燃气—蒸汽联合循环机组变工况运行性能及影响因素分析

摘 要 为适应负荷的快速变化，燃气—蒸汽联合循环机组必须具备变工况运行能力。在简述燃气—蒸汽联合循环基本工作原理的基础上，对联合循环的三大部件，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机的变工况运行性能进行了分析，论述了相应的影响因素，有利于全面掌握燃气—蒸汽联合循环机组的工作性能。

关键词 燃气—蒸汽联合循环；变工况运行；性能

中图分类号TK22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）104-0102-02

0 引言

经济发展，电力先行。现代社会中，能源是一国经济发展的基础，而电力则是能源利用最为重要的方式。据统计，截至2012年，我国电力装机容量突破11亿千瓦，其中，传统火力发电81，917万千瓦（含煤电75811万千瓦、气电3827万千瓦），占全部装机容量的71.5%。可见，以煤为主要原料的蒸汽轮电站仍是我国发电的主力，由此将带来两大不容忽视的问题，首先，需要不断增大燃煤机组单机容量、提高发电效率；第二，燃煤引起了全球变暖、温室效应等环境问题。第一个问题的解决需要不断探求高效率的燃烧方式，使主蒸汽参数向亚临界、超临界乃至超超临界迈进，同时，积极采用再循环和联合循环机组。解决第二个问题，则需要探究更为清洁的燃烧方式。而与传统燃煤机组相比，燃气—蒸汽联合循环机组无论是供电效率，投资费用、建设周期，还是用地用水都更有优势，并且，由于采用天然气或者液体燃料，排放物中SOx和NOx都更低，大大减轻了环境压力。为此，研究燃气—蒸汽联合循环机组具有十分重要的现实意义。

在实际运行中，由于负荷是实时变化的，为了追随和跟踪负荷的变化，燃气—蒸汽联合循环机组的出力也将不断发生改变，换句话说，机组不是始终运行于额定工况，而是处于变工况的工作状态，这就要求燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机所对应的各类参数，如燃气初温、压比、空气流量、燃料流量等都将随运行工况而发生变化，这就需要探讨变工况状态下机组的运行性能，找出其响应的影响因素，以全面掌握燃气—蒸汽联合循环机组的工作性能。

1 燃气—蒸汽联合循环基本工作原理

从上世纪60年代开始，燃机技术历经了四代发展历程，至90年代，鉴于燃气轮机联合循环机组投资小、建设周期短、运行效率高、排放低等优点，国外企业推出了高效率大功率机组，燃气初温1300℃，效率36%～38%，单机功率200MW的装置相继投入运行。燃气轮机联合循环机组由于启停快，特别适合作为紧急备用电源，由于还能携带基本负荷、中间负荷也适宜于作调峰用。

燃气—蒸汽联合循环是以气体动力循环为顶循环、蒸汽动力循环为底循环的联合动力循环。两个循环之间按照能级匹配的原则联合工作。作为顶循环的热机大部分是燃气轮机，作为底循环的热机是以朗肯循环为基础的蒸汽动力装置。现代高性能燃气轮机的排气温度大都在500-600℃之间，这是一股携带有大量有效能的气流。因此，为了提高能量的利用效率，将这股燃气引入生产蒸汽的余热锅炉中，使之生产高温、高压蒸汽，然后在蒸汽轮机中膨胀做功，从而形成了燃气蒸汽联合循环这种高效率的动力装置。

在火力发电厂中，都是采用简单燃气轮机和蒸汽轮机装置联合工作而形成联合循环发电机组的。从实现方式看，联合循环有补燃和无补燃之分。由于无补燃余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环机组不仅在额定工况下具有较高的供电效率，在变工况运行时也具有较高效率，并且可以根据负荷的变化在其它燃气轮机仍运行于高负荷、高燃气初温的条件下启停其它多台燃气轮机，从而更适宜于实际的运行工况，因此，无补燃的燃气—蒸汽联合循环机组获得了更广泛的应用。

2 燃气—蒸汽联合循环机组变工况运行性能及影响因素分析

燃气—蒸汽联合循环机组变工况运行时，联合循环的三大部件即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机影响较大，下面就对三大部件一一进行分析。

2.1 燃气轮机

燃气轮机是燃气—蒸汽联合循环机组的主要构成部件，它是决定机组供电效率最主要因素之一，其工作原理可简述为：环境空气从进气缸流入，经压气机绝热压缩后，进入燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧。产生的高温高压燃气在燃气透平中绝热膨胀，所做的功一半至三分之二左右用于驱动压气机和辅助设备，而剩余的功对外输出，驱动发电机发电。

可见，燃气透平膨胀作功带动压气机运行，而压气机可以被看做是透平的负载。燃气轮机的启动需要借助外界动力，动力来源往往是起动机带动压气机做功，当燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界起动机脱扣，燃气轮机自身独立工作。压气机，燃烧室和透平等构成了燃气轮机，因此燃气轮机的变工况运行特性主要由压气机，燃烧室和透平的变工况特性联合确定。

对一个已经制造完成的燃气—蒸汽联合循环机组而言，由于其燃料、蒸汽循环形式已确定，影响燃气轮机变工况运行最主要的因素就有两个，其一为负荷，其二为大气条件。例如，当用电量下降时，发电机输出的负荷也将随之降低，在喷入燃烧室的燃料未减少的情况下，燃气轮机的转速将增大，为保证输出频率稳定（我国工频为50Hz），机组控制系统需要降低燃料的喷入量。一旦喷入的燃料减少，将直接减少流经机组的空气流量，降低透平前的燃气初温，相应降低压气机的压缩比，降低机组运行效率。而大气条件的影响可归结为三个方面，即大气温度、大气压力和大气湿度，其中，大气温度对联合循环的变工况运行输出功率和效率影响尤其大，当大气温度降低时，空气密度增大，流入压气机的空气质量流量变大，机组做功能力变强，与此同时，由于压气机的耗功量与流入空气的热力学温度成正比，温度降低，燃气轮机的净出力变大，即使保持机组的转速和燃气透平前燃气初温不变时，压气机压缩比增大将导致透平作功量的增大，减小了排气燃气透平的温度。而大气压力的影响主要是由于海拔变化引起的，随着海拔变化引起大气压力变大时，燃气轮机输出的功率也将随之增加。大气湿度将影响进入燃气轮机空气所含有的水蒸气含量，文献[3]指出，在较低的大气温度下，大气相对湿度几乎不影响热效率和单位质量的净功，而大气温度和透平进口温度较高时，相对湿度将降低热效率，增大净功。

2.2 余热锅炉

燃气—蒸汽联合循环机组的余热锅炉常常由汽包、省煤器、蒸发器、过热器以及集箱等换热管簇和容器组成，同电站锅炉相比，二者的汽水系统很相似，在其中，水变过热蒸汽也需经过三个阶段，即过冷水的加热、饱和水的蒸发、饱和汽的过热。无补燃余热锅炉内没有燃烧过程，辐射效应可以忽略，换热基本依赖对流的作用。

就余热锅炉运行工况来说，燃气轮机排烟温度、排烟流量以及汽包压力都将对其产生影响，也就是说，当燃气侧热源变化，燃气轮机排气流量和温度变化，或者大气环境温度变化，都将引起余热锅炉热力特性的变动，与此同时，余热锅炉的产汽量、蒸汽温度和压力也将随之发生变化。但是，蒸汽侧要求的热力参数往往是稳定的，即使滑压运行，其变动量也不会太大，并且还受制于许多工程以及热力学约束条件，如，省煤器不能出现汽化现象，排烟温度不能低于露点等。

2.3 蒸汽轮机

蒸汽轮机进汽参数和凝汽器真空是影响蒸汽轮机运行工况的主要因素。相比常规电站蒸汽轮机，联合循环运行要求蒸汽轮机具备一些特点，如联合循环要求蒸汽轮机的低压缸排向凝汽器的蒸汽流量更大，甚至可能要求比主蒸汽流量大30%；蒸汽轮机要能适应快速启停的环境；在运行方式上，为在压力较低时能多发出一些附加功率，常采用滑压运行，并且在变工况运行下负荷较低时，滑压运行能够保持蒸汽轮机的排气温度基本稳定，使得蒸汽湿度不至于过大。

参考文献

[1]胡念苏.发电动力系统概论[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]段秋生.燃气-蒸汽联合循环电站热力性能分析理论与计算[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]A.A.EI Hadik，杜善毅.大气状态对燃气轮机性能的影响[J].燃气轮机技术，1992，5（3）：64-71.

[4]王铁成，邹积国.不同的燃气轮机调控方案对燃气—蒸汽联合循环电站性能的影响[J].热能动力工程，2001，16（3）：205-207.

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