燃氣-蒸汽聯合循環裝置的技術特點及應用研究

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

與單一的燃氣輪機及蒸汽動力裝置相比，燃氣-蒸汽聯合循環裝置具有較高的工作效率。早在1929 年，瑞士BBC 公司已實現了采用增壓鍋爐的聯合循環裝置，但由于當時燃氣輪機尚不具備足夠高的效率，而汽輪機的效率卻有較大的提高［1］，所以聯合循環的優越性并未得以充分體現。自20 世紀60 年代以后，由于冶金工業和燃氣輪機冷卻技術的發展，燃氣輪機的初溫、效率和單機功率都有了顯著提升，燃氣輪機和聯合循環發電裝置才逐步得到應用［2-5］。

1 燃氣-蒸汽聯合循環裝置的技術優勢

燃氣-蒸汽聯合循環裝置得到了廣泛應用，其技術優勢主要如下：

（1）熱效率高，目前以石油或天然氣為燃料的聯合循環發電裝置，熱效率可達47%［6］，是成熟的火力發電裝置中效率最高的；

（2）與常規火力發電站相比，基建周期短，占地面積少，投資降低15%～20%；

（3）聯合循環電站比汽輪機發電站用水少一半以上，對于缺水地區有重要意義；

（4）環境污染小，排氣中的粉塵、SOx、NOx 等均較常規鍋爐少；

（5）起動性能好，而且多臺燃氣輪機組成的聯合循環電站部分負荷時，可停運1 臺或數臺燃氣輪機，從而保持較高的效率。

2 燃氣-蒸汽聯合循環裝置在電站中的應用

2.1 燃煤聯合循環發電裝置的優勢

以石油或天然氣為燃料的聯合循環發電裝置已顯示了其獨到的技術優越性。但石油和天然氣的蘊藏量遠不及煤炭豐富。燃煤目前依然是火力發電的主要發展方向。因此國內外都在重點發展高效率的燃煤發電方式。許多分析表明，燃煤的聯合循環發電設備與常規燃煤電站相比有許多重要優勢。

（1）熱效率比常規燃煤電站高。目前先進的燃煤汽輪機電站熱效率約為37%～38%，為滿足環保要求而加裝煙道脫硫裝置后，會使系統效率降低約3%～4%，所以其熱效率約為34%～35%。采用技術成熟的煤氣化設備和燃氣輪機組成的聯合循環電站，凈發電效率可達39%，進一步發展先進的煤氣化和高溫凈化技術及更高初溫的燃氣輪機，可使總發電效率進一步提高，這是常規燃煤電站所難以實現的。

（2）排氣污染小。燃煤聯合循環電站的最重要的優點之一是其在沸騰燃煤過程中，以及煤的氣化和凈化過程中更易于去除硫分，從而達到環保排放要求。常規燃煤電站的煙道脫硫設備體積龐大，熱損失大，且投資約占電站總投資的1/4～1/3。

（3）燃煤聯合循環電站的耗水量、固體排渣量及有害排放物均比常規燃煤電站少。

（4）燃煤聯合循環電站的投資略低于帶煙道脫硫設備的常規燃煤電站。

2.2 燃煤聯合循環發電設備的形式

目前發展中的燃煤聯合循環發電設備總體上有2 種形式：

一是采用煤氣化聯合循環發電，煤經氣化凈化后送入燃氣輪機燃燒。這種發電方式的優點是，煤在氣化凈化過程中可以較容易地除去硫分及其他有害成分，對燃氣輪機的腐蝕和磨蝕作用小。同時，燃氣輪機初溫的提高會受高溫材料和冷卻技術的限制，采用新型高溫材料和先進冷卻技術可大幅提高燃氣輪機初溫，從而提高發電效率［7］。為此可將煤氣化凈化設備與合循環系統結合在一起，充分地利用熱能，稱之為整體式煤氣化聯合循環（IGCC），其缺點是系統較為復雜。

另一種是沸騰燃燒型聯合循環，煤在沸騰爐中直接燃燒并用石灰石脫硫，壓縮空氣在沸騰床內加熱后進入燃氣渦輪作功。按工作壓力不同，可分為常壓沸騰爐和增壓沸騰爐聯合循環2 種形式。這種類型的聯合循環裝置優點是系統比較簡單，對燃氣輪機的要求較低。但因燃氣溫度受限，聯合循環的效率相應受到了制約。

發展燃煤聯合循環發電裝置的關鍵技術有：煤的沸騰燃燒和床內脫硫；高效大容量煤氣化技術；高溫凈化技術；高溫燃氣輪機技術以及整體聯合循環的調節控制技術等。多年來，世界相關國家開展了大量的研究工作，已完成了關鍵技術的研究及中間試驗，并將其投入商業應用。

2.3 燃煤聯合循環發電裝置中的燃氣輪機

在燃煤聯合循環發電裝置中，燃氣輪機是決定效率和功率的關鍵性設備。為了提高循環的效率和功率，必須發展高溫燃氣輪機。除了采用高溫材料之外，國外許多公司已致力于研究冷卻技術。燃煤聯合循環發電裝置中應盡可能利用一般聯合循環裝置中的標準燃氣輪機，當以燃油或天然氣為燃料的燃氣輪機改用低發熱量煤氣時，應對其進行一定程度的改裝，主要如下：

（1）低發熱量煤氣的發熱量較低，約為天然氣發熱量的1/10左右。在燃氣輪機功率不變的情況下，燃料量增加較多，燃氣渦輪的通流面積應適當增加，否則可能使壓氣機發生喘振。以空氣為氣化劑的整體煤氣化聯合循環裝置抽取一部分壓氣機中的空氣作為氣化劑，再從煤氣系統回到燃氣輪機循環，這樣可以減少通過燃氣渦輪的流量增量，一般僅增加總流量的5%左右，標準燃氣輪機易于滿足要求。

（2）必須將燃料系統改裝為雙燃料調節系統。

（3）由于煤氣中的碳氫比較高，致使CO 含量較高，從而導致燃燒反應速率及燃燒溫度均較低，燃燒速度同樣較慢。燃料在燃燒室中需有較長的逗留時間，因此必須增大火焰管的尺寸并改進燃燒室結構。

3 燃氣-蒸汽聯合循環裝置在艦船上的應用

燃氣輪機由于重量輕、體積小、機動性能好，近年來在國外艦船上已被逐步采用。但由于其油耗較高，在使用上仍受到一定的限制。而燃氣-蒸汽聯合循環裝置可以較有效地提高燃氣輪機的經濟性，節約能源，因而已受到廣泛重視。

艦船聯合循環裝置大規模的研究工作始于20 世紀70 年代，由于可以較大幅地降低能耗，世界上多個國家都曾對此制訂了研究規劃和發展計劃。

燃氣-蒸汽聯合循環裝置應用于艦船的優勢有：①提高效率。相比單一艦用燃氣輪機動力裝置，燃氣-蒸汽聯合循環裝置有著較高的效率，從而降低燃料消耗，提升艦船續航里程。②改善經濟效益。聯合循環裝置的耗油率比簡單循環燃氣輪機低20%～25%，有些可超過30%，總功率也可以提高30%以上。

4 應用于艦船與電站的區別

（1）燃氣-蒸汽聯合循環裝置在艦船上主要用作主推進動力裝置，所以燃氣輪機與汽輪機要先并車，然后再驅動螺槳［8］。由于機艙空間限制，燃氣輪機和汽輪機的體積應盡可能小一些，汽輪機也以單缸為宜。

（2）在電站中，燃氣-蒸汽聯合循環裝置有增壓鍋爐、余熱鍋爐、排氣助燃等多種形式［9-10］，而在艦船上大都只采余熱鍋爐這類形式。余熱鍋爐將布置在燃氣輪機排氣道中，鍋爐的重量和體積均應小一些，效率則盡可能高一些。要有足夠的強度，煙氣阻力卻不希望太大，有時為滿足艦船總體要求，寧可犧牲一些經濟性。

（3）根據相關能源政策，在電站中，燃氣-蒸汽聯合循環裝置應該盡量燒以煤為代表的固體燃料。而艦用燃氣-蒸汽聯合循環裝置通常優先使用液體燃料，多以重油為主。

（4）在電站中，燃氣-蒸汽聯合循環裝置的經濟效益是首要目標，因而余熱鍋爐的排煙溫度在不產生低溫腐蝕的前提下應盡量低一些。熱力系統允許復雜一些，例如考慮中間再熱等。對所使用的材料要求也可以低一些，以便可隨時更換。而在艦船上，要求系統盡量簡單些，排煙溫度不可太低，設備不能隨時更換，對所用的材料要求也應更高一些。雖然經濟效益很重要，但對于艦船而言，動力裝置的安全可靠和機動性比電站更高。

（5）在發電用燃氣-蒸汽聯合循環裝置中，汽輪機的功率選擇應和燃氣輪機在全工況運行時余熱鍋爐所能提供的蒸汽量相匹配。但在艦用燃氣-蒸汽聯合循環裝置中，要根據艦船的性質和用途而定。民用船舶的情況和電站比較相似，但在軍用艦艇上就明顯不同。由于艦艇絕大部分時間運行在巡航工況，此時燃氣輪機運行在低工況，為減少聯合循環裝置的體積和重量，汽輪機功率應與在巡航工況時余熱鍋爐所能提供的蒸汽量相匹配。當聯合循環運行在高負荷時，寧可將多余部分的煙氣旁通余熱鍋爐而直接排出。

（6）艦用燃氣-蒸汽聯合循環裝置主要用于主推進動力。當燃氣輪機在低工況運行時，熱效率也隨之降低，耗油率相應提高。余熱鍋爐的熱能回收率也在逐步提高。這兩個因素共同作用的結果是汽輪機功率在聯合循環總功率中所占的比率不斷增加，從而改善了燃氣輪機的低工況性能。如燃氣輪機繼續在低工況下運行，負荷率持續降低，聯合循環裝置的總輸出功率也會有所降低。當燃氣輪機運行在低工況時，雖然其本身輸出的功率較小，但燃氣-蒸汽聯合循環裝置的總輸出功率會明顯更高，因而有可能高于艦船進出港口和特種作業時所需要的功率。這是在艦船上燃氣-蒸汽聯合循環裝置在非設計工況下運行時所出現的特有問題。可以有多種途徑解決上述問題，例如讓汽輪機退出運行，并將余熱鍋爐產生的蒸汽迅速轉入冷卻減壓裝置然后通入熱力系統中。還可以使蒸汽回路停止工作，使余熱鍋爐處于“干燒”狀態。但一般情況下不建議余熱鍋爐長期干燒。

（7）由于在艦用燃氣-蒸汽聯合循環裝置中，燃氣輪機與汽輪機是通過機械系統聯合在一起的，但其機動性和動態特性卻不完全一致，因而在調節控制系統和傳動裝置的設計和操作運行中應作充分考慮。務必使聯合循環裝置在確保安全可運行的前提下，不降低或盡量少降低燃氣輪機的機動性。對于軍用艦艇而言，該點尤為重要。

（8）通常而言，燃氣輪機是無法實現反向旋轉的。對于發電站而言，該點并不構成問題。但對于艦用燃氣-蒸汽聯合循環裝置，必須對該問題進行詳盡考慮。該問題可通過變距槳、正倒車齒輪箱或倒順液力偶合器等方式來解決。必須對兩機間的運行方式進行周密考慮，以確保整個裝置的可靠性和操縱性。

5 結論與展望

燃氣-蒸汽聯合循環裝置以其較好的起動性、經濟性，環保性，從而在火力發電及軍用艦艇動力裝置領域均有應用。考慮到其獨到的優勢，針對其開展的技術研究及試驗驗證仍有較為深遠的意義。