大型天然气联合循环发电技术Word文件下载.docx

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图3燃气-蒸汽联合循环

联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环。

燃气-蒸汽联合循环就是利用燃气轮机做功后的高温排气在余热锅炉中产生蒸汽，再送到汽轮机中做功，把燃气循环（勃莱敦循环）和蒸汽循环（郎肯循环）联合在一起的循环。

图4燃气-蒸汽联合循环的T-S图

根据热力学原理，理想热力循环（卡诺循环）的效率为

，式中T1为热源平均吸热温度，T2为冷源平均放热温度。

公式表明，热源平均吸热温度越高，冷源平均放热温度越低，则循环效率越高。

燃气-蒸汽联合循环中的高温热源温度（透平初温）高达1100～1300℃，其热源平均吸热温度远远高于蒸汽循环常采用的主蒸汽温度540～603℃的热源平均吸热温度，而联合循环中的冷源平均放热温度（凝汽器温度）29～32℃远远低于一般燃气循环的排气温度450～640℃。

也就是燃气-蒸汽联合循环从非常高的高温热源吸热，向尽可能低温的冷源放热，因此联合循环的热效率比组成它的任何一个循环的热效率都要高得多。

目前蒸汽循环凝汽器的真空随外部循环冷却水的水温、冷却方式和真空系统的不同而略有变化，一般为0.04～0.05bar（a），其相应的温度为29～32℃，已难以降到更低。

而燃气循环的透平初温，近年来随着叶片材料和冷却技术的提高还在不断提高。

因此提高联合循环效率的首要途径就是选择透平初温较高的燃气轮机。

理论研究证实[1]，提高燃气轮机的初温，可以使联合循环的效率大大提高。

1.2余热锅炉的补燃与不补燃

所谓补燃，即在余热锅炉中再补充燃烧一部分燃料（气体、液体或固体燃料均可），增大余热锅炉的产汽量，并提高主蒸汽参数（不补燃余热锅炉的主蒸汽温度受到燃气轮机排气温度的限制），由此可以增大汽轮机的功率。

早期的燃气轮机初温较低，排气温度也较低，组成不补燃的联合循环，所能匹配的汽轮机参数必然也很低，因此联合循环的效率也不高。

采用补燃后，就可与高参数的汽轮机相匹配，使联合循环的效率得以提高。

理论研究表明[2]，随着燃气初温的不断提高，余热锅炉产生的主蒸汽参数已经很高。

少量补燃后，如保持蒸汽参数不变，一般总会使联合循环的效率下降；

如保持蒸汽量和余热锅炉的节点温差不变而提高蒸汽参数，有可能略微提高联合循环的效率，但此提高的潜力不大。

由于材料和节点温差的约束，蒸汽参数提高的余地也不多，补燃过多就只能用以增加蒸汽量了。

因此，随着燃气轮机初温的不断提高，新建发电厂现在已很少采用补燃的联合循环方案了。

目前补燃的余热锅炉大多只用于热电联产的联合循环中，通过增减补燃量使产汽量具有灵活性，以求得热负荷和电负荷可以独立地调节；

并提高联合循环在低负荷下的热效率。

不补燃的燃气-蒸汽联合循环的主要优势在于：

①热效率高。

当燃用天然气并把燃气轮机初温提高到1300℃以后，联合循环效率已超过56％，近期有望达到60％。

②锅炉和厂房体积较小，结构简单，投资费用低。

③系统简单，运行可靠性高，现已达到93～98%的可用率。

④启动快。

1.3燃气轮机效率的选择

经理论推导[3]，在不补燃的联合循环中，整套联合循环效率ηcc为：

ηcc=ηgt+（1-ηgt）﹒ηhr﹒ηst（4-1）

式中，ηgt为燃气轮机发电机组的毛效率，ηhr为余热锅炉效率，ηst为汽轮发电机组毛效率。

从式（4-1）可见，提高燃气轮机效率ηgt比同等程度地提高余热锅炉效率ηhr和汽轮机效率ηst对于改善联合循环效率ηcc的效果更为明显。

因此在设计联合循环时，首先应选择功率和效率都能满足要求的燃气轮机作为设计出发点，然后再从整个联合循环的效率和投资角度，来考虑余热锅炉和汽轮机的系统和形式是否配置合理的问题。

1.4燃气轮机排气温度的选择

然而在联合循环设计中，燃气轮机效率并非越高越好。

在联合循环中，燃气轮机效率取最大值，并不能得到最优化的联合循环的效率。

当燃气初温一定时，高压比的燃气轮机排气温度较低，虽然燃气轮机本身的效率比低压比的燃气轮机高，但余热锅炉的能量利用率、蒸汽参数和蒸汽循环效率都较低。

而低压比的燃气轮机的排气温度较高，虽然燃气轮机本身的效率比高压比的燃气轮机低，但蒸汽循环得以利用成熟的高温高压和再热技术，取得蒸汽部分的高效率。

可见在燃气轮机初温一定时，燃气轮机排气温度存在着最佳值[4]。

图5和图6分别表示了燃气轮机效率和联合循环整体效率与燃气初温和燃气轮机排气温度的函数关系。

图5简单循环的燃气轮机效率与排气温度的关系

图6联合循环效率与燃气轮机排气温度的关系

图中t3为燃气初温，近年来的燃气轮机其初温均在1100～1200℃以上，从图5可见，当简单循环的排气温度为400～450℃时，燃气轮机效率最高。

图6与图5相比，联合循环效率的最佳点则向排气温度高的方向移动，为550～600℃。

近年来发展起来的大型燃气轮机，在燃气初温提高的基础上，也都提高了排气温度，其目的就是为了取得整体联合循环的高效率。

因此要获得联合循环的最大效率，不能仅仅选择高效率的燃气轮机，而选择尽可能高的燃气初温和对于联合循环最佳的压比和排气温度才是更重要的因素。

即既要兼顾到燃气循环的效率，又要兼顾到蒸汽循环的效率，才能获得联合循环的最大效率。

2燃气轮机机型选择

能够生产满足上述要求的大容量高效率、能够体现当今工业燃气轮机设计、制造水平的厂家主要有GE公司（美国通用电器）、SIEMENS公司（西门子）、ALSTHOM公司（阿尔斯通）和三菱公司（MITSUBISHI）。

鉴于我国目前正在以市场换技术，积极引进生产大型发电用的燃气轮机技术，因此我们有必要仔细分析研究上述四家燃气轮机厂商产品的技术性能和技术水平。

在建设联合循环电厂时，引进优质高效、成熟可靠、单位造价低的先进产品。

由于9E燃气轮机的燃气初温（1124℃）较低，自身效率要比F级燃气轮机低3～4个百分点。

排气温度仅538℃，蒸汽循环不能再热，联合循环的效率要低4～6个百分点。

因而E级联合循环电厂的上网电价较高。

另外由于E级机组容量较小，需要2+1（两台燃机带一台汽机）组成的联合循环，容量才能达到383.7MW。

相对来说设备增多、系统复杂、占地较大。

经过多方面的技术和经济比较[5]，我们得出结论：

在我国东部天然气价格相对较高的地区建设大型联合循环电厂，不宜选用E级燃气轮机作为基本机型，也不宜选用E级改进型作为基本机型，而F级燃气轮机是我国东部地区建设天然气发电390MW级联合循环电厂的首选机型，而且F级机组在世界上也都是已投运了多年的成熟机型。

这四家燃气轮机厂商产品[6][7][8][9][10]中，PG9351FA、V94.3A、GT26和M701F四种F级机组具备以下特点：

①单机容量大，都在250MW等级，“1+1”（一台燃机带一台汽机）的联合循环功率即已达到390MW。

②专为烧天然气而设计，也可烧备用轻柴油。

燃气初温高，因而燃气轮机自身的效率也高。

PG9351FA、V94.3A和M701F初温均超过1300℃，燃气轮机效率在36.9％～38.7%之间，而GT26的燃气初温虽略低（为1255℃），但采用了燃气再热技术，效率也达到了较高的38.5%。

③排气温度高（584℃～640℃），给蒸汽循环留有较大的余地，蒸汽循环可采用较高参数的三压、再热循环，因而整个联合循环的效率较高，达到56.7％～58.5％。

④燃气轮机结构上均采用轴向排气，排气阻力小，而且便于余热锅炉布置。

燃气轮机均采用压气机冷端拖动发电机，便于安装运行和维护。

表1世界上F级燃气轮机的技术性能

公司

GE

SIEMENS

ALSTOM

三菱

燃机型号

PG9351FA

V94.3A

GT26

M701F

净功率（MW）

255.6

267

265

270

净热耗（Kj/Kwh）

9757

9302

9351

9424

净效率（％）

36.9

38.7

38.5

38.2

燃气初温（℃）

1327

1320

1255/1235

1400（第一级静叶前）

排气温度（℃）

609

576

640

586

联合循环型号

S109FA

GUD1S.94.3A

KA26-1

MPCP1-701F

390.8

392

393

398

净热耗（Kj/Kwh）

6350

6274

6150

6316

56.7

57.4

58.5

57.0

系统配置

1+1，三压再热

余热锅炉蒸汽系统的优化

3.1提高余热锅炉效率的途径

由于不补燃的余热锅炉是利用燃气轮机的排气余热来产生蒸汽和热水，排烟损失是它最主要的热损失，因此降低余热锅炉排烟温度是提高余热锅炉效率的唯一途径。

3.2单压、双压和三压蒸汽系统的选择

在单压蒸汽系统中，在低温段烟气的热量未能充分利用，因此单压余热锅炉不能将排烟温度降低到较低的水平，一般仅能控制在160～200℃左右。

当燃用几乎不含硫的天然气时，因燃料成本相对较高，有需要也有可能进一步降低排烟温度。

在设计余热锅炉时可以采用双压或三压蒸汽系统，即在余热锅炉中除了产生高压过热蒸汽外，还产生中压或低压过热蒸汽，补入汽轮机的中、低压缸中做功。

采用三压蒸汽系统，可使排烟温度进一步降到80～90℃左右。

3.3余热锅炉再热系统的选择

早年的燃气轮机排气温度较低，大多低于538℃，所配的蒸汽循环不宜采用再热方案。

近年来高于584℃排气温度的大型燃气轮机的出现，具备了为余热锅炉提供足够的高温热量用以实现双压或三

压再热循环的可能性。

随着蒸汽循环由单压变为双压和三压，由无再热向再热发展，联合循环的效率都会有一定程度的提高。

研究表明[11]，三压联合循环的效率比双压联合循环的效率大约提高1％；

双压和三压采用再热后，联合循环效率均能再提高0.8～0.9％。

3.4余热锅炉烟气阻力的选取

这里需要指出的是，随着余热利用率的提高，余热锅炉换热面积将增加，余热锅炉烟气侧的阻力将有所提高，也就是燃气轮机的排气背压将有所提高，这将引起燃气轮机功率和效率有所下降。

计算表明[11]：

1kPa的压降会使燃气轮机的功率和效率下降0.8%，因此在联合循环设计优化时要综合考虑这一因素。

余热锅炉及烟道的阻力按联合循环设备采购国际标准[12]规定，对于单压、双压和三压余热锅炉分别为2.5kPa、3.0kPa、3.3kPa。

3.5余热锅炉蒸汽温度的确定

在不补燃的联合循环中，余热锅炉高压蒸汽的温度受到燃气轮机排烟温度的限制。

燃气轮机选型确定后，其排气温度一定，余热锅炉高压蒸汽的温度一般比燃气轮机排气温度低25～40℃。

当然联合循环高压蒸汽温度的确定还与余热锅炉过热器和汽轮机高压部件的材料选择的经济合理性有关。

同样，中压蒸汽和低压蒸汽的温度则比它们各自所在的余热锅炉受热面积上游的燃气温度低11℃左右[13]。

3.6余热锅炉蒸汽压力的优化

蒸汽参数的优化主要是高压蒸汽压力的选择，国外研究表明[14]，随着高压蒸汽压力的提高，联合循环效率有一定程度的提高，升至一个较高的最佳值后开始下降。

优化后的高压蒸汽压力不是很高，通常在高压到超高压的范围内。

对150MW级的汽轮机来说，GE和三菱推荐选择高压蒸汽压力在10Mpa左右，SIEMENS推荐为13Mpa。

3.7联合循环蒸汽系统的优化方向

在燃气轮机型号确定后，应根据所用燃料种类、燃料价格、负荷方式、投资费用、经济效益和建设周期等因素来选择蒸汽系统。

我国东部地区天然气价格较高，对联合循环电厂的运行成本和上网电价有较高的要求，希望电厂有较高的效率。

因此选择高压高温的三压再热蒸汽循环是非常合适的。

蒸汽循环给水的加热和除氧方式的选择

4.1蒸汽循环的给水加热

为了尽可能地利用燃气轮机排气余热，联合循环的给水加热在余热锅炉中进行。

为了尽可能地降低余热锅炉的排烟温度，与燃煤电厂相反，送往余热锅炉的给水温度一般较低。

4.2凝汽器真空除氧

燃用几乎不含硫的天然气时，最理想的除氧方案是选用带除氧功能的凝汽器，在凝汽器中进行真空除氧，这就给余热锅炉提供了除过氧的、最低温度的给水。

这些低温给水在余热锅炉尾部的给水预热器中进一步吸收低温烟气的热量，致使锅炉排烟温度降到80～90℃。

GE公司推荐的三压再热带除氧凝汽器的热力系统[15]如图7所示。

SIEMENS公司也推荐采用三压再热带除氧凝汽器的热力系统。

正常运行时凝结水的除氧在凝汽器中进行，在启动阶段，该公司在凝结水预热器的下游还配备了旁路除氧器，用来除去启动阶段凝结水中较多的O2和CO2。

5余热锅炉的炉型选择

余热锅炉按汽水循环方式可分为强制循环和自然循环两种。

自然循环的余热锅炉一般采用卧式布置，而强制循环的余热锅炉一般采用立式布置。

两种余热锅炉各有特点，对于燃用天然气的联合循环电厂来说，这两种炉型都是可以接受的。

我国目前打捆招标建设的大型天然气联合循环电厂均为卧式布置自然循环的余热锅炉。

其最大优点是：

无循环泵，厂用电少，可用率高于强制循环的余热锅炉2个百分点。

6联合循环汽轮机的选择

6.1联合循环汽轮机特点

联合循环中的汽轮机一般不对外抽汽，而是向中压缸和低压缸内补入中压蒸汽和低压蒸汽。

要求它的中、低压缸比常规电厂的汽轮机增大通流能力，并要求其凝汽器比常规电厂增大换热面积。

汽轮机末级效率和排汽环形面积的大小对联合循环尤为重要，必须进行专门的设计与制造。

联合循环中的汽轮机必须适应联合循环快速启动的要求，汽轮机结构应采取必要的措施[16]。

6.2联合循环汽轮机的汽缸及排汽形式

图8SIEMENS公司GUD1S.94.3A单轴联合循环三压再热的双缸轴向排汽汽轮机剖面图[17]

图9GE公司S109FA单轴联合循环三压再热的双缸向下排汽的汽轮机剖面图[6]

适合于三压再热单轴联合循环机组的汽轮机有双缸（高压缸及中/低压缸合缸）轴向排汽和双缸（高/中压缸合缸及低压缸）向下排汽两种形式。

前者为地面层低位布置；

后者为高运转层布置。

联合循环机组的轴系配置[18]

联合循环机组的轴系配置有两种形式：

一种是多轴配置，即燃气轮机和汽轮机分别拖动发电机运行。

另一种是单轴配置，即燃气轮机和汽轮机共同拖动一台发电机运行。

多轴配置

多轴配置分为：

一台燃气轮机发电机组排气送入一台余热锅炉，产生的蒸汽带动一台汽轮机发电机组，即多轴的“1+1”方式（如我省金华燃机电厂）。

两台或多台燃气轮机发电机组的排气送入各自匹配的余热锅炉，所产生的蒸汽共同送到一台汽轮发电机组中，即所谓“2+1”等方式（如我省镇海、龙湾燃机电厂）。

多轴配置的联合循环电厂，燃气轮机可快速启动，在20min内带上满负荷，调峰能力强。

但设备和系统较复杂，全厂的调节控制也较复杂，占地也较多。

单轴配置

随着大容量、高效率、高可靠性/可用率的F级燃气轮机的投运，近年来出现了将一台燃气轮机轴向排气，排往同一轴线上的余热锅炉，燃气轮机冷端出轴和一台汽轮机共同拖动一台发电机运行。

单轴配置的特点是：

单轴配置时只需要一台容量较大的发电机、一台主变压器、一台高压厂用变压器和一套高压配电设备，机组启动时通过变频器向发电机提供变频交流电，发电机以同步电动机方式启动燃气轮机，取消了多轴配置时的启动电动机，电气系统和设备得以简化。

燃气轮机和汽轮机可共用一套润滑油系统。

机组的控制系统和运行也得到了简化。

布置极为紧凑，燃气轮机、汽轮机和发电机均安装在较小的厂房内，汽水管道和电缆短捷，占地较少。

取消旁路烟囱，汽轮机故障时余热锅炉的蒸汽经100％容量的旁路进入凝汽器。

但余热锅炉不能停炉，必须随燃气轮机一道运行。

这种高效、可靠和紧凑的系统和布置很快为各国电力部门所接受，应用日益广泛。

单轴配置的两种方式

发电机尾置方式

以GE公司S109FA和三菱公司M701F为代表的燃气轮机+向下排汽的汽轮机+发电机的连接方式，简称发电机尾置方式，如图10所示。

这种连接方式的发电机位于机组端部，发电机出线和检修时抽转子比较方便。

但汽轮机在中间，汽轮机向下排汽使整套联合循环机组必须布置在较高的运转层上。

发电机中置方式

以SIENENS公司GUD1S.94.3A和ALSTOM公司KA26-1为代表的燃气轮机+发电机+3S离合器+轴向排汽汽轮机的连接方式，简称发电机中置方式，如图11所示。

这种连接方式的汽轮机位于端部，便于实行轴向排汽。

整套联合循环机组可安装在位置较低且造价较低的板式基础上，厂房的高度也随之降低。

这种连接方式在发电机和汽轮机之间增加了3S离合器，可以在汽轮机安装完成之前燃气轮机提前投产发电；

在汽轮机故障停下来检修时不影响燃气轮机简单循环发电。

但由于发电机置于燃气轮机与汽轮机之间，当发电机检修需要抽转子时必须横向平移发电机。

ALSTOM公司已配置了液压的发电机水平移位及复位的装置。

SIEMENS公司的典型设计是在主厂房内配置起重量为370t的重型行车，将发电机整体吊到厂房一侧的检修区检修。

8联合循环机组的动力岛布置

联合循环机组的总体布置因机型不同和轴系配置不同而具有多种多样的布置方案。

笔者对300MW及以上的以S209E“2+1”为代表的E级联合循环机组、以KA13E2-2“2+1”为代表的E级改进型联合循环机组以及F级“1+1”单轴联合循环机组的动力岛布置进行了充分的分析和比较[19]，E级联合循环机组单位容量的占地面积为F级联合循环机组的2倍，E级改进型联合循环机组单位容量的占地面积为F级联合循环机组的1.27倍。

因此从布置紧凑和节省用地的角度推荐，在我国东部沿海天然气气价较高且用地相当紧张的地区建设大型天然气联合循环电厂不宜选用E级机组，也不宜选用E级改进型机组，而宜选用F级机组作为基本机型。

多套并列的F级“1+1”单轴联合循环机组完全实行单元制的紧凑布置、单元制的建设、单元制的运行、单元制的管理和检修，而且扩建非常方便。

这是近年来国际上具有多套单轴联合循环机组的大型天然气电厂的布置趋势。

多套并列的F级“1+1”单轴联合循环机组有两种厂房布置模式[20]。

可以布置为：

每套机组纵向布置在各自独立的厂房内，有各自独立的检修行车。

也可以布置为：

多套单轴机组横向布置在一个62m的大跨度连通厂房内，共用一台检修行车；

或采用24.5m跨度的发电机厂房和37.5m跨度的燃机-汽机厂房这样的连续双跨厂房。

双跨厂房的检修起吊可以考虑为：

每跨厂房各采用一台检修行车。

也可以考虑为：

燃机-汽机厂房共用一台检修行车，而发电机厂房在每台发电机上方设置单轨吊，以便发电机检修时抽转子之用。

表2多套并列的F级单轴联合循环机组动力岛布置汇总表

联合循环型式

主厂房模式

大跨度连通

独立

容量（Mw）

3×

8×

390

总体占地尺寸

（m×

m）

150×

200

240×

346

211

230

210

总占地面积（m2）

30,000

83,040

31,650

34,500

31,500

单位容量占地面积（m2/Mw）

25.6

26.6

26.5

29.5

26.7

注：

总占地面积已包括水处理及备用油罐区，但未包括开关站和汽轮机循环冷却水取、排水建筑或冷却塔的占地面积。

表2汇总了多套并列的四种F级单轴联合循环机组动力岛布置的占地尺寸、总占地面积和单位容量的占地面积。

从表2可见，多套并列的F级单轴联合循环机组其单位容量的占地面积最省，为25.6m2/MW~29.5m2/MW。

这是我国建设大型天然气联合循环电厂最佳的布置形式[20]。

结论

（1）提高联合循环电厂效率的首要途径是选择透平初温较高的燃气轮机。

（2）建设大型天然气联合循环电厂，不宜采用补燃的联合循环方案，补燃的余热锅炉大多只用于热电联产的联合循环中。

（3）在不补燃的联合循环电厂中，提高燃气轮机的效率比同等程度地提高余热锅炉和汽轮机的效率对于改善联合循环效率的效果更为明显。

（4）要获得联合循环的最大效率，不能仅仅选择高效率的燃气轮机，而选择尽可能高的燃气初温和对于联合循环最佳的压比和排气温度才是更重要的因素。

（5）PG9351FA、V94.3A、GT26和M701F四种F级机型，单机容量大，燃气初温高，排气温度高，由它们组成的联合循环的效率较高。

它们均采用轴向排气，排气阻力小，而且便于余热锅炉布置。

这4种F级燃气轮机是我国建设天然气发电390MW级联合循环电厂的首选机型。

（6）降低余热锅炉的排烟温度是提高余热锅炉效率的唯一途径，大型联合循环电厂应选择高压高温的三压再热蒸汽循环，最理想的给