燃气-蒸汽联合循环机组技术发展及运行原理分析

摘 要:在单机设备效率提高越来越困难的情况下,要提高热力系统的效率,就必须做到能源梯级利用,以充分利用各品位的热能,提高整个系统的效率。在这种背景下就开始出现了各种联合循环方案。本文在此背景下主要对燃气-蒸汽联合循环机组技术发展及运行原理进行分析。

关键词:燃气-蒸汽联合循环机组 技术发展 运行

中图分类号:TM611.3文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)10(a)-0021-02

从世界电力工业发展的历程来看,以往人们主要依靠燃煤的蒸汽轮机电站来实现发电目标。在这个领域内,工程师的研究主要集中于提高燃煤电站的单机容量和供电效率以及解决因燃煤而造成的污染问题。改善供电效率的主要方向是:提高蒸汽的初参数并改进其热力循环系统的设计。目前,效率高、污染低的燃气-蒸汽联合循环发电机组开始受到重视,并获得了巨大的发展。联合循环由于做到了能量的梯级利用从而得到了更高的能源利用率,又因为使用干净的能源如石油和天然气,所以对环境造成的污染也很小。

1 燃气-蒸汽联合循环机组技术发展

就世界电力工业发展的历程来看,以往人们主要依靠燃煤的蒸汽轮机电站来实现发电目标的。在解决因燃煤而带来的污染问题方面,人们首先致力于解决粉尘的排放问题,进而向解决NOx和SOx的方向发展。目前,粉尘的排放问题基本上已获得比较满意的解决,NOx的问题已能在锅炉中改用低NOx燃烧器的方法得以控制。但是无论是在燃烧前、燃烧中或燃烧后处理SOx的排放问题,都是很花钱的,许多方案都还在研究之中。目前,世界上在解决SOx的排放问题上用得最普遍的方法是采用尾气脱硫装置(FGD)。可是这种装置的费用很高,它大约要占全电站总投资费用的20%～25%,运行费用也很昂贵。

天然气是清洁环保的化石燃料,通过低NOx燃烧器的作用,NOx的排放量可以控制在10ppm以下,而CO2的排放量则可以比燃煤或燃油者降低50%左右。

目前,天然气储量丰富,价格便宜,这为燃气轮机及其联合循环的发展提供了有利的条件。与传统的燃煤的蒸汽轮机电站相比,燃气轮机及其联合循环的优点是:(1)供电效率远远超过燃煤的蒸汽轮机电站。目前常规火力发电净效率为38%～40%,我国平均供电效率仅为30%左右。而先进成熟的天然气联合循环发电净效率已达58%以上,是目前实用发电技术中效率最高的;(2)在国外,交钥匙工程的投资费用大约为500～600美元/千瓦,它要比带有FGD的燃煤蒸汽轮机电站(1100～1400美元/千瓦)低很多;(3)建设周期短。可以按分阶段建设方针建厂,资金利用最有效;(4)用地用水都比较少;(5)运行高度自动化,每天都能起停;(6)运行的可用率高达85%～95%;(7)便于快速黑起动;(8)由于采用天然气、液体燃料或煤气,污染排放问题解决得较彻底。一般来说,无飞尘SOx和NOx都很少,特别是在燃烧天然气时,还可以大大地减少CO2的排放量。显然,优先选择比投资费用低,建设周期短,供电效率又很高的燃气轮机及其联合循环来作为调峰机组或中间负荷的机组,以取代污染排放严重、发电成本又高的常规燃煤的蒸汽轮机发电机组是一个较合理的选择方案。

2 燃气-蒸汽联合循环机组运行原理分析

2.1 联合循环蒸汽部分的特点

联合循环中的蒸汽系统是以余热锅炉(HRSG)与汽轮机(ST)为核心的物质、能量转换利用系统,它是用来回收、转换和利用燃气轮机的排气余热。当燃气轮机选定后,联合循环装置的性能将在很大程度上取决于余热锅炉和汽轮机组成的蒸汽系统的流程设置和参数的优化匹配。

在联合循环中,余热锅炉回收燃气轮机排气余热,产生蒸汽推动汽轮机发电。与常规电站过量相比较,余热锅炉没有燃料输送、煤粉制备和燃烧设备,仅有汽水系统。余热锅炉的汽水系统与电站锅炉基本相似,通常是汽包、省煤器、蒸发器、过热器以及集箱等换热管簇和容器等组成的,构成了水的加热、饱和水蒸发和饱和汽的过热三个阶段。有再热的蒸汽循环可以加设再热器。联合循环中的蒸汽发生系统的主热源(燃气轮机排热)为变温排热过程,不断降温的燃气轮机排气的显热在余热锅炉中被逐步吸收,产生蒸汽或热水。由于温度较低,在余热锅炉中传热主要是对流传热,而辐射传热常可忽略。

为了使燃气轮机的排气余热能够在余热锅炉中被充分利用,应力争尽可能降低排气离开余热锅炉时的温度值。但是,这个排气温度不可能降得很低的,因为在余热锅炉的设计中,总要保证锅炉给水的饱和蒸发段的起始点与燃气侧之间具有一定的温差(通称为“节点温差”),否则,余热锅炉的受热面积将增至无穷大。

2.2 联合循环运行原理

目前,燃气轮机和蒸汽轮机单独工作时的供电效率达到40%左右,即使采用超临界参数的蒸汽轮机技术,供电效率也仅能达到45%～47.7%。为了进一步提高发电设备的效率,人们将蒸汽轮机循环与燃气轮机循环结合起来,从而创造了一种新的方案—— 燃气-蒸汽联合循环。目前,最新的燃气轮机进气温度超过1600℃,压气机的压比达30,联合循环发电效率已超过了60%。联合循环的实质就是把燃气轮机的布雷顿(Brayton)循环与蒸汽轮机的郎肯循环叠置在一起,组合成一个总的循环系统。燃气轮机直接使用燃气为工质,因此初温很高,但是其排气温度也高;蒸汽轮机系统受限于蒸汽性质,蒸汽初温不能很高,但是蒸汽凝结温度很低。燃气-蒸汽联合循环充分利用了燃气轮机的平均吸热温度高和蒸汽轮机平均放热温度低的特点,因此效率整体循环效率大大高于单独的燃气轮机或蒸汽轮机发电机组。

2.3 典型的联合循环运行方案

目前,常规的使用液体或气体燃料的燃气-蒸汽联合循环有三种基本方案,即:不补燃的余热锅炉型;有补燃的余热锅炉型;增压锅炉型(如图1)。

(1)不补燃的余热锅炉型联合循环。

图1中的1-2-3-4-1表示燃气轮机的实际循环过程;6-7-8-9-10-6表示蒸汽轮机的实际循环过程。不补燃的余热锅炉型方案中,由燃气轮机排气的冷却过程4-5释放出来的热能,被用来把蒸汽循环中的给水,从工况点6起始加热升温,经历过程6-11-7-8-9,成为具有一定压力的过热蒸汽。在该方案中蒸汽的初温T9受到然气轮机排气温度T4的限制,即T9

(2)有补燃的余热锅炉型方案。

在有补燃的余热锅炉型方案中,温度为T4的燃气轮机排气在余热锅炉中和增加的燃料混合燃烧后加热到T12,进而被冷却降温到T5,由此释放出来的热能被用来加热给水,使之也经历过程在过程6-11-7-8-9,变成压力和温度更高的过热蒸汽。在该方案中由于T12>T4,因而蒸汽的初温T9可以高于T4(即蒸汽初温不受燃气轮机排气温度T4的限制)。而蒸汽量也大幅度增加。显然这时蒸汽轮机发出的功率可以剧增,它能比燃气轮机的功率高2～6倍左右。

(3)增压锅炉型方案。

在增压锅炉型方案中,燃气轮机的燃烧室是与蒸汽循环中的增压锅炉合二为一的,由压气机送来的温度T2的空气,首先在增压锅炉中被燃烧加热到T13,进而经放热过程13-3释放出来的热能用于加热给水,使其经历过程11-7-8-9变成过热蒸汽,供蒸汽轮机使用。增压锅炉中的燃气在温度降低到T3后将被送到燃气轮机中去膨胀做功,燃气透平的排气在T4温度下用来加热给水,使其沿过程线6-11升温。

参考文献

[1]倪维斗,苟建兵,韩志明,等.燃气/蒸汽联合循环的可视化仿真[J].清华大学学报(自然科学版),1999,39(3):118～120.

[2]杨爱丽,徐传海.联合循环电站中余热锅炉主要参数的计算与选择[J].燃气轮机技术,2003,16(2).

[3]丁辉.燃气轮机仿真系统的研究与应用[D].南京:东南大学动力工程系,2003.

①作者简介:王莹,男,北京京桥热电有限责任公司,助理工程师,方向:电厂集控运行。

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