【优秀毕业论文】 燃气蒸汽联合循环电厂热电联产的优化配置.pdf

申请上海交通大学工程硕士学位论文 燃气蒸汽联合循环电厂 燃气蒸汽联合循环电厂 热电联产的优化配置 热电联产的优化配置 学学 校：上海交通大学校：上海交通大学 院院 系：机械与动力工程学院系：机械与动力工程学院 工程领域：动力工程工程领域：动力工程 交大导师：忻建华交大导师：忻建华 副教授副教授 企业导师：张厚琪企业导师：张厚琪 高高 工工 工程硕士：忻工程硕士：忻 祎祎 学学 号：号：1040222007 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 2007年年4月月 燃气蒸汽联合循环电厂 热电联产的优化配置 摘 要 本文从世界热电联产的发展趋势、中国热电联产的发展前景、 上海发展热电联产的战略意义和现实意义、 上海化学工业区建设热电 联产电厂的必要性等几个方面， 论述了燃气蒸汽联合循环电厂热电 联产优化配置的重要性和必要性。通过对蒸汽轮机循环、燃气轮机循 环和燃气蒸汽联合循环的比较、 蒸汽轮机热电联产和联合循环热电 联产的比较，说明燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用，以及联 合循环热电联产的众多优点。以上海化学工业区热电联供电厂为例， 该工程配置二套燃气蒸汽联合循环机组， 每套联合循环机组是由一 台“f”级燃气轮机发电机组和一台双压无再热的余热锅炉和一台双 抽凝汽式汽轮机发电机组组成 1 拖 1 的双轴燃气蒸汽联合循环机 组， 分析了燃气蒸汽联合循环机组热电联产的机组配置和机组热负 荷调节方式。 以当前的系统和设备为前提， 提出三种优化和改进方案， 或可以提高整个热电联产系统的运行可靠性， 或可以改善联合循环变 工况特性，或可以提高联合循环热效率。根据不同的需要，可以有针 对性的采取一种或多种优化和改进方案， 使燃气蒸汽联合循环热电 联产电厂发挥更大的优势。 同时希望能为同类型机组和系统在设计选 型配置时提供一点参考和借鉴， 以及对类似项目的系统配置也有一定 的借鉴作用。 关键词 燃气蒸汽联合循环，热电联产，机组配置，负荷调节， 优化改进 cogeneration optimal configuration of gas-steam combined-cycle power plant abstract the text discusses the development trend of whole world cogeneration, the development prospect of china cogeneration, the development strategy and realistic meaning of shanghai, the necessary of building the cogeneration power plant of shanghai chemical industry park, explains the important and necessary of cogeneration optimal configuration of gas-steam combined-cycle power plant. through the comparison of steam-turbine cycle, gas-turbine cycle and gas-steam combine-cycle, the comparison of steam-turbine cogeneration and combined-cycle cogeneration, the text explains the application and advantage of gas-steam combined-cycle cogeneration. shanghai chemical industry park cogeneration power plant as an example, the configuration sets up two unit gas-steam combined-cycle. each combined-cycle unit is the two shaft gas-steam combined-cycle unit made up of a f grade gas-turbine generators、a two pressure no reheat heat-recovery-steam-generator and a double-extraction condensing steam turbine generator. analyzes the configuration of combined-cycle cogeneration and the method of load adjustment. the premise of the current systems and equipment, optimization and improvement of three projects cogeneration systems can be raised, the three projects can be improved reliability or changed conditions combined cycle characteristics or improved combined cycle thermal efficiency. according to the different needs, we can adopt one or another optimization and improvement projects, so the gas-steam combined cycle cogeneration power plant play greater advantage. we also hope to provide information and reference for design and configuration of the same type of unit or the similar items. key words gas-steam combined-cycle, cogeneration, configuration, load adjustment, optimization and improvement 符号说明 t-温度 s-熵 j/k p-压力 pa h-焓 j/g -热效率 gt-燃气轮机 hrsg-余热锅炉 st-蒸汽轮机 g-发电机 qsb-快速启动锅炉 hp-高压 ip-中压 lp-低压 目 录 摘要 摘要 abstract abstract 符号说明 符号说明 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1.1 世界热电联产的发展趋势 1 1 1.2 中国热电联产的发展前景 3 3 1.3 上海发展热电联产的战略意义和现实意义 6 6 1.4 上海化学工业区建设热电联产电厂的必要性 9 9 1.5 主要研究内容和特点 10 10 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 12 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 12 2.1 蒸汽轮机循环、燃气轮机循环和燃气蒸汽联合循环的比较13 13 2.1.1 蒸汽轮机循环 1313 2.1.2 燃气轮机循环 1414 2.1.3 燃气蒸汽联合循环 1414 2.2 蒸汽轮机热电联产和联合循环热电联产的比较 15 15 2.2.1 蒸汽轮机热电联产 1515 2.2.2 联合循环热电联产 1515 2.2.3 联合循环热电联产的优点 1616 2.3 燃气蒸汽联合循环设备介绍 18 18 2.3.1 燃气轮机 1818 2.3.1.1压气机 1919 2.3.1.2燃烧室 2222 2.3.1.3燃气透平2626 2.3.1.4大气参数的影响 2828 2.3.2 余热锅炉 2929 2.3.3 蒸汽轮机 3131 第三章 燃气蒸汽联合循环机组热电联产配置 33 第三章 燃气蒸汽联合循环机组热电联产配置 33 3.1 机组基本配置 33 33 3.1.1 燃气轮机 3434 3.1.2 蒸汽轮机 3636 3.1.3 余热锅炉 3636 3.1.4 供热管道 3737 3.1.5 高压减温减压装置 3838 3.1.6 中低压减温减压装置 3838 3.2 机组热负荷调节方式 39 39 第四章 燃气蒸汽联合循环机组热电联产配置的优化和改进 40 第四章 燃气蒸汽联合循环机组热电联产配置的优化和改进 40 4.14.1 快速启动锅炉 40 40 4.24.2 补燃式联合循环 43 43 4.34.3 三压再热蒸汽循环 4545 第五章 结论 50 第五章 结论 50 参考文献 52 参考文献 52 致谢 53 致谢 53 攻读学位期间发表的论文 54 攻读学位期间发表的论文 54 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 热电联产是一项能提高能效而且同时产生热和电的技术。热电联产不是一项新 的技术，它随着火力发电厂的诞生而存在，并且其技术也一直在进步，热电联产英 文名称叫combined heat & power(简称chp)，还有一个专用单词叫cogeneration。 我们把能对发电过程中所产生的低品位的热能加以利用的技术称之为热电联 产，热电联产的综合能效最高可达90以上。一般来讲，热电联产机组同热电分供 （即电网供电和锅炉供热）相比，能源利用率可提高15-40。 热电联产应遵循的最主要、最基本的一条原则就是，系统应以满足实际热负荷 的需要为基础，使热电厂的综合能源利用效率最优化。热电联产系统的用户可以是 一幢独立的建筑物、一家工业企业或是一个有着集中供热/制冷需求的区域。 1.1 1.1 世界热电联产的发展趋势 热电联产是世界各国公认的节能技术，本世纪初以来，各国相继发展，特别是 在原苏联、丹麦、瑞典、荷兰、美国、日本等很多国家发展得更快。热电联产由于 具有许多优点，所以世界各国都在大力发展 【1】。世界热电联产发展呈现许多趋势， 把握这些趋势对谋划各个城市热电联产发展很有益处。世界热电联产发展趋势主要 是 【2】： 1、推广范围普遍化。在经历了70年代的石油危机后，热电联产受到了西方国家 的重视。 美国热电联产装机容量在19801995年的15年间增加了2倍， 2000年已占总 装机容量的7，计划2010年占总装机容量的14%，2020年占总装机容量的29%。欧共 体在90年代支持了45项热电联产工程，2000年热电联产发电量已占总发电量的9， 计划2010年达到18。1992年，丹麦热电联产供热已占区域供热的60%；热电装机容 量占总装机容量的56%，计划2005年提高到66%以上 【3】。 2、 机组容量大型化。 例如， 加拿大的一座44万千瓦热电联产机组已经投入运营， 台湾已有2台60万千瓦供热机组在运行。 热电联产机组之所以呈现出大型化趋势， 是 因为大容量热电联产机组更节省能源，更容易应用先进的环保技术 【4】。 1 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3、洁净煤技术高新化。目前，全球发电使用的燃料还是以煤炭为主，而煤炭燃 烧对大气的污染很重。 随着人们可持续发展意识的不断增加和环保立法的不断加强， 电力工业越来越重视循环经济，不断开发应用高新技术，使煤炭清洁燃烧。1986年3 月，美国率先推出“洁净煤技术示范计划”，对世界各国洁净煤技术发展起到了重 要推动作用。在洁净煤技术系列中，与热电联产紧密相关的是脱硫、脱尘、脱氮技 术。循环流化床锅炉煤种适应性广、燃烧效率高、脱硫率可达到98，nox、co也能 低排放，是重要的洁净燃烧技术。60年代中期，第一台小型循环流化床锅炉在美国 投入运行，而后发展很快。目前芬兰已有29.5万千瓦的循环流化床锅炉，日本已有 35万千瓦的循环流化床锅炉。欧洲、美国、日本电站锅炉均配有静电除尘器和布袋 除尘器，除尘效率在99.9以上。 4、节能技术系统化。在热电联产中，世界发达国家越来越重视系统节能技术的 开发应用，不但围绕供热机组开发应用节能技术，而且也围绕供热管网、采暖系统 和住宅采暖开发应用节能技术。为了使供热管网节能，他们很重视管网敷设和隔热 保温技术。在采暖系统方面，这些国家给住宅供热一般都是双管系统，设有多种动 态变流量自动调节控制设备及热量计量仪表，用户可按需要设定室温。他们也很重 视建筑节能标准，近20年来，每修订一次标准，都将节能要求提高一大步。例如： 法国现行标准已是第三个节能25的标准；英国标准在能源危机前外墙传热系数为 16wm 2，经过三次修订标准后，现已降至045wm2；丹麦经过4次修订标准 后，现已降030和020wm2。为实现采暖节能，他们已经形成了保温隔热材料、 保温门窗、密封材料、面层抹灰及加强材料、采暖系统调控元器件、管道及其配件 等多种多样的高新技术产业部门。 5、热能消费计量化。在西方国家，热量从一开始就主要是以商品形式进入市场 的，七十年代的能源危机促进了这些国家供热计量技术与管理的发展。他们对旧有 住宅进行了改造， 变单管垂直供热为复管跨越供热。 欧州国家普遍采用这样的方法， 即将总的供热费用根据每个楼的总热表读数分摊到各个楼，然后再根据各户的热分 配表把各个楼的供热费用分摊到各户。对采暖收费方法也作了明确规定，30-50%为 按建筑面积计算， 50-70%按消耗的热量计算。 为了实现房间内温度舒适的自动控制， 每组散热器还安装温控阀。在欧洲德国安装户内热量表的比例最高，目前已达到75 2 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 80。90年代，东欧国家也开始进行收费制度的改革，由原来的包费制改为按 热计量收费。这些国家的经验说明，采用按热计量收费可节约能源2030，同 时改善了大气环境，促进了集中供热。 6、 使用燃料清洁化。 世界各国热电联产燃料结构尽管大不相同这主要是由资 源决定的，但为了加强环境保护，都在努力降低燃煤比重，积极开发利用天然气、 煤层气、地热等各种清洁燃料，尤其是不断提高天然气利用比重。天然气发电不但 有利于环保，而且还具有投资省、建设快、热效率高、调峰性能好等优点。美国 1980-1987建设了1,728座热电厂， 其中73%是天然气燃机热电厂。 俄罗斯热电联产燃 料构成中70%是石油和天然气。德国新建热电厂也主要使用天然气。 7、能源系统新型化。伴随大电厂、大电网、大热网的不断建设，一种用高科技 武装起来的新型能源系统也在世界各国蓬勃发展 【5】。 业内专家把这种新型能源系统 称为“分布式电源”、“分散能源系统”或“第二代能源系统”。新型能源系统是 主要使用天然气的小型热电冷联产系统，它具有三个密不可分的特点：一是主要使 用天然气，二是冷热电联产，三是机组小型化。该系统具有很多优点，如投资小、 见效快、不用长距离传输、几乎没有输能损耗，能源利用率可达到8090%，而且还 可以参与电力调峰。 8、投资经营市场化。为提高效率、降低价格、改善服务、合理配置资源，西方 国家已经实现了供热反垄断：国家资本逐步退出热源厂和管网，引入私人资本和竞 争机制，热源厂、管网建设及运营均实行招投标，对中标者实行特许经营权制度。 近年来，这些国家能源市场化又有新发展，主要是扩大国际开放。欧盟最近在法国 斯特拉斯堡举行会议，通过了有关能源市场自由化的一揽子议案，要求欧盟个 成员国在年之前放开电力和天然气的商业用户市场，在年之前放 开个人用户市场，以改变目前欧盟能源市场的分割现象。 1.2 1.2 中国热电联产的发展前景 我国长期以来一直重视发展热电联产工作 【6】。早在建国之初，大规模经济建设 开始时，就建了一大批区域热电厂，到1960年左右，其单机6000千瓦及以上供热机 3 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 组占火电机组总容量的20%，居较高水平。后来由于有些热电厂热负荷不足，经济效 益未充分发挥，以及计划安排等问题，热电联产发展速度减慢。七十年代后期，鉴 于国际石油危机所带来的经验教训，唤醒了我国的节能意识，八十年代国家提出了 “节约和开发并重、把节约放在首位”的能源政策，积极鼓励热电联产、集中供热， 当时国家计委把热电联产列为重大节能措施项目，于是我国热电联产有了快速的发 展。 中国热电联产事业经过多年的发展， 已有相当规模， 到1999 年底全国6mw 及以 上供热机组装机已达1402 台， 总容量28153mw， 占火电装机12.6%， 年节约标煤量2700 万吨；减排二氧化碳量7000 万吨；二氧化硫50 万吨。但目前的状况远不能满足实 际发展的需要，由于以下的原因其发展前景十分广阔。 1、节约能源工作的需要。中国是产煤大国，也是煤炭消费大国。在最近一个时 期仍以燃煤为主。众所周知中国近期国民经济发展较快，能源需求量大增，以前能 源生产和消费基本是平衡的，但从1993年开始成为能源净进口国。据预测中国未来 能源供需缺口将越来越大，在采用先进技术，推进节能，加速可再生能源开发利用 以及依靠市场力量优化资源配置的条件下， 2010年约缺能8%， 到2040年将缺24%左右。 热电联产能有效地节约能源，在中国已被越来越多的人所认识，政府有关部门也确 定为优先发展的产业，因而发展潜力巨大 【7】。 2、能源结构调整的需要。中国目前正处在重新考虑能源发展战略的关键时期。 围绕实现现代化，要求调整能源发展战略，优化能源结构，提高能源利用效率，进 一步明确和贯彻节能优先的长期能源战略，系统更新落后的高耗能的产业装备，打 破局限于国内资源考虑能源供应战略的思想束缚，把建立国际多元化能源供应体系 作为长期能源供应的战略目标，把能源优质化作为主攻方向，把天然气开发作为下 世纪能源开发的重点。 最近中国考虑能源结构调整和提高能源效率与改善环境质量， 将提高天然气比重，发展燃气-蒸汽联合循环供热。可以预计在不久的将来，随着 天然气的逐步推广，燃气-蒸汽联合循环供热将有较快的发展。中国东南部经济较 发达地区属于能源输入区，输入天然气与输入煤炭相比，天然气联合循环热电厂的 热效率高，对环境污染小，与煤电相比具有一定的竞争力，是今后天然气联合循环 的主要市场。 4 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3、环境保护的需要。中国目前的燃料中煤炭约占总量的75%，因而环保问题日 益突出。由于城乡工业的发展，环境污染越来越严重，随着人民物质文化水平的提 高，环境保护的意识越来越强，分散供热既浪费能源又污染环境已被越来越多的人 所认识，在城市和村镇要求 实行集中供热的呼声越来越高。1999 年，全国废气中 二氧化硫排放总量1857 万吨，其中工业来源的排放量1460 万吨，生活来源的排放 量397 万吨；烟尘排放总量1159 万吨，其中工业烟尘排放量953 万吨，生活烟尘排 放量206 万吨。中国现有大约43 万台工业燃煤炉，除工业窑炉和热处理炉外，工业 锅炉和民用热水锅炉约有39 万台。这些平均容量4t/h 左右，实际运行效率30-60% 的小炉子每年大约消耗3 亿多吨原煤，如果以热电厂热效率85-90%的大型锅炉替代 其中的大部分小锅炉，节约煤炭的潜力每年可达数千万吨标准煤，减少二氧化碳排 放量近亿吨。中国是一个人口众多的发展中国家，经济处于高速发展阶段，人均年 排放二氧化碳量只有2.51 吨， 远低于欧美发达国家， 但排放总量已达30 亿吨以上， 占世界总排放量的13.6%，仅次于美国排在第二位，增长速度已居世界第一位。热电 联产是减排二氧化碳的有效手段之一，如果每年热电联产能增加3000mw 的装机容 量， 预计每年可以节约288 万吨标准煤， 减排二氧化碳755 万吨， 减排二氧化硫5.76 万吨。 4、工业发展的需要。据有关资料报道：煤源消费中除发电、炼焦、交通运输和 民用煤外， 建材和其他工业的用煤的比重则占40%， 也就是说建材和其他工业用煤量 远大于发电和供热用煤量，一次能源转换成电能的比例和电力占终端能源消耗的比 例太低。 目前尚有大批可以实现热电联产集中供热的地方， 仍在由分散小锅炉供热。 热电联产的供热与工业锅炉供热相比，保证了工业用热的稳定性和可靠性，提高了 工业产品的质量和产量，普遍受到工业用户的欢迎。南方城市的热电联产集中供热 的对象是工业用户，南方的大、中、小城市几乎都规划建设了以工业为主的开发区。 发展较快的东南沿海长江三角洲地区的经济技术开发区已经达到一定规模，通过对 开发区现有热电厂调查，热电厂已成为开发区不可缺少的基础设施之一，在开发区 引进工业项目中发挥了重要作用。 5、政府的大力支持。为了更有效的节约能源、保护环境、缓解电力紧张，中央 和地方均采取一系列政策，积极鼓励和支持发展热电联产 【8】。 5 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1998 年1 月1 日起实施的中华人民共和国节约能源法第三十九条，“国家 鼓励发展下列通用节能技术：推广热电联产，集中供热提高热电机组的利用率，发 展热能梯级利用技术，热，电，冷联产技术和热，电，煤气三联供技术，提高热能 综合利用率”。政府有关部门十分重视热电联产的发展，2000 年8 月22 日由国家 计委、国家经贸委、建设部、国家环保局联合颁发了计基础（2000）1268 号关于 发展热电联产的规定 ， 为热电联产的发展提供了法律和政策保证。 规范了热电联产 项目的建设和运行，重申了以热定电的原则和审批权限，规定了全厂热效率燃煤机 组大于45和燃天然气机组大于55%， 还规定了不同容量机组热电比的要求。 这一文 件的颁布规范了热电厂的建设和运行管理，有利于热电市场的健康发展。 国务院关于酸雨控制区和二氧化硫污染控制区有关问题的批复 （国函 19985 号）的政策出台后，文件规定了在两控区内，城市附近只能建设热电厂。 国家西部大开发的重要内容之一：西电东输，东部地区的新建纯凝汽发电项目受到 一定限制， 东部地区开始在城市中拆除小型凝汽电厂， 扩建和新建较大型的热电厂； 单台200300mw 级的发电、供热两用机组（冬天供暖，夏天凝汽发电）近年在三北 寒冷地区的大型城市增加较快。 根据以上分析，我们有理由认为中国的热电联产前景广阔，市场潜力巨大。今 后中国在热电建设中，对较大容量，高参数供热机组将有较大的需求，对燃气-蒸 汽联合循环供热也将有较大发展。预计今后每年将新增供热机组300万千瓦左右。 1.3 1.3 上海发展热电联产的战略意义和现实意义 上海是中国最为发达的城市之一。上海市政府决心使上海成为我国最适宜居住 和发展的城市之一。 扩大天然气在上海的使用是上海优化能源结构的主要措施之一。 中国西部地区、东海平湖将有大量的天然气输往上海，也许还会有进口的液化天然 气。有关部门规划到2005 年，上海的天然气的年消耗量要达到30 亿立方米。我们 如何才能充分地利用好这些天然气呢？清洁的（燃气型的）热电联产将是一种解决 方案。 本市的热电联产经过多年的发展，已初具规模，目前热电联产的装机容量已超 6 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 过全市发电装机容量的17%。大型的集中式的燃煤发电模式综合能效为30-40。上 海目前平均发电效率为37左右，而先进的燃煤发电机组其最高发电效率可达 45-50%，燃天然气的联合循环发电机组的发电效率可达55。单纯发电的电站通过 大型的冷却塔，将约4060能量作为废热给释放掉了。但是，本市的热电联产机 组绝大部分是燃煤锅炉+蒸汽轮机机组，技术装备水平低，so2、nox、co2 等气体的 排放系数与先进的燃气热电联产相比都较高。这种状况，和“使上海成为我国最适 宜居住和发展的城市之一”的发展方向是不协调的。因此，燃气热电联产是本市今 后热电联产的发展方向 【9】。 我们应提倡发展清洁的热电联产系统，清洁的热电联产应满足如下条件：以热 定电：机组的建设以满足热负荷为主要目的，并符合国家有关最小热电比的要求。 能源利用率最优化:合理利用发电过程中产生的热量， 并满足国家有关最低热效率的 要求。环境污染最小化:采用天然气等清洁能源，并采取减少nox 排放的环保措施， 如使用低nox 烧嘴燃烧器等。 我们必须充分认识发展本市热电联产的重大战略意义和现实必要性,要紧紧围 绕“发挥国际大都市的综合优势，增强城市综合竞争力”的奋斗目标，以国家推进 “ 西气东输”、“ 西电东送”为契机，积极开发和推广利用清洁能源，以天然气 建设为重点， 扩大电力、燃气消费，控制煤炭消费，优化能源结构，保障能源安全， 深化能源管理体制改革，提高能源利用效率和效益，保护生态环境。 1、热电联产是落实国家规定，实施可持续发展战略的需要。热电联产是能源利 用效率较高的技术手段之一， 它在获取较高的能源转换效率的同时， 大大提高了有 效能量的输出，以较少的土地、环境、燃料和水等相关资源的代价，获取较大的能 源利用效率。对于上海这样一个单位面积能源使用量位居全国第一的地区，由于燃 气热电联产环境污染小， 可以建设在人口较为密集或用能相对集中的地区， 就近生 产输送能源， 可以将电、热等能源量的损失降到最低，从而可以最大限度提高系统 能效。 同时在能源资源平衡和持续安全供给方面， 可以有效提高城市能源环境相协 调的可持续发展的后劲。 2热电联产是保护环境的需要。上海属于国家酸雨控制区，近年来虽采取了一 系列治理措施，取得了一些减排实绩，但由于能源结构的客观条件限制（燃煤比例 7 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 达65%） 2000 年排放的二氧化硫仍达46 万吨。 根据市府环境治理行动计划要求， “十 五”期间削减二氧化硫排放量20%的要求， 我们的任务十分艰巨。 随着进一步推进创 建“ 基本无燃煤区”的计划， 以及天然气使用比例的不断上升，研究天然气有效 利用技术及其推广应用， 已经成为十分迫切的课题。燃气热电联产对于二氧化碳、 氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、粉尘和可吸入颗粒物，以及污水、废渣等 污染物的排放均可控制在较理想的状态。 因此发展清洁热电联产， 是改善城市环境 污染最可行的技术手段之一。 3、热电联产是能源安全稳定供应的需要。上海是全国最大的工业化、科技化、 信息化城市， 同时是一个能源纯消费大户。 发展燃气热电联产可以为天然气应用市 场的开发提供出路，可以减少对进口能源的依赖，同时利用燃气轮机的燃料适应性 强这一特点， 提高能源系统的安全性和应变能力。 当燃气热电联产达到一定规模时， 其燃机热电厂的用户化、小型化、分散化及其黑启动性能的优势， 有助于能源安全 稳定供应。在一定范围内， 尤其是在大电网出现重大事故时， 这些分散、独立的 电源将为电网供电的安全、应变能力的提高作出重要的贡献。 4、 热电联产是实施和支持我国西部大开发的需要。 西部大开发的战略决策， 为 中国经济持续发展和社会共同进步确立了目标。 但西部能否顺利开发， 取决于东部 能否合理、 有效地利用好西部的宝贵资源。 上海作为西气东输的下游终端大市场， 应 当在科学、高效利用天然气的应用技术领域，作出国际化大都市应有的贡献。 5、 热电联产是缓解清洁能源替代引起能源成本大幅度上升矛盾的有效手段。 燃 气热电联产是环境代价低、能源利用效率高、运行灵活、技术可靠、组合多样化的 能量转换装置，已为全世界广泛采用。燃气或燃油热电联产与单纯的燃煤炉改为燃 气、燃油炉相比， 具有十分明显的技术经济优势， 是一项切实有效的系统节能措 施。上海正在积极扩大燃气消费市场，因地制宜发展燃气热电联产，这对于推进燃 煤锅炉清洁能源改造和发展天然气消费市场有积极意义。 6、 热电联产对于推进上海燃气轮机技术及其热电联产成套设备国产化进程具有 重大意义。尽管世界范围内燃气轮机及其热电联产技术已经十分成熟，然而国内的 燃气轮机制造技术及其产业发展与世界先进水平相比，差距至少在十到十五年，特 别是在中小型燃气热电系统的应用方面，还缺乏关键设备和系统设计、应用经验。 8 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 目前，在上海有限使用的燃气轮机基本上都是进口的。许多外国公司已经纷纷抢先 占领了天然气应用技术市场， 欲以他们的先进技术和产品， 叩开了我国燃气热电 联产应用的市场大门。燃气轮机技术是当今世界能源利用技术发展的趋势，也是衡 量一个国家能源科学技术水平的重要标志， 针对上海的技术现状， 我们可以结合借 鉴国外经验的同时，走自己燃气轮机发展的道路。但是任何先进技术及其产业化的 发展，都离不开相应技术消费市场的发展，因此积极推进燃气热电联产的发展， 扩 大市场，可通过热电联产技术应用市场的发展来带动燃气热电联产关键设备技术的 国产化进程。 1.4 1.4 上海化学工业区建设热电联产电厂的必要性 上海化学工业区是二十一世纪上海经济的重要支柱和新的增长点。根据上海市 总体发展战略规划，上海化学工业区在“十五”期间已进入实质性开发阶段，采用 “一体化”先进理念，通过整合达到专业集成、投资集中、效益集约，最终将建成 亚洲第一、世界一流的特大型化学工业区。 为适应化学工业区项目建设的要求，改善化学工业区的投资环境，促进化学工 业区的招商引资条件，避免化工区内能源点的重复建设，提高能源利用率，在化学 工业区内建设热电联供电厂工程，向化学工业区热用户集中供热，所发电量全部由 上海电力公司收购。 上海化学工业区热电联供电厂是上海化学工业区内的一座供热、供电、供除盐 水的公共热电工程， 按照热电联供、 以热定电的原则向化学工业区内的热用户供热， 所产蒸汽通过专用管道，按照合同要求向热用户供汽，以保证化学工业区化工产品 连续生产的供热要求。 上海化学工业区的热电联供电厂的建设是必要的 【10】。 1、 上海电力发展的需要。 根据上述对上海电网“十五”后三年及“十一五”电 力电量的预测及电力平衡的分析，进入“十五”期间，上海一直出于电力供应紧张 局面，至1997年以后，上海电网高峰时期一致处于零备用，主要靠华东主网提供备 用，2002年华东电网出现了供电紧张局面，同时上海电网出现了拉闸限电的局面， 9 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 上海电网的缺电将会制约上海市的经济高速发展，上海化学工业区的热电联供电厂 的建设，将对上海电力的供应紧张局面，起到一定的缓解作用。 2、 西部大开发的总体战略决策的需要。 上海化学工业区的热电联供电厂的主要 燃料为国家西部大开发的重要组成部分“西气东输”的天然气，电厂的建设将有利 用落实西部天然气的下游用户，可为“西气东输”的实施创造条件。 3、改善上海电网的电源结构，减少环境保护的压力。上海电网电源结构单一， 燃煤电厂占总装机容量的95，且没有水电，只有少量的燃气机组，因此，以天然 气为燃料的燃气联合循环热电联供电厂的建设，对调整上海电网的电源结构是必要 的，同时可减少燃媒电厂给上海市环境带来的环保的压力。 4、上海化学工业区集中供热的需要。根据上海市总体发展战略计划，上海建设 一个市级的化学工业区，该工业区将是上海经济的重要支柱和新的经济增长点。目 前，化学工业区一批乙烯、聚碳酸脂和异氰酸脂等大型化工项目的引资工作已取得 突破性的进展，有的项目已由国家批准立项。根据上海化学工业区供热用汽的意向 协议，预计化学工业区一期工程建成后，需集中供热用汽量约662t/h，用电负荷为 35.5万千瓦，为提高能源的利用率，在化学工业区内建设热电联供电厂，向化学工 业区集中供热是十分必要的。 1.5 主要研究内容和特点 通过对世界热电联产的发展趋势、中国热电联产的发展前景、上海发展热电联 产的战略意义和现实意义、上海化学工业区建设热电联产电厂的必要性等几个方面 的分析和论述，明确了热电联产是今后能源合理利用的主要发展方向，而燃气蒸 汽联合循环热电联产技术与燃煤机组热电联产相比， 又具有不可比拟的优势， 因此， 燃气蒸汽联合循环热电联产必然成为未来几十年内能源电力行业的主力机组，起 着举足轻重的作用。 本文从最基础的蒸汽轮机、燃气轮机和燃气蒸汽联合循环的热力循环比较， 以及蒸汽轮机热电联产和燃气蒸汽联合循环热电联产的比较，说明燃气蒸汽联 合循环热电联产拥有的巨大优势所在， 并介绍燃气-蒸汽联合循环热力过程， 燃气 10 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 蒸汽联合循环装置的主要设备及其特点和功能。 本文以上海化学工业区热电联供电厂为例，分析燃气蒸汽联合循环热电联产 的机组配置，并确定该配置下的机组热负荷调节方式。并在当前配置的系统和设备 的基础上，进一步分析研究，提出数种可行的优化和改进方案，使燃气蒸汽联合 循环热电联产发挥更大的优势，使同类型机组和系统在设计初期就有优化配置的先 例可供参考和借鉴，对今后类似项目的系统配置有一定的借鉴作用。 11 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 燃气蒸汽联合循环装置是四十年代末开始发展起来的一种能源综合利用技 术，其特征是将具有较高平均吸热温度的燃气轮机循环（勃雷登循环）与具有较低 平均放热温度的蒸汽轮机循环（朗肯循环）结合起来，使燃气轮机的废热成为汽轮 机循环的加热源，达到扬长避短，相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水 平较燃气轮机循环或汽轮机循环都有明显的提高 【11】。 燃气蒸汽联合循环发电装置的主设备由三大块组成： 1、燃气轮发电机组。它用可燃气体（如天然气、焦炉煤气、高炉煤气或煤层气） 或油为（如轻柴油或重油）燃料，通过高温、高压空气做功发电。 2、余热锅炉。其热源为燃气轮机的排气，因此称为余热锅炉，其产生的蒸汽按 汽轮机来匹配。 3、汽轮发电机组。利用余热锅炉供给的蒸汽选配蒸汽轮机，既可配纯发电的汽 轮发电机组，也可配热电联供的汽轮发电机组。 燃气轮发电机组的用途非常广泛，以用户为例，主要是以下几个方面： 1、基本负荷运行。由于燃气/蒸汽联合循环具有非常高的效率，且重型燃机具 有很长的寿命，因此完全适合带基本负荷运行。如：天津滨海电力有限公司、深圳 南山热电有限公司、深圳美视光电有限公司等。 2、调峰运行。由于燃机的起、停时间很短，且可在额定负荷的 10%100%范围 内稳定运行，因此适合用于电网调峰。如：常州常亚发电有限公司、浙江绍兴电力 有限公司。 3、城市供热电站。燃气/蒸汽联合循环可配置供热蒸汽轮机给城市区域供热， 也可配置低参数的余热锅炉直接供热。由于燃机污染排放低，环保性能好，且占地 少，布置灵活，因此特别适合城市热电站，以满足城市环保要求。如：建于陕西省 杨凌企业示范区的杨凌燃机热电厂。 4、老电厂技术改造。用燃气轮机排气余热配置的余热锅炉替代原有锅炉，余热 锅炉产汽送到原有的汽轮发电机组，这样大大提高了电厂热效率，降低了成本，减 12 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 少了环境污染，又增加了电厂的容量。如：大连发电总厂，该厂是位于市区的供热 电厂，为了增加电厂的容量，提高效率，减少污染的排放，该厂用 2 套 ms6001b 燃 气轮发电机组、2 套余热锅炉部分替代原有锅炉，利用原有的汽轮发电机组，进行 了老电厂改造。随着“西气东输”的实施，输气管线沿线城市的热电厂均可以采用 这种改造模式来改造热电厂。 5、废气回收利用。通过多年努力，南汽和 ge 公司联合开发了 pg6561b-l 型 49.35mw 低热值气体燃料燃气轮机，将首先应用于通化钢铁集团有限责任公司和济 南钢铁公司，利用该公司对空排放的高炉煤气，掺混少量的焦炉煤气，当然也可混 入更少量的天然气，通过燃气/蒸汽联合循环发电，又供工业生活用热，经济效益显 著。该燃气轮机还可广泛用于焦炉煤气、转炉煤气、煤矿的煤层气的回收利用，也 可使用煤气化炉产生的低热值煤气，为我国低热值气体的高效利用提供了出路。该 机的燃料只要其低热值大于 1300kcal/nm3 即可。 2.1 蒸汽轮机循环、燃气轮机循环和燃气蒸汽联合循环的比较 2.1.1 蒸汽轮机循环 最简单的蒸汽轮机循环 【12】由锅炉、 汽轮机、 凝汽器和给水泵组成 （如图1所示） 。 它的工作过程如下：12过程：给水泵将凝结水压力提高，送入锅炉。23过程： 水在锅炉和过热器中吸热，由未饱和水变为过热蒸汽。34过程：过热蒸汽在汽轮 机中膨胀，对外作功，并有少量散热损失。在汽轮机出口，工质达到低压下湿蒸汽 状态，称为乏汽。41过程：在凝汽器中乏汽对冷却水放热，凝结成饱和水。 由定熵压缩过程1-2，定压吸热过程2-3，定熵膨胀过程3-4和定压放热过程4-1而构 成的一个封闭的循环，称为朗肯循环。 13 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 图1 蒸汽轮机循环及其t-s图 fig1 steam-turbine cycle and t-s diagram 2.1.2 燃气轮机循环 勃雷登循环（如图2所示）是由定熵压缩过程1-2，定压吸热过程2-3，定嫡膨胀 过程3-4和定压放热过程4-1，而构成的一个封闭的循环。工质在压气机和燃气轮机 中的过程都忽略其对外界的散热量，而视为可逆的绝热过程。在燃烧室中的燃烧过 程，忽略流动引起的压力降低，视为可逆定压加热过程。从燃气轮机排出废气到压 气机吸入空气之间认为是定压放热过程。这样就形成了封闭的燃气轮机装置的理想 循环-勃雷登循环。 图2 燃气轮机循环及其t-s图 fig2 gas-turbine cylce and t-s diagram 2.1.3 燃气蒸汽联合循环 联合循环的实质就是把燃气轮机的“勃雷登循环”和蒸汽轮机的“朗肯循 14 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 燃气蒸汽联合循环在热电联产中的应用 环”叠加在一起，组合成一个总的循环系统而已 【13】。如图3所示。 图3 理想联合循环及其t-s图 fig3 combined-cycle and t-s diagram 燃气-蒸汽联合循环热力过程：大气中的空气被吸入到压气机中压缩到一定的 压力；然后被送入燃烧室，与喷入的燃料在一定压力下混合燃烧后产生高温燃气； 再流入透平中膨胀作功，并