燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)

燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與評價我國火電機組主要為燃煤發(fā)電機組，存在污染嚴重，供電煤耗高的問題，不能滿足新世紀電力工業(yè)發(fā)展需要，必須依靠科技進步，促進我國資源環(huán)境相互協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。采用高參數(shù)大容量機組，超臨界壓力機組是火電機組發(fā)展的主要方向外，發(fā)展清潔燃煤技術(shù)，煤氣化聯(lián)合循環(huán)和整體氣化燃料電池等以燃氣輸機為技術(shù)基礎(chǔ)的發(fā)電技術(shù)，亦是提高我國火電熱效率的突破口方向。為此，今后發(fā)展燃氣一一蒸汽循環(huán)發(fā)電將具有戰(zhàn)略意義燃氣一蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是一項先進的供能技術(shù)。利用燃氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谌細廨啓C中做功，將一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏碾娔?，再利用燃氣輪機排煙中的余熱在廢熱鍋爐內(nèi)產(chǎn)生蒸汽來帶動蒸汽輪機進一步發(fā)出部分電能，同時供熱和制冷。從而實現(xiàn)了能源的高效梯級利用，同時也降低了燃氣供熱的成本，是城市中，特別是大氣污染嚴重的大城市中值得大力發(fā)展的系統(tǒng)。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電狀況和需求。從20世紀80年代以來，隨著燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)新概念的確立，材料科學(xué)、制造技術(shù)的進步，特別是能源結(jié)構(gòu)的變化及環(huán)境保護的要求更加嚴格，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組在世界電力系統(tǒng)中的地位發(fā)生了顯著化，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負荷，還被用來帶基本負荷和中間負荷。21世紀以來世界燃氣輪機進入了一個新的發(fā)展時期，我國燃氣輪機引進、開發(fā)和應(yīng)用又進入了一個新的發(fā)展階段。燃氣輪機技術(shù)進步主要表現(xiàn)在單機容量增大，熱效率提高與污染物排放量降低。目前全世界每年新增的裝機容量中，有1/3以上系采用燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，而美國則接近1/2，日本則占火電的43%。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界現(xiàn)有燃油和燃天然氣的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的總?cè)萘考撼^400GW。當(dāng)前燃氣輪機單機功率已經(jīng)超過300MW，簡單循環(huán)熱效率超過39%;聯(lián)合循環(huán)功率已經(jīng)超過780MW，聯(lián)合循環(huán)熱效率超過58.5%，十式低NOx燃燒技術(shù)已使燃用天然氣和蒸餾油時的NOx排放量分別低于25mg/kg和42mg/kg，提高了燃氣輪機在能源與電力中的地位與作用。從目前世界火力發(fā)電技術(shù)水平來看，提高火電廠效率和減少污染物的排放的方法，除帶脫硫、除塵裝置的超超臨界發(fā)電技術(shù)(USC)、循環(huán)流化床(CFB)和增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC)等外，燃天然氣、燃油及整體煤氣化等燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是一個重要措施。據(jù)有關(guān)調(diào)研預(yù)測，未來10年我國對燃氣輪機總需求量達34000MW左右。中國已開始利用西氣東輸，東海、南海油氣，進口LNG(液化天然氣)和開發(fā)煤氣化等清潔能源。一批300MW級燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠已經(jīng)建成或即將建成投產(chǎn)。可以說，隨著國產(chǎn)化率的提高，造價的減低，燃用天然氣和煤氣等大型燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，必將成為中國電力工業(yè)一個重要組成部分。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)原理(一)聯(lián)合循環(huán)的基本方案余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)將燃氣輪機的排氣通至余熱鍋爐中，加熱鍋爐中的水產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機作功。排氣補燃型聯(lián)合循環(huán)排氣補燃型聯(lián)合循環(huán)包括在余熱鍋爐前增加煙道補燃器以及在鍋爐中加入燃料燃燒這兩種方案。

余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)排氣補燃型聯(lián)合循環(huán)加熱鍋爐給水聯(lián)合循環(huán)加熱鍋爐給水型聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)T-s圖（二）余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的主要性能指標(biāo)余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)排氣補燃型聯(lián)合循環(huán)加熱鍋爐給水聯(lián)合循環(huán)1汽聯(lián)合循環(huán)的功率鑒于聯(lián)合循環(huán)由燃氣輪機循環(huán)與朗肯循環(huán)所組成，故聯(lián)合循環(huán)功率為燃氣、蒸汽兩部分輸出凈功率之和，P=P+P-PCCGTSTAUR2氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的比功由于聯(lián)合循環(huán)中不止一種工質(zhì)，流量也各異，聯(lián)合循環(huán)比功是以燃氣輪機壓氣機w=PCw=PCC/G高密集型的高新技術(shù)，傳統(tǒng)的提高性能途徑3氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的效率ncc二nn「（頃Qn3s三燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展趨勢燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)是一項多專業(yè)、是不斷地提高透平初溫、相應(yīng)地增大壓氣機壓比和完善有關(guān)部件。20世紀50年代初，透平初溫(T3)只有600°C?700°C，靠耐熱材料性能的改善，平均每年上升約10°C;60年代后，還借助于空氣冷卻技術(shù)，T3平均每年提升20C。從70年代開始，充分吸取先進的航空技術(shù)和傳統(tǒng)汽輪機新技術(shù)，沿著傳統(tǒng)的途徑不斷提高其性能，已開發(fā)出一批“F、FA、FB、H”新型高透平初溫技術(shù)產(chǎn)品，它們代表著當(dāng)今商業(yè)化的工業(yè)燃氣輪機的最高水平，T3=1430C，這也許是傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和材料所能達到透平初溫的極限，壓氣機壓比￡=10~30，￡=10~30，簡單循環(huán)效率ngt=36%?40%，聯(lián)合循環(huán)效率qcc=55%-60%。正在開發(fā)的新一代產(chǎn)品的主要特征是采用蒸汽冷卻技術(shù)，高溫部件的材料仍以超級合金為主，燃氣透平殼體選用CrMO鋼，轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)輪選用Inconel706,采用定向結(jié)品，單品材料，Co-Cr-Al-Y噴涂等先進工藝，部分靜止部件采用陶瓷材料，初溫提高到T3=1500C?1600C。采用智能型微機控制系統(tǒng)，并更加重視環(huán)保。對未來燃氣輪機的構(gòu)思將基于采用航空航天最新技術(shù)新材料，燃燒器處于或接近在理論燃燒空氣量條件下工作，T3將達1600C到1800C?，F(xiàn)采用的熔點1200C、密度為8g/cm3的葉片超級合金將被淘汰，新的高級材料應(yīng)是小密度(<5g/cm3)，有更好的綜合高溫性能，陶瓷材料是一種選擇。四燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置優(yōu)點1、有較高的熱效率。在同等功率條件下效率要高出15%以上。60MW等級燃氣/蒸汽聯(lián)合循環(huán)的效率已達46%以上，300MW等級的已達55%以上，而同等功率的蒸汽輪機發(fā)電效率為30%和40%左右。2、環(huán)保性能好，對環(huán)境的污染少。燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置CO、Nox排放少，稱之為“清潔電廠”。由于這種發(fā)電裝置采用油或天然氣為燃料，燃燒生成產(chǎn)物沒有灰渣，無需灰渣排放；加上燃燒完全，燃燒生成產(chǎn)物中雖亦有一定量的Nox存在，但可以采用注水、注汽、DLN、SCT等方法，將Nox的含量降低到國家排放標(biāo)準(zhǔn)以下。當(dāng)前，國家對發(fā)電廠污染物排放量要求日益嚴格，常規(guī)火電站為了滿足國家環(huán)保規(guī)定，需花費大量資金、場地，用于環(huán)保治理，如煙氣脫硫裝置等。據(jù)統(tǒng)計，大型火電廠用于煙氣脫硫、脫銷的費用，將占發(fā)電廠總投資的1/4~1/3。在這一方面，燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置是有其明顯的優(yōu)點。3、投資省，目前每千瓦的投資費用僅4000~5000元/KW左右，甚至更低，而蒸汽輪機發(fā)電站投資目前高達8000~11000元/KW左右。4、建設(shè)周期短，由于土建少，又可以分階段建設(shè)，首先建設(shè)燃機電站，再建聯(lián)合循環(huán)電站，從而使資金最大效率化。5、占地少、用水少。一般僅常規(guī)蒸汽輪機電站的三分之一左右。6、運行可靠，高度自動化，運行人員可大大減少。60MW規(guī)模電廠人員約50余人。以天津濱海燃氣電廠為例，投運以來，年運行小時數(shù)達7500小時以上，非常可靠。7、運行方式靈活，既可以作為基本負荷運行，也可以調(diào)峰運行。起動快，燃機快速起動只要十多分鐘，就可達到滿負荷，包括蒸汽輪機在內(nèi)的聯(lián)合循環(huán)，蒸汽輪機冷起動也僅1.5小時以內(nèi)。8、可燃用多種燃料：a）天然氣；b）輕柴油；c）重油；d）高爐煤氣（摻少量焦?fàn)t煤氣或天然氣）；e）焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣；f）煤層氣、煤層氣化氣、煤制氣；g）也可油、氣混燒。五燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展對策探討雖然中國燃氣輪機發(fā)電始于20世紀50年代末期，但由于燃料政策的原因在很長時間內(nèi)發(fā)展緩慢。目前我國燃氣輪機發(fā)電裝置設(shè)計、制造水平與國際上先進國家差距較大，裝機容量及運行管理水平與我國電網(wǎng)發(fā)展很不相稱。為促進我國燃氣輪機發(fā)電事業(yè)的快速健康發(fā)展，在此提出一些不成熟的建議，以拋磚引玉。（1）科學(xué)定位，統(tǒng)籌規(guī)劃，完善政策。結(jié)合國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)對燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的發(fā)展進行科學(xué)定位，制定中國燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的中、長期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和近期安排，制定和完善燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和燃料、電能、熱能價格等配套政策、法規(guī)，加大資金和科技投入。按照市場經(jīng)濟規(guī)律，在已重點引進一批先進、成套的300MW級燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)示范工程的基礎(chǔ)上，兼顧大、中、小型先進、實用技術(shù)的引進，通過產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合和消化、吸收、再創(chuàng)新，迅速提高我國燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的技術(shù)水平。（2）嚴把引進設(shè)備技術(shù)質(zhì)量關(guān)。實行機、電行業(yè)結(jié)合，先以市場換技術(shù)，提高進口機組的可靠性、綜合技術(shù)經(jīng)濟性能和電廠設(shè)計優(yōu)化水平，提高備品備件國產(chǎn)化率，降低維護費用。努力改變目前國內(nèi)機、電行業(yè)分離，引進技術(shù)分散，重復(fù)引進，配套性差，甚至引進性能落后的設(shè)備和技術(shù)的局面。（3）提高國家制造技術(shù)水平。在現(xiàn)有制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)國外最先進的水平，有計劃的成套引進一批先進適用的機型、關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)、軟件、關(guān)鍵制造工藝、控制保護系統(tǒng)及測試技術(shù)。在消化、吸收的基礎(chǔ)上，努力創(chuàng)新，不斷提高關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化率和設(shè)計、制造、配套能力。盡快開發(fā)出運行可靠，性能價格比高，具有自主知識產(chǎn)權(quán)、成套的國產(chǎn)機組。建議在中西部（如:成都、武漢）建立燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組研發(fā)中心及制造基地，將產(chǎn)品盡快推向國內(nèi)外市場。（4）加強關(guān)鍵高溫金屬材料的引進生產(chǎn)和科研攻關(guān)。目前燃氣輪機最高初溫達到1500°C~1600°C，國外直接采用最先進的航空、航天工業(yè)新材料。國外廠家一般不會轉(zhuǎn)讓最先進的制造技術(shù)，國內(nèi)應(yīng)軍民結(jié)合，產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合，組織聯(lián)合科技關(guān)，盡快實現(xiàn)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化，以降低成本。加強燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動力學(xué)和振動分析、故障診斷和處理研究，特別是對單軸(即由壓氣機+燃氣透平+汽輪機+發(fā)電機串聯(lián)成一根單軸)大型機組的壓氣機喘振及軸承振動的快速診斷、處理。我國煤炭資源較豐富，為替代常規(guī)燃煤汽輪發(fā)電機組，目前燃煤的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)已成熟。當(dāng)采用9H型燃氣輪機組成IGCC聯(lián)合循環(huán)時，單機功率可提高到550MW，供電效率可增升到50%?62%。國家應(yīng)加速IGCC整體煤氣化燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的步伐和燃煤潔凈發(fā)電機組的進程，以適應(yīng)中國電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。工業(yè)的發(fā)展影響著國家的經(jīng)濟實力和發(fā)達程度，我國有大量中小燃煤火電機組在效率偏低，環(huán)境污染嚴重的情況下運行。采用