聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的特點及發(fā)展趨勢

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與常規(guī)的燃煤電廠相比較，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠以其啟動時間短、所需冷卻水量少、占地面積小、建設(shè)周期短、環(huán)保效益明顯，可有效地調(diào)整電力需求峰值等諸多優(yōu)點而備受世界各國的重視。

近二十年來，美國、日本、英國、法國和韓國等國家都在大力興建聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。在日本聯(lián)合循環(huán)發(fā)電容量近五年內(nèi)將翻一番[1]。我國的香港特別行政區(qū)建成世界上最大的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠-香港龍鼓聯(lián)合循環(huán)電廠，設(shè)計容量為8臺32萬kw機組[6]。隨著人們環(huán)境意識進一步地增強及黃金時間用電負荷需求的不斷上升，在我國很有必要在天然氣豐富地區(qū)大力發(fā)展聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。

1聯(lián)合循環(huán)構(gòu)成方式及其各自的特點

1.1按照燃燒方式的不同可分為：

(1)排熱回收型

圖1為排熱回收型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠主要系統(tǒng)構(gòu)成簡圖，這種構(gòu)成方式的特點是：

(a)系統(tǒng)簡單；

(b)燃氣輪機出力高；

(c)啟動時間短；

(d)系統(tǒng)總效率與燃氣輪機入口溫度有關(guān)，即燃氣輪機入口溫度愈高，系統(tǒng)總效率愈高；

(e)汽輪機不可能單獨運行。

(2)排氣助燃型圖2為排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠要系統(tǒng)構(gòu)成簡圖，這種構(gòu)成方式的特點是：

(a)助燃量越大，汽輪機出力越大；

(b)啟動時間短；

(c)汽輪機不可能單獨運行；

(d)助燃燃料量越大，凝汽器凝結(jié)水量越大。

(3)排氣再燃型

圖3為排氣再燃型聯(lián)合循環(huán)電廠主要系統(tǒng)構(gòu)成簡圖，這種構(gòu)成方式的特點是：

(a)汽輪機出力大；

(b)在利用全部燃氣輪機排氣的情況下，全廠效率最大；

（c）鍋爐燃料消耗量與燃氣輪機燃料消耗量無關(guān)；

（d)燃氣輪機和汽輪機可以單獨運行；

（e）運行控制系統(tǒng)復(fù)雜

(4）增壓鍋爐型圖4為增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)電廠主要系統(tǒng)構(gòu)成簡圖，這種構(gòu)成方式的特點是：

(a)汽輪機出力大；

(b)鍋爐燃料消耗量受燃氣輪機的限制；

（c）燃氣輪機和汽輪機不可能單獨運行；

（d）增壓鍋爐傳熱效率高，因此鍋爐的傳熱面積及體積減小，但鍋爐的耐壓性要求高于其它鍋爐。

(5)給水加熱型

圖5為給水加熱型聯(lián)合循環(huán)電廠主要系統(tǒng)構(gòu)成簡圖，這種構(gòu)成方式的特點是：

(a)系統(tǒng)簡單；

(b)汽輪機出力大；

(c)鍋爐燃料消耗量與燃氣輪機的燃料消耗量無關(guān)；

(d)燃氣輪機和汽輪機可以分別單獨運行。

1.2按照燃氣輪機與汽輪機是否同軸可分為：

(1)單軸型·

所謂單軸型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是指燃氣輪機與汽輪機及發(fā)電機是連接在同一軸上(如圖6所示CGS型)，它們共同驅(qū)動同一臺發(fā)電機而構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。當(dāng)燃氣輪機和汽輪機為單軸剛性連接時，啟動時汽輪機也必須被迫與燃氣輪機一起高速轉(zhuǎn)動。

單抽型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的安裝順序有兩種，即以燃氣輪機(C：Combustion)-發(fā)電機(G：Generator)-汽輪機(S：SteamTur-bine)順序安裝的CGS型式；另一種為燃氣輪機-汽輪機-發(fā)電機順序安裝的帕G型式。如日本的九州電力(株)新大1號機組是CGS型式，同廠的2號機組是CSC型式。然而，在CGS型式中又可細分為兩種：GE公司的產(chǎn)品為CGS剛性連接；而西門子和ABB的產(chǎn)品為CGSS連接，即在發(fā)電機和汽輪機之間沒有同步離合器(SSS)。

(2)多軸型

多軸型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是指燃氣輪機與汽輪機連接在不同的軸上，它們各自驅(qū)動自己的發(fā)電機(如圖7所示)，在這種方式中有一臺燃氣輪機與一臺汽輪機相配套而構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；也有兩臺或兩臺以上燃氣輪機與一臺汽輪機相配套而構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

2聯(lián)合循環(huán)電廠主要設(shè)備

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠主要由燃氣循環(huán)系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)和介于兩者之間的余熱鍋爐這三部分組成，以下分別簡要介紹這三部分中的主要設(shè)備。

2.1燃氣循環(huán)系統(tǒng)

(1)燃氣輪機

燃氣輪機是將燃料燃燒后的熱能轉(zhuǎn)化為動能的設(shè)備。典型燃氣輪機的主要性能參數(shù)如表1[2]所示。通常意義上的發(fā)電用燃氣輪機主要包括燃氣輪機本體、空氣壓縮機、燃燒器、啟動裝置、潤滑油系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備組成。型號MF-111（B）501F701FPG6541PG7191PG9281基本負荷（MW）14.6153.2221.138.3159226.5基本負荷下的熱效率31.035.236.131.435.935.7空氣壓縮機級數(shù)161617171818燃氣輪機級數(shù)344333燃燒器數(shù)81620101418轉(zhuǎn)數(shù)（rpm)9，6603，6003，0005，1003，6003，000排氣量（t/h)2031，5742，2675011，5002，160排氣溫度（oC)530578563539582583

注：上表中的數(shù)據(jù)是在如下條件下取得的：

(a)大氣溫度為15oC，大氣壓力為1.033ata；

(b)燃料是氣化了的液化天然氣；

(c)熱效率是按照低位發(fā)熱量計算而得；

(d)排氣流量和排氣溫度是燃氣輪機在基本負荷時的數(shù)據(jù)。

(2)燃燒器

燃燒器是燃氣輪機的一個非常重要的設(shè)備，它是實現(xiàn)燃料燃燒、降低燃氣輪機排氣中氮氧化物含量的設(shè)備。目前世界上各大燃機生產(chǎn)廠都十分重視開發(fā)研究新型的燃燒器，以便滿足日益受到人們關(guān)注的環(huán)境保護要求。目前常見的有干式燃燒器和濕式燃燒器。

(3)空氣壓縮機

空氣壓縮機是向燃燒器提供足夠的燃燒空氣的設(shè)備。為了進一步提高燃機容量和效率，就應(yīng)開發(fā)具有高效、大壓縮比的空氣壓縮機。

(4)啟動裝置

因安裝條件和使用條件的不同，燃氣輪機的啟動裝置有時也會不同，通常情況下為柴油機或電動機，但也有用汽輪機的情況。該裝置提供動力，將燃氣輪機加速到自持轉(zhuǎn)速(60％。70％額定轉(zhuǎn)速)。

(5)燃氣增壓機

燃氣輪機燃燒器對入口燃料的壓力有一個要求范圍(如：21atg左右)，燃料供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)能滿足這一壓力要求。

當(dāng)燃燒氣體燃料(如天然氣)時，如果燃料供應(yīng)系統(tǒng)的氣壓較低，則需利用燃氣增壓機來提高燃氣輪機燃燒器人口的壓力至要求范圍內(nèi)。

如果燃氣供應(yīng)壓力高于燃機燃燒器入口的燃氣要求壓力，則需要設(shè)置減壓裝置降低壓力。

(6)燃氣加熱裝置

燃氣輪機燃燒器不僅對入口燃料的壓力有要求，而且對燃燒器入口溫度也有要求，一般為露點溫度加28-30度左右。

在寒冷地區(qū)，如我國新疆有的地區(qū)冬季最低氣溫達零下39度左右，在這種地區(qū)，燃氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)配備燃料加熱裝置(如蒸汽加熱器等)，來提高燃料器入口的燃氣溫度。

2.2汽水循環(huán)系統(tǒng)

除余熱鍋爐外，構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)的汽水循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備有汽輪機、凝汽器、循環(huán)水泵、軸封冷卻器、凝結(jié)水泵等。這里主要介紹汽輪機、凝汽器這兩個與常規(guī)火力發(fā)電廠相比，具有自己特色的設(shè)備。

(1)汽輪機

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置用的蒸汽輪機與一股火力發(fā)電裝置用的汽輪機在原理上是相同的，構(gòu)造上也幾乎類似。因此，這里僅對聯(lián)合循環(huán)用汽輪機的特點進行說明。

(a)全變壓汽輪機

為了最大限度地有效利用燃氣輪機排氣能量，采用全變壓。伴隨全變壓的采用，-般為全周進汽，去掉葉柵性能差的調(diào)節(jié)級來改善性能。因此，正常運行時蒸汽調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，汽機的負荷控制原則上由燃氣輪機的燃料投入量進行控制。

(b)混壓汽輪機

聯(lián)合循環(huán)用汽輪機為得到更高的余熱團回收效率，一般采用非再熱復(fù)壓式或再熱復(fù)壓式循環(huán)系統(tǒng)。其結(jié)果，汽輪機為混壓式汽輪機，也就是說當(dāng)汽輪機為單缸時，進入同-個汽缸的蒸汽有高壓蒸汽和低壓蒸汽(或高壓、中壓、低壓蒸汽)，當(dāng)機組循環(huán)采用非再熱復(fù)壓式循環(huán)系統(tǒng)時，低壓蒸汽一般是飽和蒸汽。

(c)改善汽機排汽濕度的措施

由于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電汽機的排汽濕度比常規(guī)火力發(fā)電汽機的濕度要大，因此，在汽機靜葉的根部設(shè)置排水收集器，擴大末級葉片組的動靜葉片間距。

(d)抽汽

常規(guī)的火力發(fā)電汽水系統(tǒng)均設(shè)置給水加熱器構(gòu)成回?zé)嵯到y(tǒng)來提高熱效率，而當(dāng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置給水溫度升高時，余熱鍋爐的排煙溫度會升高，將會使整個機組的效率下降。因此，聯(lián)合循環(huán)的汽水系統(tǒng)一膠不設(shè)給水加熱器，汽機無抽汽。

(2)凝汽器

聯(lián)合循環(huán)機組的凝汽器主要功能是將汽輪機的排汽凝結(jié)成水，維持汽輪機的低背壓，從而提高汽輪機的效率，這一點與常規(guī)火力發(fā)電廠的凝汽器功能是相同的，但它也有如下自己的特點。

(1)除氧功能

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的汽水系統(tǒng)一般無除氧器(但也有設(shè)除氧器的情況)，而在凝汽器的熱井中利用蒸汽加熱方式除氧。

(2)排汽方式：

當(dāng)聯(lián)合循環(huán)機組為多軸型時，一般使用向下排汽的凝汽器；當(dāng)為單軸型時，一般使用軸向或側(cè)向排汽的凝汽器。

2.3余熱鍋爐

余熱鍋爐處于燃氣輪機循環(huán)系統(tǒng)和汽輪機循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合點位置，將燃氣輪機排氣的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為蒸汽熱能。根據(jù)排氣的流動方向，余熱鍋爐可分為立式鍋爐和臥式鍋爐。根據(jù)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽壓力又可分為單一壓力的單壓式和兩種以上壓力的多重壓力式，還有追加再熱器的再熱、多盈壓力式。就鍋爐水循環(huán)型式來說，有利用汽、水的密度差而提供循環(huán)動力的自然循環(huán)鍋爐和利用強制循環(huán)水泵來提供動力的強制循環(huán)鍋爐。

3聯(lián)臺循環(huán)的燃料及其排放物

3.1燃料[2]

燃氣輪機的燃料主要有液體燃料和氣體燃料。

(1)液體燃料：

液體燃料一般有輕油、重油、原油及其它石油產(chǎn)品。與氣體燃料相比，燃燒液體燃料對環(huán)境的污染稍大一點，但比燃煤電廠要小。

(2)氣體燃料：

天然氣、液化天然氣(LNG)、液化石油氣、城市燃氣、礦井氣等，如表2所示，氣體燃料燃燒后產(chǎn)生的污染物量最小。

3.2排放物

表2[1]給出了燃煤電廠、燃油電廠及燃氣電廠的污染物排放量。由此表可以看出，燃氣電廠的污染物排放量明顯比燃煤電廠及燃油電廠的污染物排放量要小。以天然氣為例，由于其主要成分為甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烴類，其中甲烷約占85％-95％，其燃燒后的產(chǎn)物主要為水蒸氣、C02和低量的氮氧化物。表2電廠污染物排放量燃料種類SO2（GW.h）NOX（GW.h）TSP（GW.h)CO2kt/(GW.h)灰渣（GW.h）煤4.613.320.571.58663.01油5.490.680.300.860.00氣0.000.400.060.6050.00

4聯(lián)合循環(huán)機組的啟動、停機

不同型式的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組啟動、停機方式有所不同，此處以單軸聯(lián)合循環(huán)機組為例進行說明。

4.1啟動

(1)確認設(shè)備狀況，作好啟動難備工作；

(2)循環(huán)水系統(tǒng)啟動；

(3)凝汽器開始抽真空；

(4)余熱鍋爐(HRSG)相關(guān)設(shè)備開始啟動；

(5)燃機啟動：

(a)排氣階段：

一般的聯(lián)合循環(huán)機組為了節(jié)約投資，均未在燃機出口的煙道上安裝未燃氣體(主要是甲烷)檢測裝置，當(dāng)啟動裝置將燃機轉(zhuǎn)速由零升至約16％的額定轉(zhuǎn)速時，在此轉(zhuǎn)速下持續(xù)運行一段時間(時間的長短取決于煙道體積的大小，約5-10分鐘)，以便將煙道中的未燃燼燃氣排出，以防引起爆炸。

(b)點火階段：

完成上述的排氣之后，由于燃機點火需要一定的空氣與燃料的比例，故燃機轉(zhuǎn)速需降至約14％左右，然后開始點火。

(c)暖機階段：

燃機繼續(xù)升速至約40％的額定轉(zhuǎn)速，進入HRSG的暖機階段。

(d)升速階段：

當(dāng)燃機轉(zhuǎn)速升至約60％(50Hz發(fā)電機)或70％(60Hz發(fā)電機)的額定轉(zhuǎn)速后(燃機自持轉(zhuǎn)速)，啟動裝置停止，燃機繼續(xù)升速由HRSG暖機階段進入額定轉(zhuǎn)速，燃機啟動過程完成。

4.2停機

(1)作好停機準(zhǔn)備工作；

(2)負荷下降，汽輪機控制閥關(guān)閉；

(3)發(fā)電機解列，燃機滅火；

(4)煙道風(fēng)門關(guān)閉，進入盤車狀態(tài)；

(5)HRSG停止運行；

(6)破壞凝汽器真空；

(7)循環(huán)水系統(tǒng)停止運行。

5影響聯(lián)合循環(huán)視組性能的因素

5.1機組出力的幾個概念

當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫按髿鉁囟葘σ堰x定的聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機性能有一定的影響。因此，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組就有了額定出力、標(biāo)準(zhǔn)額定出力和現(xiàn)場額定出力三個概念。日本的JISB-0128TermsofThermalPowerPlants(Gasturbinesandauxiliaryfacilities)

是這樣定義這三個概念的：

(1)額定出力：指在事先確定的條件下燃氣輪機發(fā)電機能夠保證的出力。

(2)標(biāo)準(zhǔn)額定出力：指燃氣輪機在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)條件下的額定出力[即燃機空壓機法蘭入口處整體區(qū)域空氣溫度為150C，整體區(qū)域大氣壓為1.033kgf/cm2(abs)，空氣相對濕度為60％，并且燃氣輪機排氣法蘭處的排氣靜壓為1.033kkgf/cm2(abs)]。

(3)現(xiàn)場額定出力：指在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠當(dāng)?shù)氐臈l件下，諸如大氣壓、大氣溫度、壓力損失等條件下的額定出力。它又分為基本出力和尖峰出力。

5.2當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

因燃氣輪機安裝地點的不同，大氣壓力往往也不同，進而兩個安裝地點的空氣密度也會不同，在這種情況下，燃氣輪機在大氣壓力高的地點出力稍大點，但此項對聯(lián)合循環(huán)整體出力的影響較小。

5.3當(dāng)?shù)卮髿鉁囟?/p>

如圖8所示，在其它條件相同的情況下，燃氣輪機的出力會因周圍環(huán)境溫度的變化而變化，進而影響聯(lián)合循環(huán)整體的出力。

6聯(lián)臺循環(huán)發(fā)電的發(fā)展趨勢

6.1我國的電力構(gòu)成

1999年我國發(fā)電裝機容量為298767．9MW，其中水電占24．42％，火電占74．79％。核電占0.70％；全國總發(fā)電量12331．41億kKW，其中水電占17.27％，火電占81.48％，核電占1.20％。

由此可見，燃煤發(fā)電目前仍是我國發(fā)電的主要方式。眾所周知，燃煤電廠對大氣的污染較為嚴重，這不僅對我國自身的環(huán)境有較大影響，而且對周邊國家也會造成污染。因此，大力發(fā)展聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，對改善大氣質(zhì)量是十分必要的。

6.2我國天然氣儲量

根據(jù)第二輪全國天然氣油氣資料分析評價結(jié)果233，我國常規(guī)天然氣的總資源量為38x1012m3。我國常規(guī)天然氣可采資源為[4]16.1x1012m3，非常規(guī)天然氣資源量據(jù)不完全測算為27-115x1012m3。由此可見，我國具有豐富天然氣資源，而天然氣是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的主要燃料之一，因此，大力興建聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠具有非常廣闊的前景。

6.3聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的發(fā)展方向

(1)發(fā)展過程

燃氣輪機為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，表3所示為燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展過程。表3[7]第一代燃機第二代燃機第三代燃機第四代燃機燃機入口溫度至1000oC至1100oC至1300oC至1400oC壓縮比至10至12至15至20燃燒技術(shù)擴散燃燒擴散/預(yù)混合燃燒強化預(yù)混合燃燒過度傾斜預(yù)混合燃燒冷卻方式元（自然冷卻）簡單對流冷卻高性能紊流器+氣膜冷卻高性能紊流器+氣膜冷卻冷卻介質(zhì)-空氣空氣空氣/蒸汽葉片材料多晶體高溫合金鋼多晶體高溫合金剛單向凝固合金鋼單向/單晶體合金鋼空氣動力技術(shù)準(zhǔn)三維設(shè)計準(zhǔn)三維設(shè)計完善的三維設(shè)計（弓形葉片，末端彎曲葉片）完善的三維設(shè)計（弓形葉片，末端彎曲葉片）(2)發(fā)展方向：大容量、高溫化、高壓縮比、高效率、低污染

聯(lián)合循