李崇祥主編-節(jié)能原理與技術(shù)-第5章

第5章聯(lián)合循環(huán)

要求:

1、了解聯(lián)合循環(huán)的基本概念；熟悉聯(lián)合循環(huán)的循環(huán)特點。2、掌握整體煤氣化和增壓流化床聯(lián)合循環(huán)的熱效率計算5.1概述5.1.1聯(lián)合循環(huán)的概念燃?xì)廨啓C平均吸熱溫度較高，進(jìn)氣溫度達(dá)到1150℃左右，而排氣溫度也較高，在450～600℃之間，使之大量的熱量排入大氣。該裝置熱效率在36%左右，蒸汽輪機進(jìn)汽溫度不可能很高，但是燃?xì)鈩恿ρh(huán)具有一個明顯的優(yōu)點，那就是其循環(huán)放熱的溫度很低，一般為30～38℃，其裝置熱效率也不會超過42%。要提高動力循環(huán)的熱效率，可以利用燃?xì)廨啓C循環(huán)吸熱平均溫度高和蒸汽輪機循環(huán)放熱平均溫度低的特點，把這兩種循環(huán)聯(lián)合起來組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，其熱效率將大大提高。

第5章聯(lián)合循環(huán)

5.1.2聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)越性燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)點：1、可以提高電站熱經(jīng)濟性。2、減少環(huán)境污染。3、投資和運行費用低。4、適用于少水與缺電地區(qū)。5、運行高度自動化、啟停迅速。5.1.3聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展情況

1、國外燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展。2、我國燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展情況。5.1.4燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展趨勢

美國制訂的ATS計劃和GAGT計劃的總體設(shè)想：1、目標(biāo)2、技術(shù)措施3、在燃煤技術(shù)方面4、最終得益的估計第5章聯(lián)合循環(huán)

5.2聯(lián)合循環(huán)的基本型式燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)可分為：（1）余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)；（2）補燃余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)；（3）增壓鍋爐聯(lián)合循環(huán)；

5.2.1不補燃的余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)～～空氣余熱鍋爐燃料壓氣機發(fā)電機發(fā)電機汽輪機凝汽器【原理】把燃?xì)廨啓C排氣送入余熱鍋爐加熱水，生產(chǎn)過熱水蒸汽；水蒸汽引入汽輪機中做功發(fā)電，汽輪機排氣再進(jìn)入凝汽器中放熱。既增加了功率總輸出，又利用了燃?xì)廨啓C余熱。燃?xì)廨啓C第5章聯(lián)合循環(huán)

不補燃的余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)主要優(yōu)點有：（1）熱能轉(zhuǎn)換效率高。（2）基本投資費用低，結(jié)構(gòu)簡單，鍋爐和廠房都很小。（3）運行可靠性高。（4）起動快。圖示為不補燃的余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)溫熵圖。0sT11353212116498710【循環(huán)過程】1-2為空氣在壓氣機中的壓縮過程；2-3為空氣和燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒過程；3-4為燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C中的膨脹做功過程；4-5為煤氣輪機T-s圖第5章聯(lián)合循環(huán)

5.2.2有補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)～～空氣余熱鍋爐燃料壓氣機發(fā)電機發(fā)電機汽輪機凝汽器補燃燃燒器燃?xì)廨啓C燃料【原理】除燃?xì)廨啓C排氣引入鍋爐外，還可補充部分燃料引入燃燒，使之汽輪機的容量增大。排氣放熱過程；6-11為給水壓縮過程；11-9為水及水蒸汽吸熱過程；9-10為水蒸汽在汽輪機中做功過程；10-6為汽輪機排汽冷凝放熱過程。顯然，聯(lián)合循環(huán)的實質(zhì)就是把燃?xì)廨啓C的“布雷頓循環(huán)”與蒸汽輪機的“朗肯循環(huán)”疊加一起，組合成一個總的循環(huán)系統(tǒng)。第5章聯(lián)合循環(huán)

有補燃的聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)點：（1）裝置的尺寸小、占地少、投資低。（2）運行機動性好。（3）部分負(fù)荷工況下的裝置熱效率比較高。（4）在余熱鍋爐中可以燒煤或其它劣質(zhì)燃料。（5）蒸汽參數(shù)不受燃?xì)廨啓C排氣溫度的限制。5.2.3增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)～～燃?xì)廨啓C發(fā)電機汽輪機凝汽器發(fā)電機排氣換熱器空氣壓氣機燃料增壓鍋爐【特點】以壓氣機取代送風(fēng)機，空氣經(jīng)壓縮為0.6～1MPa后，引入增壓鍋爐，將增壓鍋爐和燃?xì)廨啓C的燃燒室后二為一。由于增壓鍋爐的排氣需要通過燃?xì)廨啓C，因而增壓鍋爐中只能燃燒液體燃燒或天然氣，而不能直接燒煤。第5章聯(lián)合循環(huán)

5.2.4程氏雙流體循環(huán)

程氏雙流體循環(huán)也是一種燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。G空氣15℃101kPa14.63kg/s燃料補給水15℃101kPa2.28kg/s504℃105kPa17.24kg/s354℃1159kPa14.63kg/s982℃1117kPa17.24kg/s水蒸汽477℃1276kPa2.28kg/s排氣149℃101kPa17.24kg/s1654327該循環(huán)中燃?xì)馀c蒸汽是在同一臺燃?xì)廨啓C中膨脹做功的。有兩種流體----燃?xì)夂驼羝黄鹆鹘?jīng)燃?xì)廨啓C，因此起名為雙流體循環(huán)。程氏雙流體循環(huán)的主體設(shè)備與余熱鍋爐型-蒸汽聯(lián)合循環(huán)非常相近，但也有以下幾點原則性的差別：(1)不再配置蒸汽輪機和凝汽器等設(shè)備。第5章聯(lián)合循環(huán)

(2)由余熱鍋爐提供的全部或部分蒸汽還要在蒸汽輪機燃燒室中進(jìn)一步加熱到與燃?xì)廨啓C前的初溫相同的水平，即過熱蒸汽的溫度一定要比常規(guī)的蒸汽輪機中所承受的溫度高的多。這種高溫過熱蒸汽的作功，為提高整個循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率提供了條件。(3)由于蒸汽膨脹后經(jīng)余熱鍋爐直接排向大氣的，即蒸汽的膨脹背壓比采用凝汽器時高很多，這限定了蒸汽作功能力的充分發(fā)揮。(4)由于蒸汽連續(xù)不斷地排向大氣難于回收，這就需要向余熱鍋爐大量地補水，補充水的處理設(shè)備必然龐大，耗費是昂貴的。5.3聯(lián)合循環(huán)性能的理論分析5.3.1聯(lián)合循環(huán)熱效率計算1、燃?xì)廨啓C的能量平衡圖示(5.11)為常規(guī)有有補燃的余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。第5章聯(lián)合循環(huán)

燃?xì)廨啓C的能量平衡式為：GG104Qω1Pst57QA2QsuQc1Q0866108QA3Q1Qc2112134PGTQs2Qs1Qs3Qs4余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)圖1-壓氣機；2-燃燒室；3-燃?xì)馔钙剑?-發(fā)電機；5-余熱鍋爐；6-蒸汽透平；7-凝汽器；8-給水加熱器；9-除氧器；10-水泵；11-空氣冷卻器。燃?xì)廨啓C的發(fā)電功率為：燃?xì)廨啓C裝置的循環(huán)效率為：2、余熱鍋爐能量平衡式：

而：第5章聯(lián)合循環(huán)

3、蒸汽輪機的能量平衡蒸汽輪機的發(fā)電功率為：

蒸汽輪機的發(fā)電功率為：

4、聯(lián)合循環(huán)熱效率(1)有補燃的聯(lián)合循環(huán)熱效率：(2)無補燃的聯(lián)合循環(huán)熱效率：常規(guī)無補燃的聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率：常規(guī)無補燃的聯(lián)合循環(huán)的供電效率：(3)聯(lián)合循環(huán)的功率比：就是蒸汽輪機的發(fā)電功率與燃?xì)廨啓C的發(fā)電功率的比值。即：第5章聯(lián)合循環(huán)

5.3.2各種參數(shù)的選擇

當(dāng)Qc2=0，QA1=0時，有補燃時的功率比：無補燃時的功率比：聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率為：聯(lián)合循環(huán)的供電效率為：1、ηr1與ηr2的選擇：通常2、ηGT與ηST的選擇：3、補燃比r值的選擇：(1)補燃對效率的影響：第5章聯(lián)合循環(huán)

無補燃時聯(lián)合的發(fā)電效率：將式(5.14b)減去式(5.22)得到：結(jié)論：只有當(dāng)ηr2ηST>ηeco時，補燃才是有利的，此時增大余熱鍋爐中補燃比r，△ηeco增加，發(fā)電效率提高。(2)最佳補燃比r的選擇：采用補燃的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)效率與r有關(guān)。假定燃?xì)舛▔罕葻岵蛔儠r，余熱鍋爐效率為：當(dāng)r增加時，Tg1增加，而Tg4下降，因此ηr2將隨著補燃比r的增加而增加。(3)補燃條件：余熱鍋爐中是否采用補燃，除了要考慮補燃對發(fā)電效率的影響外，還要考慮燃?xì)廨啓C排氣中所含的剩余氧氣含量以及排氣溫度。第5章聯(lián)合循環(huán)

4、ηGm與ηGg的選擇：通常5、ηh的選擇：可以近似認(rèn)為：6、廠用電率φ值的確定：在大功率時，φ=1.5%~2.0%，較小功率時，

φ=3%~4%。6、功率比的確定：功率比是指燃?xì)廨啓C的汽輪機容量的比例。燃?xì)忮仩t功率大于汽輪機功率，用余熱鍋爐，反之用助燃鍋爐。5.3.3小結(jié)5.4整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)5.4.1概述

IGCC：先將煤變成干凈的煤氣，然后進(jìn)行燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。第5章聯(lián)合循環(huán)

5.4.2IGCC熱力發(fā)電系統(tǒng)

IGCC組成：(1)煤的貯運、預(yù)處理、制備和供給系統(tǒng)；(2)煤的氣化系統(tǒng)；(3)粗煤氣的除灰系統(tǒng)；(4)粗煤氣的脫硫系統(tǒng)；(5)粗煤氣顯熱的利用系統(tǒng)；(6)燃?xì)?蒸汽發(fā)電系統(tǒng)；(7)空分制氧系統(tǒng)；(8)煤渣的處理系統(tǒng)以及廢水的處理系統(tǒng)。圖5.13為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)簡圖。

5.4.3IGCC熱效率計算燃?xì)廨啓C功率為：

汽輪機功率有兩部分，一部分是燃?xì)廨啓C排氣熱能經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的做功部分，而另一部分是在正壓爐中分產(chǎn)熱能產(chǎn)生蒸汽的做功部分：因此，扣除廠用電率φ便可得到燃煤IGCC綜合熱效率的公式：第5章聯(lián)合循環(huán)

5.4.4美國CoolWaterIGCC示范電站

圖5.14為冷水電站IGCC方案的工藝流程圖。這套系統(tǒng)中有兩臺以水煤漿為燃料的噴流床氣化爐(Texaco-德士古爐)，一臺為主氣化爐，一臺為備用的激冷式氣化爐。工作過程：(1)60%的水煤漿→主氣化爐→煤氣；(2)煤氣+灰渣→輻射冷卻器→飽和蒸汽；(3)冷卻的煤氣→對流冷卻器→水蒸汽；(4)兩股飽和水蒸汽→余熱鍋爐→過熱水蒸汽；(5)熱煤氣→氣化爐底冷卻水池→炭粒質(zhì)點洗滌器；(6)煤氣冷卻降溫→Selexol脫硫裝置→脫硫。5.4.5IGCC系統(tǒng)的特點1、IGCC的優(yōu)點：第5章聯(lián)合循環(huán)

(1)具有提高供電效率的最大潛在能力。(2)單機容量可做到300-400MW，便于實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的效應(yīng)。(3)基本技術(shù)已趨于成熟，已具備轉(zhuǎn)入商業(yè)運行的條件。(4)污染問題徹底解決，能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。(5)耗水較少，宜于缺水的地區(qū)和礦區(qū)建設(shè)坑口電站。(6)燒煤后的廢物處理量小，副產(chǎn)品元素硫或硫酸可以出售，降低了IGCC的發(fā)電成本。(7)通過煤的氣化，能生產(chǎn)甲醇、汽油、尿素等燃料和化學(xué)產(chǎn)品，使煤得以綜合利用，有利于降低生產(chǎn)成本。2、IGCC的缺點：建廠的比投資費用較高。3、發(fā)展IGCC的技術(shù)關(guān)鍵：①煤的氣化技術(shù)；②粗煤氣的除灰脫硫凈化技術(shù)；③高溫、高效率的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)。第5章聯(lián)合循環(huán)

(1)提高IGCC發(fā)電設(shè)備的單機容量和供電效率。(2)采用新的氣化爐型式。(3)高效除灰及脫硫。(4)開發(fā)新型空氣分離系統(tǒng)。(5)降低比投資費用。5.4.6IGCC的發(fā)展趨勢5.5增壓流化床聯(lián)合循環(huán)（PFBC-CC）5.5.1概述增壓流化床鍋爐燃燒，采用增壓燃燒技術(shù)，同時控制燃燒溫度，使燃料在增壓與低溫環(huán)境下燃燒，從而降低NO2的排放。增壓流化床油燃煤聯(lián)合循環(huán)的效率高，環(huán)保性能好，系統(tǒng)較簡單，占地面積小，可以直接燃用原煤，且煤種適用范圍廣，燃燒與傳熱強度高且結(jié)構(gòu)緊湊，運行方式與常規(guī)燃煤火電站接近。第5章聯(lián)合循環(huán)

與常規(guī)發(fā)電技術(shù)比較，增壓流化床聯(lián)合循環(huán)不僅可提高發(fā)電效率3%-5%，節(jié)煤10%~15%，而且可顯著減少燃煤污染物的排放，是未來潔凈煤發(fā)電的重要發(fā)展方向之一。

5.5.2增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)工作原理1、PFBC-CC工作原理：(1)在增壓流化床鍋爐燃燒室，煤燃燒產(chǎn)生的部分熱量被鍋爐受熱面吸收，排出的高溫?zé)煔饨?jīng)高溫分離器凈化后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C。(2)高溫、高壓煙氣經(jīng)過凈化后，直接進(jìn)入燃?xì)廨啓C做功發(fā)電，并驅(qū)動壓力機。(3)燃?xì)廨啓C排出的煙氣經(jīng)省煤器對鍋爐給水進(jìn)行加熱，被冷卻到150℃后，經(jīng)過除塵器進(jìn)一步除塵，再排入大氣。(4)過熱蒸汽送到蒸汽輪機做功發(fā)電，燃?xì)廨啓C的排氣熱量用于加熱鍋爐給水.

第5章聯(lián)合循環(huán)

2、PFBC-CC的主要系統(tǒng)構(gòu)成：(1)增壓流化床燃燒鍋爐：PFBC-CC最重要的組成部分。(2)燃?xì)廨啓C動力裝置：與常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)和燃?xì)廨啓C基本相同。(3)汽輪機動力裝置：與傳統(tǒng)燃煤電站所采用的汽輪機系統(tǒng)基本相同。蒸汽動力循環(huán)部分的發(fā)電量占總輸出功率的75%-80%。3、PFBC-CC的基本型式：(1)空氣埋管冷卻系統(tǒng)。(2)水蒸汽埋管冷卻系統(tǒng)。5.5.3PFBC-CC熱效率計算綜合熱效率：如果，則，則綜合熱效率為：第5章聯(lián)合循環(huán)

計算示例：(1)PFBC空氣埋管COGAS系統(tǒng)燃?xì)廨啓C電機端輸出功率21.7MW、進(jìn)氣溫度896℃、比壓10MPa、壓氣機效率88%、透平效率88.5%、PFBC和凈化熱效率9.5%、總的壓損5.5%、總的泄漏量3%、總的機械效率93%、輔機耗功約0.3MW、燃?xì)廨啓C部分發(fā)電總效率ηGT=25.7%、汽輪機部分發(fā)電總效率ηST=23%、余熱鍋爐效率ηr2=80%。該系統(tǒng)循環(huán)綜合熱效率為：(2)PFBC蒸汽埋管聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)燃?xì)廨啓C進(jìn)口氣溫923℃、排氣溫度472℃、功率23MW、燃?xì)廨啓C部分發(fā)電總效率ηGT=27%、汽輪機部分發(fā)電總效率