽联合循环发电系统多目标优化分析[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 839-848.

Wenjing WANG, Yixuan HAN, Jibin LI, Xiaoxu SHEN, Zhaoyi HUO, Lianghua FENG. Multi-Objective Optimization Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Power Generation Systems[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(4): 839-848.

图/表 16

图1 燃气-蒸汽联合循环系统流程图

Fig. 1 Flowchart of gas-steam combined cycle system

图2 三压再热余热锅炉温焓图

Fig. 2 Temperature-enthalpy diagram of triple-pressure reheat heat recovery steam generator

表1 计算参数

Tab. 1 Calculation parameters

名称	参数	数值
燃气轮机	空气绝热指数γ_a	1.4
	燃气绝热指数γ_k	1.33
	空压机效率η_ac/%	87
	燃烧室效率η_cc/%	99.5
	透平效率η_t/%	90
	叶片温度T_b/℃	860
	燃料流量v_f/(m³/s)	20.44
	燃料热值h_u/(kJ/m³)	37 355
	甲烷体积分数/%	91.73
	乙烷体积分数/%	6.17
	氮气体积分数/%	1.44
	二氧化碳体积分数/%	0.66
余热锅炉	给水温度t_c/℃	28.96
	接近点温差ΔT/℃	8
	夹点温差Δt/℃	8
	省煤器传热系数u_ec/[W/(m²⋅℃)]	42.6
	蒸发器传热系数u_ev/[W/(m²⋅℃)]	43.7
	过热器传热系数u_sh/[W/(m²⋅℃)]	50
汽轮机	低压汽轮机效率η_lst/%	92
	中压汽轮机效率η_mst/%	91
	高压汽轮机效率η_hst/%	90
冷凝器	工作压力p	0.004
价格系数	省煤器c^ec/(美元/m²)	45.7
	蒸发器c^ev/(美元/m²)	34.9
	过热器c^sh/(美元/m²)	96.2
	电力c^power/[美元/(kW⋅h)]	0.076
	冷却水c^cw/(美元/m³)	0.02

图3 压比对循环效率的影响

Fig. 3 Effect of pressure ratio on cycle efficiency

图4 透平初温对循环效率的影响

Fig. 4 Effect of turbine initial temperature on cycle efficiency

图5 夹点温差对循环效率的影响

Fig. 5 Effect of pinch point temperature difference on cycle efficiency

图6 接近点温差对循环效率的影响

Fig. 6 Effect of approach point temperature difference on cycle efficiency

图7 压比对系统总投资成本与碳排放量的影响

Fig. 7 Effect of pressure ratio on total system investment cost and carbon emission

图8 透平初温对系统总投资成本与碳排放量的影响

Fig. 8 Effect of turbine initial temperature on total system investment cost and carbon emission

图9 夹点温差对系统总投资成本与碳排放量的影响

Fig. 9 Effect of pinch point temperature difference on total system investment cost and carbon emission

图10 接近点温差对系统总投资成本与碳排放量的影响

Fig. 10 Effect of approach point temperature difference on total system investment cost and carbon emission

图11 不同参数对循环效率主要指标的影响评价

Fig. 11 Evaluation of effects of different parameters on main indicators for cycle efficiency

图12 不同参数对系统总投资成本、碳排放主要指标的影响评价

Fig. 12 Evaluation of effects of different parameters on total system cost and carbon emission

图13 多目标优化的帕累托边界

Fig. 13 Pareto frontier for multi-objective optimization

图14 总投资成本与循环效率帕累托边界解

Fig. 14 Pareto frontier solution for total cost and cycle efficiency

图15 总成本与CO2排放量帕累托边界解

Fig. 15 Pareto frontier solution for total cost and CO2 emission

参考文献 20

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燃气-蒸汽联合循环发电系统多目标优化分析

Multi-Objective Optimization Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Power Generation Systems

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