大型天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術_圖文

1、大型天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術Power Generation Technologyof Large-Scale Natural Gas Fired Combined Cycle浙江省電力設計院 何 語 平摘 要：為配合“西氣東輸”和液化天然氣（LNG ）的輸入，我國東部地區(qū)正在建設一批大型聯(lián)合循環(huán)電廠。為了使建成后的電廠單位投資省、熱效率高、投產后具有較好的效益，對大型天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術進行全面而系統(tǒng)的研究和優(yōu)化至關重要。本文對影響大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠效率的各種因素進行了研究，對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化、燃氣輪機選型、蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化、參數(shù)選擇、余熱鍋爐和汽輪機選型、機組軸系配置、動力島布置等方面

2、進行了深入的分析研究，并提出了明確的優(yōu)化途徑和結論。關鍵詞：天然氣；聯(lián)合循環(huán)發(fā)電0 前言我國東部地區(qū)經濟發(fā)達，但一次能源匱乏。目前火力發(fā)電廠以煤炭消費為主，環(huán)境污染日趨嚴重。為了減少SO 2排放并控制酸雨的危害，許多已投運的機組紛紛補上尾部煙氣脫硫裝置（FGD ）。 為了優(yōu)化能源結構、改善環(huán)境，國家決定利用西氣東輸，東海油氣和進口液化天然氣（LNG ）等清潔能源，建設一批大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠。 天然氣是高效清潔能源，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃用天然氣將極大地改善環(huán)境污染問題。燃用天然氣沒有粉塵、沒有灰渣。天然氣幾乎不含硫，因而幾乎沒有SO 2排放。由于采用低NO x 燃燒器，NO x 的排放也

3、降到極低的程度。又由于天然氣成分中主要是CH 4，煙氣中CO 2的排放也大大減少。 近幾年由于燃氣輪機的單機功率和熱效率有了很大程度的提高，特別是聯(lián)合循環(huán)的理論研究、產品開發(fā)和電廠運行實踐更趨成熟，目前大型燃氣輪機的單機功率已超過250MW ，熱效率已超過36；所組成的聯(lián)合循環(huán)的功率已達到390MW ，熱效率也已達到56.758.5。其熱效率之高，不僅遠遠超過現(xiàn)有燃煤蒸汽輪機電廠，甚至比超超臨界參數(shù)的燃煤蒸汽輪機電廠還要優(yōu)越。世界上的聯(lián)合循環(huán)電廠正向大型化和高效化發(fā)展。在電廠投資方面，根據(jù)華東地區(qū)西氣東輸?shù)拇笮蛦屋S聯(lián)合循環(huán)機組（江蘇戚墅堰、望亭、張家港、杭州半山，均為老廠擴建）的可行性研究統(tǒng)計

4、，投資估算為3104元/kW3356元/kW，比帶脫硫裝置的300MW 燃煤蒸汽輪機電廠的造價低19.625.7%。我國天然氣價格相對較高，為使建成后的電廠單位投資最省、熱效率最高、投產后具有較好的效益，對大型天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術進行全面而系統(tǒng)的研究和優(yōu)化至關重要。1 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化1.1提高聯(lián)合循環(huán)效率的途徑圖1 燃氣循環(huán)圖2 蒸汽循環(huán)圖3 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)聯(lián)合循環(huán)是把兩個使用不同工質的獨立的動力循環(huán)，通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)就是利用燃氣輪機做功后的高溫排氣在余熱鍋爐中產生蒸汽，再送到汽輪機中做功，把燃氣循環(huán)（勃萊敦循環(huán)）和蒸汽循環(huán)（郎肯循環(huán)）聯(lián)合在一起的循環(huán)。

5、圖4 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的T-S 圖根據(jù)熱力學原理，理想熱力循環(huán)（卡諾循環(huán)）的效率為121T -=，式中T 1為熱源平均吸熱溫度，T 2為冷源平均放熱溫度。公式表明，熱源平均吸熱溫度越高，冷源平均放熱溫度越低，則循環(huán)效率越高。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的高溫熱源溫度（透平初溫）高達11001300，其熱源平均吸熱溫度遠遠高于蒸汽循環(huán)常采用的主蒸汽溫度540603的熱源平均吸熱溫度，而聯(lián)合循環(huán)中的冷源平均放熱溫度（凝汽器溫度）2932遠遠低于一般燃氣循環(huán)的排氣溫度450640。也就是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)從非常高的高溫熱源吸熱，向盡可能低溫的冷源放熱，因此聯(lián)合循環(huán)的熱效率比組成它的任何一個循環(huán)的熱效率都要

6、高得多。目前蒸汽循環(huán)凝汽器的真空隨外部循環(huán)冷卻水的水溫、冷卻方式和真空系統(tǒng)的不同而略有變化，一般為0.040.05bar(a，其相應的溫度為2932，已難以降到更低。而燃氣循環(huán)的透平初溫，近年來隨著葉片材料和冷卻技術的提高還在不斷提高。因此提高聯(lián)合循環(huán)效率的首要途徑就是選擇透平初溫較高的燃氣輪機。理論研究證實1，提高燃氣輪機的初溫，可以使聯(lián)合循環(huán)的效率大大提高。 1.2 余熱鍋爐的補燃與不補燃所謂補燃，即在余熱鍋爐中再補充燃燒一部分燃料（氣體、液體或固體燃料均可），增大余熱鍋爐的產汽量，并提高主蒸汽參數(shù)（不補燃余熱鍋爐的主蒸汽溫度受到燃氣輪機排氣溫度的限制），由此可以增大汽輪機的功率。早期的燃

7、氣輪機初溫較低，排氣溫度也較低，組成不補燃的聯(lián)合循環(huán)，所能匹配的汽輪機參數(shù)必然也很低，因此聯(lián)合循環(huán)的效率也不高。采用補燃后，就可與高參數(shù)的汽輪機相匹配，使聯(lián)合循環(huán)的效率得以提高。理論研究表明2，隨著燃氣初溫的不斷提高，余熱鍋爐產生的主蒸汽參數(shù)已經很高。少量補燃后，如保持蒸汽參數(shù)不變，一般總會使聯(lián)合循環(huán)的效率下降；如保持蒸汽量和余熱鍋爐的節(jié)點溫差不變而提高蒸汽參數(shù)，有可能略微提高聯(lián)合循環(huán)的效率，但此提高的潛力不大。由于材料和節(jié)點溫差的約束，蒸汽參數(shù)提高的余地也不多，補燃過多就只能用以增加蒸汽量了。因此，隨著燃氣輪機初溫的不斷提高，新建發(fā)電廠現(xiàn)在已很少采用補燃的聯(lián)合循環(huán)方案了。目前補燃的余熱鍋爐大

8、多只用于熱電聯(lián)產的聯(lián)合循環(huán)中，通過增減補燃量使產汽量具有靈活性，以求得熱負荷和電負荷可以獨立地調節(jié)；并提高聯(lián)合循環(huán)在低負荷下的熱效率。不補燃的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)勢在于：熱效率高。當燃用天然氣并把燃氣輪機初溫提高到1300以后，聯(lián)合循環(huán)效率已超過56，近期有望達到60。鍋爐和廠房體積較小，結構簡單，投資費用低。系統(tǒng)簡單，運行可靠性高，現(xiàn)已達到9398%的可用率。啟動快。 1.3 燃氣輪機效率的選擇經理論推導 3，在不補燃的聯(lián)合循環(huán)中，整套聯(lián)合循環(huán)效率cc 為：cc = gt + (1-gt hr st（4-1）式中，g t為燃氣輪機發(fā)電機組的毛效率，h r 為余熱鍋爐效率，s t 為汽輪

9、發(fā)電機組毛效率。 從式（4-1）可見，提高燃氣輪機效率gt 比同等程度地提高余熱鍋爐效率hr 和汽輪機效率st 對于改善聯(lián)合循環(huán)效率cc 的效果更為明顯。因此在設計聯(lián)合循環(huán)時，首先應選擇功率和效率都能滿足要求的燃氣輪機作為設計出發(fā)點，然后再從整個聯(lián)合循環(huán)的效率和投資角度，來考慮余熱鍋爐和汽輪機的系統(tǒng)和形式是否配置合理的問題。 1.4 燃氣輪機排氣溫度的選擇然而在聯(lián)合循環(huán)設計中，燃氣輪機效率并非越 高越好。在聯(lián)合循環(huán)中，燃氣輪機效率取最大值，并不能得到最優(yōu)化的聯(lián)合循環(huán)的效率。當燃氣初溫一定時，高壓比的燃氣輪機排氣溫度較低，雖然燃氣輪機本身的效率比低壓比的燃氣輪機高，但余熱鍋爐的能量利用率、蒸汽參

10、數(shù)和蒸汽循環(huán)效率都較低。而低壓比的燃氣輪機的排氣溫度較高，雖然燃氣輪機本身的效率比高壓比的燃氣輪機低，但蒸汽循環(huán)得以利用成熟的高溫高壓和再熱技術，取得蒸汽部分的高效率?？梢娫谌細廨啓C初溫一定時，燃氣輪機排氣溫度存在著最佳值4。圖5和圖6分別表示了燃氣輪機效率和聯(lián)合循環(huán)整體效率與燃氣初溫和燃氣輪機排氣溫度的函數(shù)關系。 圖5 簡單循環(huán)的燃氣輪機效率與排氣溫度的關系 圖6 聯(lián)合循環(huán)效率與燃氣輪機排氣溫度的關系圖中t 3為燃氣初溫，近年來的燃氣輪機其初溫均在11001200以上，從圖5可見，當簡單循環(huán)的排氣溫度為400450時，燃氣輪機效率最高。圖6與圖5相比，聯(lián)合循環(huán)效率的最佳點則向排氣溫度高的方向

11、移動，為550600。近年來發(fā)展起來的大型燃氣輪機，在燃氣初溫提高的基礎上，也都提高了排氣溫度，其目的就是為了取得整體聯(lián)合循環(huán)的高效率。因此要獲得聯(lián)合循環(huán)的最大效率，不能僅僅選擇高效率的燃氣輪機，而選擇盡可能高的燃氣初溫和對于聯(lián)合循環(huán)最佳的壓比和排氣溫度才是更重要的因素。即既要兼顧到燃氣循環(huán)的效率，又要兼顧到蒸汽循環(huán)的效率，才能獲得聯(lián)合循環(huán)的最大效率。2 燃氣輪機機型選擇能夠生產滿足上述要求的大容量高效率、能夠體現(xiàn)當今工業(yè)燃氣輪機設計、制造水平的廠家主要有GE 公司（美國通用電器）、SIEMENS 公司（西門子）、ALSTHOM 公司（阿爾斯通）和三菱公司（MITSUBISHI ）。鑒于我國目

12、前正在以市場換技術，積極引進生產大型發(fā)電用的燃氣輪機技術，因此我們有必要仔細分析研究上述四家燃氣輪機廠商產品的技術性能和技術水平。在建設聯(lián)合循環(huán)電廠時，引進優(yōu)質高效、成熟可靠、單位造價低的先進產品。由于9E 燃氣輪機的燃氣初溫（1124）較低，自身效率要比F 級燃氣輪機低34個百分點。排氣溫度僅538，蒸汽循環(huán)不能再熱，聯(lián)合循環(huán)的效率要低46個百分點。因而E 級聯(lián)合循環(huán)電廠的上網電價較高。另外由于E 級機組容量較小，需要2+1（兩臺燃機帶一臺汽機）組成的聯(lián)合循環(huán)，容量才能達到383.7MW 。相對來說設備增多、系統(tǒng)復雜、占地較大。經過多方面的技術和經濟比較5，我們得出結論：在我國東部天然氣價格

13、相對較高的地區(qū)建設大型聯(lián)合循環(huán)電廠，不宜選用E 級燃氣輪機作為基本機型，也不宜選用E 級改進型作為基本機型，而F 級燃氣輪機是我國東部地區(qū)建設天然氣發(fā)電390MW 級聯(lián)合循環(huán)電廠的首選機型，而且F 級機組在世界上也都是已投運了多年的成熟機型。這四家燃氣輪機廠商產品6 7 8 9 10中，PG9351FA 、V94.3A 、GT26和M701F 四種F 級機組具備以下特點： 單機容量大，都在250MW 等級，“1+1”（一臺燃機帶一臺汽機）的聯(lián)合循環(huán)功率即已達到390MW 。 專為燒天然氣而設計，也可燒備用輕柴油。燃氣初溫高，因而燃氣輪機自身的效率也高。PG9351FA 、V94.3A 和M70

14、1F 初溫均超過1300，燃氣輪機效率在36.938.7%之間，而GT26的燃氣初溫雖略低（為1255），但采用了燃氣再熱技術，效率也達到了較高的38.5%。 排氣溫度高（584640），給蒸汽循環(huán)留有較大的余地，蒸汽循環(huán)可采用較高參數(shù)的三壓、再熱循環(huán)，因而整個聯(lián)合循環(huán)的效率較高，達到56.758.5。 燃氣輪機結構上均采用軸向排氣，排氣阻力小，而且便于余熱鍋爐布置。燃氣輪機均采用壓氣機冷端拖動發(fā)電機，便于安裝運行和維護。3 余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化 3.1 提高余熱鍋爐效率的途徑由于不補燃的余熱鍋爐是利用燃氣輪機的排氣余熱來產生蒸汽和熱水，排煙損失是它最主要的熱損失，因此降低余熱鍋爐排煙溫度是

15、提高余熱鍋爐效率的唯一途徑。3.2 單壓、雙壓和三壓蒸汽系統(tǒng)的選擇在單壓蒸汽系統(tǒng)中，在低溫段煙氣的熱量未能充分利用，因此單壓余熱鍋爐不能將排煙溫度降低到較低的水平，一般僅能控制在160200左右。當燃用幾乎不含硫的天然氣時，因燃料成本相對較高，有需要也有可能進一步降低排煙溫度。在設計余熱鍋爐時可以采用雙壓或三壓蒸汽系統(tǒng)，即在余熱鍋爐中除了產生高壓過熱蒸汽外，還產生中壓或低壓過熱蒸汽，補入汽輪機的中、低壓缸中做功。采用三壓蒸汽系統(tǒng)，可使排煙溫度進一步降到8090左右。3.3 余熱鍋爐再熱系統(tǒng)的選擇早年的燃氣輪機排氣溫度較低，大多低于538，所配的蒸汽循環(huán)不宜采用再熱方案。近年來高于584排氣溫度

16、的大型燃氣輪機的出現(xiàn)，具備了為余熱鍋爐提供足夠的高溫熱量用以實現(xiàn)雙壓或三壓再熱循環(huán)的可能性。隨著蒸汽循環(huán)由單壓變?yōu)殡p壓和三壓，由無再熱向再熱發(fā)展，聯(lián)合循環(huán)的效率都會有一定程度的提高。研究表明11，三壓聯(lián)合循環(huán)的效率比雙壓聯(lián)合循環(huán)的效率大約提高1；雙壓和三壓采用再熱后，聯(lián)合循環(huán)效率均能再提高0.80.9。 3.4 余熱鍋爐煙氣阻力的選取這里需要指出的是，隨著余熱利用率的提高，余熱鍋爐換熱面積將增加，余熱鍋爐煙氣側的阻力將有所提高，也就是燃氣輪機的排氣背壓將有所提高，這將引起燃氣輪機功率和效率有所下降。計算表明11：1kPa 的壓降會使燃氣輪機的功率和效率下降0.8%，因此在聯(lián)合循環(huán)設計優(yōu)化時要綜

17、合考慮這一因素。余熱鍋爐及煙道的阻力按聯(lián)合循環(huán)設備采購國際標準12規(guī)定，對于單壓、雙壓和三壓余熱鍋爐分別為2.5kPa 、3.0kPa 、3.3kPa 。 3.5 余熱鍋爐蒸汽溫度的確定在不補燃的聯(lián)合循環(huán)中，余熱鍋爐高壓蒸汽的溫度受到燃氣輪機排煙溫度的限制。燃氣輪機選型確定后，其排氣溫度一定，余熱鍋爐高壓蒸汽的溫度一般比燃氣輪機排氣溫度低2540。當然聯(lián)合循環(huán)高壓蒸汽溫度的確定還與余熱鍋爐過熱器和汽輪機高壓部件的材料選擇的經濟合理性有關。同樣，中壓蒸汽和低壓蒸汽的溫度則比它們各自所在的余熱鍋爐受熱面積上游的燃氣溫度低11左右13。 3.6 余熱鍋爐蒸汽壓力的優(yōu)化蒸汽參數(shù)的優(yōu)化主要是高壓蒸汽壓力

18、的選擇，國外研究表明14，隨著高壓蒸汽壓力的提高，聯(lián)合循環(huán)效率有一定程度的提高，升至一個較高的最佳值后開始下降。優(yōu)化后的高壓蒸汽壓力不是很高，通常在高壓到超高壓的范圍內。對150MW 級的汽輪機來說，GE 和三菱推薦選擇高壓蒸汽壓力在10Mpa 左右，SIEMENS 推薦為13Mpa 。3.7聯(lián)合循環(huán)蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化方向在燃氣輪機型號確定后，應根據(jù)所用燃料種類、燃料價格、負荷方式、投資費用、經濟效益和建設周期等因素來選擇蒸汽系統(tǒng)。我國東部地區(qū)天然氣價格較高，對聯(lián)合循環(huán)電廠的運行成本和上網電價有較高的要求，希望電廠有較高的效率。因此選擇高壓高溫的三壓再熱蒸汽循環(huán)是非常合適的。4 蒸汽循環(huán)給水的加熱

19、和除氧方式的選擇 4.1蒸汽循環(huán)的給水加熱為了盡可能地利用燃氣輪機排氣余熱，聯(lián)合循環(huán)的給水加熱在余熱鍋爐中進行。為了盡可能地降低余熱鍋爐的排煙溫度，與燃煤電廠相反，送往余熱鍋爐的給水溫度一般較低。 4.2 凝汽器真空除氧燃用幾乎不含硫的天然氣時，最理想的除氧方案是選用帶除氧功能的凝汽器，在凝汽器中進行真空除氧，這就給余熱鍋爐提供了除過氧的、最低溫度的給水。這些低溫給水在余熱鍋爐尾部的給水預熱器中進一步吸收低溫煙氣的熱量，致使鍋爐排煙溫度降到8090。GE 公司推薦的三壓再熱帶除氧凝汽器的熱力系統(tǒng)15如圖7所示。 SIEMENS 公司也推薦采用三壓再熱帶除氧凝汽器的熱力系統(tǒng)。正常運行時凝結水的除

20、氧在凝汽器中進行，在啟動階段，該公司在凝結水預熱器的下游還配備了旁路除氧器，用來除去啟動階段凝結水中較多的O 2和CO 2。5 余熱鍋爐的爐型選擇余熱鍋爐按汽水循環(huán)方式可分為強制循環(huán)和自然循環(huán)兩種。自然循環(huán)的余熱鍋爐一般采用臥式布置，而強制循環(huán)的余熱鍋爐一般采用立式布置。兩種余熱鍋爐各有特點，對于燃用天然氣的聯(lián)合循環(huán)電廠來說，這兩種爐型都是可以接受的。我國目前打捆招標建設的大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠均為臥式布置自然循環(huán)的余熱鍋爐。其最大優(yōu)點是：無循環(huán)泵，廠用電少，可用率高于強制循環(huán)的余熱鍋爐2個百分點。6 聯(lián)合循環(huán)汽輪機的選擇6.1聯(lián)合循環(huán)汽輪機特點聯(lián)合循環(huán)中的汽輪機一般不對外抽汽，而是向中壓缸和

21、低壓缸內補入中壓蒸汽和低壓蒸汽。要求它的中、低壓缸比常規(guī)電廠的汽輪機增大通流能力，并要求其凝汽器比常規(guī)電廠增大換熱面積。汽輪機末級效率和排汽環(huán)形面積的大小對聯(lián)合循環(huán)尤為重要，必須進行專門的設計與制造。 聯(lián)合循環(huán)中的汽輪機必須適應聯(lián)合循環(huán)快速啟動的要求，汽輪機結構應采取必要的措施16。 6.2聯(lián)合循環(huán)汽輪機的汽缸及排汽形式17圖9 GE 公司S109F A 單軸聯(lián)合循環(huán)三壓再熱的雙缸向下排圖7 三壓再熱帶除氧凝汽器的熱力系統(tǒng)圖離合器+汽輪機的方式, 汽輪機位于端部， 便于實行 軸向排汽。整套聯(lián)合循環(huán)機組為地面層低位布置， 土建投資較低，但發(fā)電機檢修需要有專用行車。 （9）多套并列的 F 級單軸聯(lián)

22、合循環(huán)機組實行單元 制的緊湊布置、單元制的建設、單元制的運行、單 元制的管理和檢修，而且擴建非常方便。這是近年 來國際上大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠的布置趨勢。有 兩種廠房布置模式：一種是每套機組縱向布置在各 自獨立的廠房內。另一種是多套單軸機組橫向布置 在一個大跨度連通廠房內，或采用發(fā)電機廠房加燃 機-汽機廠房這樣的連續(xù)雙跨廠房。 中國電力，2004，37（4） ：5-8. 17. 西子發(fā)電部. 采用空冷凝汽器的 Kings Lynn 347MW 單 軸聯(lián)合循環(huán)電廠R. 1997,5 18. 何語平.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠機組的軸系配置J.中 國電力，2004,37 (8:7-9. 19. 何語平

23、.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠不同機型總體布置與 占地的比較 J.中國電力，2005,38 (7:31-36. 20. 何語平.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠 F 級機組動力島布置 的優(yōu)化J.中國電力，2005,38 (10:56-64. 作者簡介：何語平（1945-） ，男，教授級高級工程 師，從事火力發(fā)電廠設計研究。 參考文獻 1. 蔡睿賢.余熱鍋爐式燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)近似熱力學分析J. 工程熱物理學報，1981，2（4） ：304309. 2. 蔡睿賢.補燃對常規(guī)聯(lián)合循環(huán)效率的影響R.中國工程熱 物理學會第八屆年會. 3. 何語平.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)機組系統(tǒng)優(yōu)化J.中國電力， 2003，36（11）

24、：37-40. 4. Rolf Kehlhofer. Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power PlantsR. ABB Power Generation. 5. 何語平.大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠對燃氣輪機的選擇J.中 國電力，2003，36（12） ：7-12. 6. Tomlinson L.O, ChaseD.L, DavidsonT.L, SmithR.W. GE Combined-Cycle Product Line and PerformanceR. GE Power Generation GER-3574D. 7. Siemens Power Generation. Siemens Advanced Turb