燃气蒸汽联合循环发电技术研究与应用

于宝安

山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100

摘要：伴随着我国电力行业迅猛发展，燃气蒸汽联合循环发电技术得到了极大重视和快速发展，燃气轮机技术可用率及可靠性也越来越高。燃气蒸汽联合循环发电技术的有效应用，不仅可以有效缓解电力紧缺问题，还能充分发挥其电网调峰能力，同时减少废气排放降低对环境的污染，具有良好的经济和环保效益，符合国家能源、经济和环保政策要求。

关键词：燃气蒸汽联合循环；发电技术；系统设计；热效率

1燃气蒸汽联合循环发电的主要优点

燃气蒸汽联合循环发电机组是一种能源综合利用技术，将燃气轮机和蒸汽轮机发电技术进行优化结合，达到高效率、环保、经济的电力供应技术。燃气蒸汽联合循环发电机组主要包括燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、发电机等主机设备，其具有效率高、可靠性高、排放少、占地小、自动化程度高、运行人员少等优势。联合循环机组通过余热锅炉将燃气轮机的废热进行回收利用，对介质加热产生高温高压蒸汽推动汽轮机做功发电，大大提升了机组整体发电效率。相对于常规发电机组，联合循环发电主要技术特点：（1）具有较高的热转化效率。在同等功率条件下，联合循环发电机组效率明显优于常规火力发电机组。如350MW级联合循环发电机组效率可达到58%，比常规机组高出15-18%，折合标煤约为212g/kwh，比常规1000MW发电机组煤耗（290-300g/kwh）具有明显效率优势。常规火力发电机组由于自身设备及设计模式的限制，机组热效率难以提高。但随燃机技术不断成熟，国内外企业相继成功推出高性能联合循环技术，可生产高参数、大容量、高效率的燃气轮机，燃烧温度可达1500℃，极大的提高了燃机机组的热效率。如美国GE公司生产制造的单机容量达到292MW的MS9001H型燃气轮机机组，其单机发电效率达39.5%，联合循环容量为480MW，综合发电效率达60%；西门子公司生产的GT26型燃气轮机，单机功率可达240MW，发电效率可达到37%，联合循环容量为362MW，综合发电效率高达57%等。（2）环保优越性。燃气蒸汽联合循环发电机组主要燃料为燃气或燃油，排放烟气成分主要为二氧化碳，氮氧化物，二氧化硫等。燃料可在特定工况下近于完全燃烧，污染性气体含量相对较低，相比常规机组氮氧化物排放量不到燃煤电厂的20%，二氮化硫等污染性气体排放量几乎为零，不存在灰渣和粉尘排放问题，可减小日益严重的环保压力。（3）土地和水资源消耗少，联合循环电厂占地面积仅为火电项目30-40%，建筑面积仅为火电厂的20%。另外燃气轮机冷却水需求量相对较少，单循环机组水耗为火电厂的2%-10%，联合循环机组为同容量火电厂冷却水量的1/3左右。（4）自动化程度高，运行人员少，可实现自动保护投入率99.9%，启停时间短，运行可靠，负荷调节幅度大等特点，可真正实现AGC控制。

2燃气蒸汽联合循环发电机组系统设计

2.1工艺流程

单循环发电工况下，天然气在燃气轮机中直接燃烧做功，驱动燃气轮机带动发电机发电，燃烧做功后经排气管道直接排至大气。联合循环发电工况，燃气轮机产生的高温尾气排向余热锅炉，通过余热锅炉产生高温高压蒸汽推动汽轮机发电。为提高联合循环发电效率，充分利用回收的余热，可依据运行工况、运行参数、环境条件选用不同形式、不同压力等级余热锅炉与燃气轮机配套。如采用卧式三压余热锅炉与GT26匹配组成联合循环，产生蒸汽分别进入汽轮机高、中、低压缸做功带动发电机发电。

2.2余热锅炉的效率分析

余热锅炉效率为输出与输入热量之比，为有效降低能量损失，节省电耗，提高吸热效率及热转换效率是机组效率提高的基本方式，同时综合分析各种不利因素降低影响。降低余热锅炉排烟温度可提高效率，但需增大传热面积要大大增加项目前期成本，同时若烟气中含有硫分，降低排烟温度将引起设备发生酸性腐蚀和可能发生碳酸腐蚀，这些因素又制约了排烟温度的降低。一般来说，若锅炉燃料不含硫分时，余热锅炉出口排烟温度约为100℃。若采用含硫燃料时，随着排气中SOx浓度不同，出口排烟温度大约在90-150℃。依据不同燃料组分和燃烧特性来确定不同排烟温度参数。为了提高余热锅炉热转换效率，针对不同燃机类型可配套选用多压高参数余热锅炉。如对于双压和三压循环，进行再热与非再热的循环机组对比，效率可改善0.2-0.4个百分点。双压循环和三压循环之间的效率差大约为0.5-0.6个百分点。

2.3余热锅炉性能影响因素及设计参数分析

（1）排气成分，燃气轮机排气是燃料在燃烧器内几乎完全燃烧后的烟气和大量的燃烧冷却空气混合而成。排气成分随着燃料成分和向燃机喷射的蒸汽或水量不同而变化。排气中各成分的比热和焓值均不同，其中水分的焓值最大，排气的焓随成分不同而变化。

（2）排烟温度及流量，降低余热锅炉的排烟温度，可增大输出热量。但如前所述，由于烟气中含有SOx和CO2，此时会产生受热面和烟道设备的低温腐蚀。为了防止低温腐蚀，受热面外部温度需保持在酸露点之上，同时余热锅炉入口给水温度也要在此温度之上。

（3）蒸汽温度，一般说来，产生蒸汽的温度升高，汽轮机设计工况参数和出力将提高，机组总的出力和效率也会提高。但因蒸汽温度和排气温度的差值变小，则需加大锅炉的传热面积，增加成本。燃机的排气温度随负荷、环境温度、大气压力的变化而变化，余热锅炉产生蒸汽的温度也会随之变化。因此在设计锅炉时必须考虑机组的外部条件、运行工况、汽轮机运行参数范围等因素来设计所需蒸汽参数。

（4）蒸汽压力，当其它条件相同吋，蒸汽压力上升则蒸汽产量减少，此时由于热交换减少，会降低余热锅炉的效率。但对汽轮机来说，提高蒸汽参数，提供高品质蒸汽则可提高其效率。汽轮机末级温度决定余热锅炉出口蒸汽压力。

（5）窄点温差和接近点温差，就窄点温差和接近点温差来说，温差小则蒸发量增加，余热锅炉效率提高，但此时需增大传热面积。降低燃气轮机负荷，这二个温差也会变小，但容易造成省煤器的汽化。因此需要综合考虑两方面因素选择合适的差值。

（6）排气压力损失，余热锅炉越小，排气压力损失越大，此时燃气轮机背压升高出力减小，从而使联合循环发电机组的整体效率降低。因此，要降低排气压力损失，增加燃气轮机出力，提高联合循环发电机组效率，势必要提高余热锅炉设计运行参数，采用高参数大型机组。因此排气压力损失由机组整体经济性决定。

在项目实际调试和运行过程中，需不断分析、总结相关技术问题和经验，对现有技术进行不断优化和完善，进行新技术探索研究。

3联合循环机组的配置及性能特点

大型联合循环发电机组有单轴机组和多轴机组两大类。单轴机组是由一台燃气轮机与一台容量匹配的蒸汽轮机共同带动一台发电机，组装在同一根主轴线上的联合循环机组。多轴机组是燃气轮机与汽轮机分別带动一台发电机，一般为2台、3台或4台燃气轮发电机与一台汽轮发电机组成的多轴联合循环机组。

在联合循环发电系统中，燃气轮机与蒸汽轮机的容量配合比例一般为2：1，即1台250MW的燃气轮机可配1台125MW的蒸汽轮机，组成1套375MW的联合循环发电机组，或者2台250MW的燃气轮机配1台250MW的蒸汽轮机，组成1套750MW的联合循环发电机组。燃气轮机和HRSG是联合循环发电机组的主体部分，其中燃气轮机是制造厂定型产品，而HRSG则是按照燃气轮机型号、厂址条件和用户要求，进行设计制造现场安装而成。

燃气轮机以空气为工作介质，国际上规定，制造厂按标准工况设计制造燃气轮机，当大气温度和压力超过ISO工况时，燃气轮机的出力和效率都要下降，其中出力的降幅较大。燃气轮机利用压气机进气导叶的开度来调节空气进气量，调节范围为100%-70%。当负荷小于70%时，只能通过控制燃料来控制其出力。所以燃气轮机低负荷运行时，效率会大幅度下降，带50%负荷时效率下降5%-7%，故燃气轮机不适于带部分负荷运行。

燃气轮机的启动时间很短，一般从启动到带满负荷运行用时约为30-40min，如果加上联合循环的蒸汽系统，在热态下启动，一般也不超过70min所以在停机后采取保温和烟道关闭措施，机组可以迅速启动带负荷。

4联合循环电厂主机选择及应用

当采用联合循环机组时，燃气轮机单机容量在150MW级以下，一般燃气轮机与汽轮机布置采用多轴布置。燃气轮机容量在200MW级及以上时，可考虑燃机与蒸汽轮机同轴布置。余热锅炉应根据燃料和烟气特性进行设计，满足燃气轮机快速启动的特点。其最大蒸发量应与燃气轮机的烟气量和烟气特性相匹配。蒸汽轮机的进气量应与余热锅炉最大蒸发量之和相匹配。燃气轮机一般采用露天布置，当建于沿海、严寒、多雨或居民较集中的地区时，可采取室内布置。联合循环电厂宜设集中控制室，单循环电厂控制室可就地布置。联合循环电厂采用分散控制系统实现对主要工艺系统的监视和控制，其它辅助系统可设置独立的监控装置，但应留有与DCS通信的必要接口。

4.1高性能机组选择应用

选择高性能主机及辅机是保证燃气轮机电厂长期安全稳定运行的重要方面，过去往往比较注重热经济性和价格，而忽略使用性能指标，应该予以纠正。机组可靠性表现为机组成功地完成预期运行功能的概率。制造商应提供实际运行的可靠性业绩，应选用可靠性业绩较好、可利用率高的主机制造商。下面为选择机组的一些指标：可用率、故障停机率、启动可靠性、故障间隔平均时间，单位发电量维修成本等主要参数。

4.2主机选用原则

依据燃气轮机电厂设计管理经验，联合循环电厂主机设备需充分考虑如下原则：（1）满足电力系统规划对接口点的容量及带负荷条件的要求；（2）主机应该具有较高的热效率；（3）低负荷运行的稳定性及负荷增加过程中应有较高的热效率；（4）对燃料应有较宽的适应性，如能适应气体、液体及低品质燃料的燃烧；（5）较低的运行及维护费用；（6）较高的可靠性；（7）较高的可用率；（8）较短的安装及建设周期；（9）能满足高排放标准和低噪音环境保护要求。

5结语

燃气蒸汽联合循环发电技术已成为国内外越来越多地区的首要选择，随着世界性电力体制改革，电力市场的规范化，环境意识的增强，改善电源结构，提高燃气蒸汽联合循环发电机组性能参数，探索燃气蒸汽联合循环发电机组的经济运行方式和综合效益，将是未来燃气蒸汽联合循环技术的主要发展方向。

参考文献：

[1]王政允.燃气-蒸汽联合循环发电系统的现状分析及展望[J].中国高新技术企业，2017，（08）：194-195.

[2]顾本可.燃气蒸汽联合循环发电技术探讨[J].贵州电力技术，2017，20（01）：8-10.

[3]吴璟菲，牛彩伟，武建芳，赵耀芳.蒸汽-燃气联合循环热效率分析[J].能源与节能，2016，（10）：86-88+103.