燃氣-蒸汽聯合循環機組技術發展及運行原理分析

摘 要:在單機設備效率提高越來越困難的情況下，要提高熱力系統的效率，就必須做到能源梯級利用，以充分利用各品位的熱能，提高整個系統的效率。在這種背景下就開始出現了各種聯合循環方案。本文在此背景下主要對燃氣-蒸汽聯合循環機組技術發展及運行原理進行分析。

關鍵詞:燃氣-蒸汽聯合循環機組 技術發展 運行

中圖分類號:TM611.3\t\t文獻標識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0021-02

從世界電力工業發展的歷程來看，以往人們主要依靠燃煤的蒸汽輪機電站來實現發電目標。在這個領域內，工程師的研究主要集中于提高燃煤電站的單機容量和供電效率以及解決因燃煤而造成的污染問題。改善供電效率的主要方向是:提高蒸汽的初參數并改進其熱力循環系統的設計。目前，效率高、污染低的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組開始受到重視，并獲得了巨大的發展。聯合循環由于做到了能量的梯級利用從而得到了更高的能源利用率，又因為使用干凈的能源如石油和天然氣，所以對環境造成的污染也很小。

1 燃氣-蒸汽聯合循環機組技術發展

就世界電力工業發展的歷程來看，以往人們主要依靠燃煤的蒸汽輪機電站來實現發電目標的。在解決因燃煤而帶來的污染問題方面，人們首先致力于解決粉塵的排放問題，進而向解決NOx和SOx的方向發展。目前，粉塵的排放問題基本上已獲得比較滿意的解決，NOx的問題已能在鍋爐中改用低NOx燃燒器的方法得以控制。但是無論是在燃燒前、燃燒中或燃燒后處理SOx的排放問題，都是很花錢的，許多方案都還在研究之中。目前，世界上在解決SOx的排放問題上用得最普遍的方法是采用尾氣脫硫裝置(FGD)。可是這種裝置的費用很高，它大約要占全電站總投資費用的20%～25%，運行費用也很昂貴。

天然氣是清潔環保的化石燃料，通過低NOx燃燒器的作用，NOx的排放量可以控制在10ppm以下，而CO2的排放量則可以比燃煤或燃油者降低50%左右。

目前，天然氣儲量豐富，價格便宜，這為燃氣輪機及其聯合循環的發展提供了有利的條件。與傳統的燃煤的蒸汽輪機電站相比，燃氣輪機及其聯合循環的優點是:(1)供電效率遠遠超過燃煤的蒸汽輪機電站。目前常規火力發電凈效率為38%～40%，我國平均供電效率僅為30%左右。而先進成熟的天然氣聯合循環發電凈效率已達58%以上，是目前實用發電技術中效率最高的;(2)在國外，交鑰匙工程的投資費用大約為500～600美元/千瓦，它要比帶有FGD的燃煤蒸汽輪機電站(1100～1400美元/千瓦)低很多;(3)建設周期短?？梢园捶蛛A段建設方針建廠，資金利用最有效;(4)用地用水都比較少;(5)運行高度自動化，每天都能起停;(6)運行的可用率高達85%～95%;(7)便于快速黑起動;(8)由于采用天然氣、液體燃料或煤氣，污染排放問題解決得較徹底。一般來說，無飛塵SOx和NOx都很少，特別是在燃燒天然氣時，還可以大大地減少CO2的排放量。顯然，優先選擇比投資費用低，建設周期短，供電效率又很高的燃氣輪機及其聯合循環來作為調峰機組或中間負荷的機組，以取代污染排放嚴重、發電成本又高的常規燃煤的蒸汽輪機發電機組是一個較合理的選擇方案。

2 燃氣-蒸汽聯合循環機組運行原理分析

2.1 聯合循環蒸汽部分的特點

聯合循環中的蒸汽系統是以余熱鍋爐(HRSG)與汽輪機(ST)為核心的物質、能量轉換利用系統，它是用來回收、轉換和利用燃氣輪機的排氣余熱。當燃氣輪機選定后，聯合循環裝置的性能將在很大程度上取決于余熱鍋爐和汽輪機組成的蒸汽系統的流程設置和參數的優化匹配。

在聯合循環中，余熱鍋爐回收燃氣輪機排氣余熱，產生蒸汽推動汽輪機發電。與常規電站過量相比較，余熱鍋爐沒有燃料輸送、煤粉制備和燃燒設備，僅有汽水系統。余熱鍋爐的汽水系統與電站鍋爐基本相似，通常是汽包、省煤器、蒸發器、過熱器以及集箱等換熱管簇和容器等組成的，構成了水的加熱、飽和水蒸發和飽和汽的過熱三個階段。有再熱的蒸汽循環可以加設再熱器。聯合循環中的蒸汽發生系統的主熱源(燃氣輪機排熱)為變溫排熱過程，不斷降溫的燃氣輪機排氣的顯熱在余熱鍋爐中被逐步吸收，產生蒸汽或熱水。由于溫度較低，在余熱鍋爐中傳熱主要是對流傳熱，而輻射傳熱常可忽略。

為了使燃氣輪機的排氣余熱能夠在余熱鍋爐中被充分利用，應力爭盡可能降低排氣離開余熱鍋爐時的溫度值。但是，這個排氣溫度不可能降得很低的，因為在余熱鍋爐的設計中，總要保證鍋爐給水的飽和蒸發段的起始點與燃氣側之間具有一定的溫差(通稱為“節點溫差”)，否則，余熱鍋爐的受熱面積將增至無窮大。

2.2 聯合循環運行原理

目前，燃氣輪機和蒸汽輪機單獨工作時的供電效率達到40%左右，即使采用超臨界參數的蒸汽輪機技術，供電效率也僅能達到45%～47.7%。為了進一步提高發電設備的效率，人們將蒸汽輪機循環與燃氣輪機循環結合起來，從而創造了一種新的方案—— 燃氣-蒸汽聯合循環。目前，最新的燃氣輪機進氣溫度超過1600℃，壓氣機的壓比達30，聯合循環發電效率已超過了60%。聯合循環的實質就是把燃氣輪機的布雷頓(Brayton)循環與蒸汽輪機的郎肯循環疊置在一起，組合成一個總的循環系統。燃氣輪機直接使用燃氣為工質，因此初溫很高，但是其排氣溫度也高;蒸汽輪機系統受限于蒸汽性質，蒸汽初溫不能很高，但是蒸汽凝結溫度很低。燃氣-蒸汽聯合循環充分利用了燃氣輪機的平均吸熱溫度高和蒸汽輪機平均放熱溫度低的特點，因此效率整體循環效率大大高于單獨的燃氣輪機或蒸汽輪機發電機組。

2.3 典型的聯合循環運行方案

目前，常規的使用液體或氣體燃料的燃氣-蒸汽聯合循環有三種基本方案，即:不補燃的余熱鍋爐型;有補燃的余熱鍋爐型;增壓鍋爐型(如圖1)。

(1)不補燃的余熱鍋爐型聯合循環。

圖1中的1-2-3-4-1表示燃氣輪機的實際循環過程;6-7-8-9-10-6表示蒸汽輪機的實際循環過程。不補燃的余熱鍋爐型方案中，由燃氣輪機排氣的冷卻過程4-5釋放出來的熱能，被用來把蒸汽循環中的給水，從工況點6起始加熱升溫，經歷過程6-11-7-8-9，成為具有一定壓力的過熱蒸汽。在該方案中蒸汽的初溫T9受到然氣輪機排氣溫度T4的限制，即T9

(2)有補燃的余熱鍋爐型方案。

在有補燃的余熱鍋爐型方案中，溫度為T4的燃氣輪機排氣在余熱鍋爐中和增加的燃料混合燃燒后加熱到T12，進而被冷卻降溫到T5，由此釋放出來的熱能被用來加熱給水，使之也經歷過程在過程6-11-7-8-9，變成壓力和溫度更高的過熱蒸汽。在該方案中由于T12>T4，因而蒸汽的初溫T9可以高于T4(即蒸汽初溫不受燃氣輪機排氣溫度T4的限制)。而蒸汽量也大幅度增加。顯然這時蒸汽輪機發出的功率可以劇增，它能比燃氣輪機的功率高2～6倍左右。

(3)增壓鍋爐型方案。

在增壓鍋爐型方案中，燃氣輪機的燃燒室是與蒸汽循環中的增壓鍋爐合二為一的，由壓氣機送來的溫度T2的空氣，首先在增壓鍋爐中被燃燒加熱到T13，進而經放熱過程13-3釋放出來的熱能用于加熱給水，使其經歷過程11-7-8-9變成過熱蒸汽，供蒸汽輪機使用。增壓鍋爐中的燃氣在溫度降低到T3后將被送到燃氣輪機中去膨脹做功，燃氣透平的排氣在T4溫度下用來加熱給水，使其沿過程線6-11升溫。

參考文獻

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①作者簡介:王瑩，男，北京京橋熱電有限責任公司，助理工程師，方向:電廠集控運行。