整体媒气化联合循环(IGCC)汽轮机的特点

2 0 0 2年 3月弟 1 期 上 海 汽 抡 机 SH NGH l TURB E 文章编号 1 6 7 1一o 8 5 l f 2 0 0 2 J O 1一O 0 O 7 0 8 整 傩爆 与 化联 合循 环 I G C C 汔轮 觚 帕 特点 朱 宝田 徐越 国家 电力 司热工研 究 院 西安 7 1 0 0 3 2 摘要 研究了 I G C C汽轮机 的热力循环特性 热力参数 结构的特 点及其滑压运行方式和相应技术 关键词 I G C C 汽轮机 热力循环 热力参数 结构 多压补汽 滑压运行 中 雷分 类号 T K 2 6 3 文献 标 识 码 A The Cha r a c t e r i s t i c o f St e a m Tur bi n e o f I n te g r a t e d Ga s i fi c a t i o n Co mb i n e d Cy c l e I GCC ZHU Ba o t i a n XU Y u e T h e r ma l P o w e r R e s e a r c h I n s t it u t e S t a t e P o w e r C o rp o r a t i o n X i h n 7 1 0 0 3 2 C h in a b dT t c t Th i s p a p e r a n a l y z e s t h e t h e r ma l c y de p e rf o r ma n c e t h e r ma l p a r a m e m s t r u c t u r e f e a t u r e s mo o t h p e r o p e r a ti o n mo d e l a n d c o r r e s p o n d i n g t e c h n o l o g y f o r s t e a r a t u r b i n e o f I n t e g r a t e d Ga s i fi c a t i o n C o mb i n e d c y de I G C C p 0 g c n c r a t i o t z Ke y wo r d s I GCC s fe a m t u r b i n e t h e r ma l c y c l e t he r ma l p a r a me t e r s s t r u c t u r eI s u p p i e me r t t a t e ua s mo o t h pa r a met er o pe r a t i o n O前言 在整体煤气化联 合循环 I G C C 中对汽 轮机的要求可归结为 经济性 可靠性 运行 灵活性 模块式结构设计等 I G C C汽轮机与 常规火力发电的汽轮机原理 相同 构造也基 本相同 但 由于其与 I G C C中其 它主要设备 煤气化炉 空分 净化系统 燃气轮机 余 热锅炉等装置系统 存在多种工质和热量 的交换 因此其热力循环特性 热力参数 结 构 变负荷特性有着 自己的特点 与一般常规 电厂中的汽轮机有一定 的差别 与常规联合 循环中的汽轮机也有差别 研究 I G C C汽轮 机的特点 特性及相应技术 可为 I G C C汽轮 机的结构设计 系统配置及最佳安全 经济运 行提供依据 有着现实的工程意义 1 I G C C汽 轮机概要 1 一般不从汽轮机 中抽取蒸汽去加热 给水 因而在 I G C C中 由汽轮机 的低压缸排 向凝汽器的蒸汽流量要 比常规汽轮机多 通 常 在常规汽轮机 中排向凝汽器的蒸汽流量 收藕 日期 2 0 0 1 0 4 0 2 作者简介 朱宝 田 1 9 4 8 一 男 1 9 8 2年毕业于清华大学 现任国家电力公司热工研究院发电新技术中心 主任 教授级 高级 工程 师 工学博 士 博士研究生导师 享受国务院政府特殊津贴 的专 家 维普资讯 口 整体煤气化联合循环 w cc 汽轮机曲特点 只有主蒸汽流 量 的 6 0 7 0 左 右 而 在 I G C C或联合循环的双压或三压式蒸汽循 环 中 排向凝汽器的蒸汽流量可能 比主蒸汽流 量大 3 0 左右 这要求汽 轮机低压 缸有较 大 的通 流能力 和较 长 的末 级 叶 片 凝 汽 器 也 要 有较大 的冷却 能力 2 在 I G C C或 联 合 循 环 的汽 轮 机 系统 中可不设 置加热 给水 的蒸 汽加 热 器 这是 为 了在余热锅炉中充分利用燃气轮机排气的热 能 余热锅炉的排气温度越低 燃气 热能的 利用程度就越高 目前在 I G C C或烧天然气 的联合循环中 余热锅炉排气 的最低温度约 8 0 9 0 这 与凝 汽器 中凝 结 水 的温 度相差 不太大 因此无需专 门设置蒸汽给水加热器 来 预热凝 结水 对给水 进行 除氧 的功 能可在 余热锅炉的给水加热系统 中完成 也可在凝 汽器中完成 汽轮机可以安装在 比较低 的基 础上 避免采用较高的厂房结构 3 为提高 I G C C的能量转换效率 汽轮 机及余热锅 炉经历 了从单 压 双压至 三压 从 无再 热至再 热 的发展 过 程 同 时 在气化 系 统及净化系统 中蒸汽 的热 能视其品位不 同 直接或通过余热锅炉在不 同位 置引入汽 轮 机 即汽轮机 为有再 热或 无 再 热 多压 补 汽 式汽轮机 这进一 步增加 了排 向凝 汽器 的蒸 汽流量 也增加了汽轮机与其它主要设备如 余 热锅 炉 气 化炉 煤 气冷 却 系 统 净 化 系 统 等 的耦合关 系 4 对 同样 型号 的燃 气 轮机 在 I GC C中 汽轮机的功率要 比燃烧天然气或液体燃料的 常规联台循环大 通常 在常规联合循环中燃 气轮机功率与汽轮机功率 的比值约为2 1 但在 I G C C中由于气化和净化系统 中利用煤 气显热而附加产生的蒸汽可供汽轮机作功 以 及燃烧发热量较低的合成煤气 及氮气回注等 因素 流经余热锅 炉 的燃 气 流量 与空 分装 置 的整体化程度有关 增 多 可 以产生更 多 的蒸 汽 根据国外现有 I GC C示 范电站 的技 术规 范 这个 比值约为 1 2 1 8 1 5 汽 轮 机 必 须 具 有 快 速 启停 的性 能 尤其是当采用汽轮机 燃气轮机 发电机单轴 布 置时 更是 如此 这 对 汽 轮机 的结 构 设 计 提 出一些特 殊要求 6 I G C C机组在正常运行时燃用合 成 煤气 而在启动时需要燃用天然气或液体燃 料 由于两 种燃 料 的组成 热 值 等有较 大 差 异 在燃气轮机燃料切换前后 余热锅炉及 汽轮机的热力参数会有所变动 这对余热锅 炉 汽轮 机 的 结 构 设 计 提 出 了一 些 特 殊要 求 7 汽轮机 采用 滑 压运行 或 滑 压一 定 压 复合运 行方 式 通常 当汽轮 机 的功率 由 1 0 0 降 到 4 0 一 1 前 汽 轮 机 主 蒸 汽 压力线性下降 此后 将维持主蒸汽压力恒定 不变 采用滑压运行方式时 余热锅炉在较 低 的压力下 可 以多产 生 一些 主蒸 汽 因此 汽 轮机可以多发出一些功率 采用滑压运行的 另一个原因是为了在部分负荷时 能够使汽 轮机的排汽湿度基本不变 蒸汽 的湿度不至 于过 大 在 滑压 运 行条 件下 汽 轮机 不 必装 设部分进汽的调节 阀和相应 调节级 这提高 了汽轮机在部分负荷时的效率 也降低了汽 轮机高压缸人 口部分在 部分 负荷时的热应 力 总之 I G C C中汽轮机 的设计 结构 参数 等必须满足和适应 I G C C高效 可靠 灵活 的 要 求 2 I G C C汽轮机的主要热力参数 在 I G C C中必须合理地选择汽轮机的循 环类型及主要热力参数 尽量充分地利用燃 气轮机的排气余热及气化系统产生蒸汽的热 能 以提高联合循环效率 I G C C或联合循环 中可采用无再 热单压蒸汽循环 无再热双压 蒸 汽循 环 再热双 压蒸汽循 环 无 再热三 压蒸 汽循环 再 热 三压 蒸 汽循 环 等不 同 的循 环 类 型 维普资讯 2 O O 2年 3月第 1 期 上 海 汽 轮 机 SHANGHA1 TU B1 NE 表 1示 出了 西 门子 V 9 4 2或 V9 4 3燃 气轮机组成的联合循环 中 六种汽轮机热力 循环的联合循环效率 的数据 表 2为 G E公 司 S T A G联台循环出力和效率随不同蒸汽循 表 1 六种汽轮机热力循环的联 合循环效率 单 位 环变化的对比 表 3为原 A L S T O M公司 V E G A 1 0 9 F联合循环不同蒸汽循环类 型的性能 参数 由表 1至表 3中数据可知 合理选择 蒸 汽循环过 程 是重 要 的 表 2 G E公 司 S T AG联 合循 环 出 力 和效率随蒸汽循环的变化 单 位 S T AG 2 0 7 EA S T AG 1 0 7F 净 出力净效率净 出力净效率 无 再 热单 压一3 7 3 7 2 7 2 7 无 再 热 双压基准 点基 准 点基准 点基 准点 再 热 双压 1 5 1 5 2 6 2 6 表 3 原 A L S T O M公司 V E GA 1 0 9 F联台循环不同蒸汽循环类型 的性能参数 在 改变蒸 汽 的循 环 类 型时 汽 轮机 的循 环效率 也在发 生着 变 化 从 而影 响联 合 循 环 的效 率 事实 上 由单 压 蒸汽 循 环 向双 压 和 三压蒸 汽循环 发 展时 余 热 锅炉 的排 气 温 度 会进一步降低 即能够提高余热锅炉的效率 这同时有增加联合循环效率的作用 在改善蒸 汽循 环 类 型 的 同 时 汽轮 机 主 要热力参数的选择是另一个重要的问题 这 里要注意 由于在余热锅炉 中给蒸汽提供 的 热能是巳定的 蒸汽过程 的效率 总是正 比于 汽轮机的出力 也 就是 说在燃气轮机确定 后 如何使蒸汽部分出力及效率达到晟高值 是 I C CC或联 合 循 环 机 组设 计 的 关键 这 一 点直接体现在汽轮机参数的确定中 多压联合循环机组和单压联合循环机组 的最佳新蒸汽参数是不 同的 这是 因为多压 系统中的低压蒸汽系统可以回收高压部分没 有利用的热能 选择高压和低压新蒸汽压力 时应考虑两个方 面 1 高压蒸汽压力必须 相对较高 以使余热利用的效率较高 2 低 压蒸汽压力应较低 以使余热利用的程度较 高 在其它参数保持不变时 蒸汽循环效率 或出力 随高压新蒸汽压力 的变化及其 随 低压 蒸汽压 力 的变 化 的趋 势说 明 高压 和 低 压蒸发器具有相反的功能 前者为了产生高 品位的蒸汽 而后 者 则 是要 尽 可 能完 全地 利 用残余的余热 这必须 在蒸发压力相当低时 才能完成 但低压蒸汽的压力也不可低得太 低 原因为 1 汽轮 机可 利用 的焙降太小 P 维普资讯 D 整体煤气亿联合循环 I G E C 汽轮机 的特点 2 蒸 汽 的 容积 流量 很 大 相 应 管 道 截 面过 大 多压循环系统与单压循环 系统一样 新 蒸汽温 度也 应 尽 可 能地 高 但 不要 太 接 近 燃 气轮机 的排 气温 度 在低压蒸发器中 较高的过热度可少许 提高效率 但完全不用过热器有利于减少蒸 发器 与 汽轮 机 之 间 的压差 即 没有 过 热 的 影 响可 以被补偿 在选择汽轮机低压补 汽的蒸汽温度时 来 自汽轮机外部的蒸汽温度与汽轮机内主流 蒸汽混合点的温度必须予以考虑 较高的朴 汽温度可以起到类似 再热 的作用 减少 由 于汽轮机低压缸内湿度过大引起的湿汽损失 和对 叶片 的水 蚀 但 若该 温差过太 则会对 汽 轮机带 来 附加 的热应 力 美 国 G E公司生产的燃气蒸 汽联合循环 中蒸汽参数的选择如表 4和表 5所示 S i e ril e r l 公司建议 的燃气蒸汽 联合循环 中蒸汽 参数的规范见表 6 表 4 G E公 司建 议 的单 压 和双 压 循环 的蒸 汽 参数 规范 循 环 型式 无再 热 有再 热 项 目 单 压 循环 无再 热双 压循 环 双 压循 环 汽轮 机 功 Mw 全 部 4 0 4 0 6 0 主蒸汽压 MP a 5 6 4 6 8 8 8 6 0 9 9 8 主蒸汽温度 5 3 8 5 3 8 5 3 8 5 3 8 再热 蒸 汽 压 M 2 0 6 2 7 5 再热蒸汽温 5 3 8 中压蒸汽压 MP a 0 6 9 0 S 3 1 0 7 2 o 3 2 7 5 中 压蒸 汽 温 2 7 0 2 8 o 3 0 0 3 O 5 低压蒸汽压 M 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 2 8 低压蒸汽温 1 6 0 1 7 0 1 8 0 2 6 O 倘 若燃 气轮 机 的排 气 温度低 于 5 6 8 0 c 主 蒸 汽 温度 应 比排 气 温度 低 3 0 维普资讯 2 0 0 2年 3月第 1期 上 瘁 汽 抡 机 S H A N GH Al TU R 日N E 1 1 表 6 S i e a e n s 公 司建议的蒸汽参数的规范 G E公 司的燃 气蒸 汽联 合循 环 一般是 根 据燃气轮机的排气温度来选择蒸汽循环系统 的 当排气温 度低 于 5 3 8 c时 不宜采用再 热循环方案 但它们可以是单压的 双压 的或 三压 的循环系统 较先进的燃气轮机的排气 温度已增高到 5 9 3 就应考虑采用再热三 压蒸汽循环方案 然而 再热多压方案机组 的造价较贵 还要对燃料价格 负荷因素等进 行综合技术经济分析后予 以选择 由表 5可 知 在再 热 三 压蒸 汽 循 环 系统 中 中压蒸汽 的压力 与再热蒸汽 的压力为相 同 这股蒸汽混合后 进人再热器内再热到设 定 的温度 然后进到汽轮机 的中压缸 中去膨 胀做功 从表 4至表 6中可以发现 在联合 循环 中汽轮机 的主蒸 汽压 力 一 般 不是 很高 通常介于高压或次高压的范围内 这是 由于 在考虑选择主蒸汽压力时 需要综合考虑 以 下诸方面的影响 1 对汽轮机效率的影响 2 对余热 锅炉余 热利用 率 的影 响 3 对汽 轮机做功量的影响 通过主蒸汽流量和补汽 蒸汽流量的影 响来体现 4 对汽轮机排汽 湿度的影响 5 对整个 联合循环性 能的影 响 I G C C汽轮 机的滑压运行方式 由废锅 余热锅炉和汽 轮机组成的蒸汽 系统在 部分负 荷 工况 下 的性 能 对 整 个机 组 的经济 性影响很 大 当机组 负荷发 生变化 或 环境条件发生 变化时 燃气 轮机的排气 质量 流量和温度会发生相应变化 余热锅炉 的蒸 汽 产量和参 数 将发 生 变化 同时废锅 产 生 的 蒸 汽量和参 数 也将 发 生 变化 汽轮 机将 处 于 变工况运行方式 使蒸汽系统 的效率及负荷 发生变化 余热锅炉的特性对燃气轮机排气 流量和参数的依赖性很强 即余热锅炉的变 工况性能与燃气轮机的运行调节方式相关 同时 余热锅炉 的特性还与汽轮机的运行方 式直接相关 汽轮机在部分负荷时有几种不 同的运行方式 定压运行方式 滑压运行方式 及复合运行方式 运行方式的选择不仅与汽 轮机本 身 的特 性有 关 而且 要 考虑 机 组 总 的 负荷 和效率 在常规蒸汽电站中 汽轮机多采用定 参 数运行 即进汽压力 和温 度不 随工 况而 变 在 I G CC及 联 合 循 环 中 变 工 况 时 汽 轮 机 的 进汽参数 是变化 的 即采用滑压运行方式 采用滑压运行方式的原因为 来 自余热锅炉 的蒸汽温度受燃气 轮机排气 温度所制约 且 一 定低 于该排气 温度 一般燃气 轮机在设 计 工况下的排气温度约为 4 0 0 5 9 0 在部分 负荷时有可能降至 3 0 0 C以下 汽轮机若采 用定温运行 则只能取较低的温度 从而严重 降低汽轮机的循环效率 故合理的是采用变 温运行 即不控制蒸汽初温而让它随着燃气 轮机排气温度的变化而变 在设计工况时蒸 汽温度较高 具有较高的循环效率 在上 述 变温 运 行情 况下 进汽 压 力 若 为 定压 由于进汽温度在低负荷 时降至较低 的 数值 汽轮机的排汽干度将明显降低 汽轮机 维普资讯 偿 整体煤气化联旮循环 I G C C 汽轮机的特点 低压部分蒸汽的湿度增加 对末级叶片的水 蚀作用加剧 既降低了汽轮机效率 又降低 了 叶片的安全 可靠性 因此 采用随负荷的降 低而降低的变进汽压力是适宜的 滑压 运行 即能满 足这一 要 求 这时 进 汽 调 节 阀 全开 进汽压力随负荷的降低而降低 汽轮机不需 要喷嘴调节配汽机构和调节级 简化了结构 且使设计工况时汽轮机 的效率得 到提高 部 分负荷时避免了喷嘴调节 的局部节流损失 但在负荷较低时 需综合汽轮机 与余热锅炉 的运行特性 即在负荷较低时进汽压力不能 过份降低 最终进汽压 力将在一较低 的压力 p 下保持不变运行 上述复合 滑压运行对 应 的进汽调节 阀开度 可描 述 为 在设 计 工况 及随后 的降 负 荷过 程 中 进 汽 调节 阀保 持 最 大开度位置不变 当压力降至 p 时阀门才 开始关小 使进汽压力保持在 p 一 下运行 当采用滑压运行 方式时 余热锅炉在较低压 力下可多产生一些蒸 汽 汽轮机可 以多发 生 一 些功率 出于经 济性 安全 性 及 整体 匹 配特 性 等 方 面 的考 虑 I G C C 中 的汽 轮机 采 用 全 周进 汽 多 压补 汽 的 设 计 在 滑压 或 复合 运 行 方式 下运行 4汽 轮 机 燃 气 轮 机 发 电机 的 布置 在 I GC C或联台 循 环 中 汽轮机 燃 气 轮 机 和发 电机 的布 置 可有 多种 选 择 既可 以用 一 台燃气轮机与一台汽轮机匹配 也可以用 多台燃气轮机与一台汽轮机匹配 后一种情 况联合循 环 的总 功 率是 比较大 的 且 有利 于 改善在部分负荷工况下的效率 因为在部分 负荷工况 时 可 以停运 若 干台燃气 轮机 从 而 使未停运的燃气轮机能够在较高的燃气初 温 下工作 当一 台燃 气 轮机 与一 台汽 轮机 匹配 时 二者可 以与发 电机 串联 在一起共 有一 台发 电 机 也可以由燃气轮机与汽轮机分别带动各 自的发电机 前一种方案可节省投资费用 但当汽轮机故障或需要检修时 燃气轮机无 法单 独运行 多台燃 气轮机 与一台汽 轮机匹 配的联合循环 由于无法采用多机串联共有 一 台发电机 的方案 只能采用多轴布置 将 燃气轮发电机与汽轮发电机分开布置的一项 优点是可使电厂能够分阶段建造 首先 燃气 轮机发电机可独 自安装并投运 然后 增设余 热锅 炉 和汽 轮 发 电机 这 样 就可 把从 售 电 额中获得的初期利润投资到随后的建设阶段 中 另一项优 点是实现 了经 烟囱的旁 路运 行 该烟 囱是为最初的简单循环运行而建造 的 这就实现了负荷的灵活性 在相 同额 定容 量 时 单轴 方 案 在 成本 方 面低于多轴 1 1 方案 通过将 主设备融 单轴机组 减少了外 围部件的数量 提高了性 能和可靠性 并且 减少了系统设备 土木结 构和电气设备的数量 并简化 了自动化系统 结果 不仅使电厂成本和运行成本得到降低 而且 使建设 时 间也得 到缩短 单轴型与多轴型这两大类布置有其各 自 的特点 当机组 的总 容量 确定 后 这两 类 布 置的机组包含有两种可比形式 形式一为一 套单 轴型机组 中燃气 轮机容量 等 于多轴型机 组中燃气轮机容量之和 含 1 1 1 建制 的 多轴型机组在 内 形 式二为单轴 型机组 中 的燃气轮机与多轴型机组中的燃气轮机完全 相同 不 含 1 1 1建制 的多轴型机组 对于形式一和形式二中机组两类布置的比较 见表 7 通 过表 中各 因素 比较 结 合 所 确定 的总 装机容量 可选择的主机 燃气轮机 余热锅 炉 汽轮 机 发 电机 等 场地状 况 场地 大 小 冷 却 水 源 自然 及环 境 条 件 等 电 网负 荷现状 和 发展规 划 等 经 过 定量 分 析 比较 即 可确定最佳的机组构成与布置方案 从而使 机组 更经 济 安全 可靠 灵 活地运行 维普资讯 2 0 O 2年 3月第 1期 上 海 汽 轮 机 s HA N GH A I T UR B I N E 3 裹 7 单轴型与多轴型 两类布置的比较 注 1 n 燃 气轮 机 台数 2 按机 组 耷 温 热 态之分 5 I G C C汽轮机 结构 的特 点 由于 I G C C及联合循环 中燃气轮机具有 快速启停和变负荷能力 其汽轮机的设计也 应适应这种快速变负荷 的能力 同时还不影 响其带基本负荷的性能 在结构上有如下特 征 和特 点 1 尽可能加强汽缸的对称性 汽缸上 各种进汽管道及汽封抽汽 口及其系统设计应 尽可能满足此要求 主蒸汽导 管 主蒸汽控 制阕及关断阀 再热蒸汽控制阀和关断阀 二 次蒸汽控制阀和关断阀一般都设置两个或两 组 并对称地布置 2 与凝汽器相连的快速旁路系统也要 设计得对称 并能快速动作 3 为减少启停及快速变负荷时的热应 力 高 中压缸采用双壳体结构 4 薄壁汽缸和薄法兰结 构 汽缸的几 何形状被设计为使其应力尽可能最 小 并减 少关键部位 的应 力集 中 5 汽轮机主要部件及蒸汽管道都支撑 在汽轮机中心线附近 这使负荷快速变化及 温度快速变化时可 自动保持动静部件的径向 间隙 还可 减 少 机组 的 安 装 找 中和 调 整 时 l 旬 6 采用全周 进汽结构 全周进汽使进 汽部分沿周 向的冷热均匀一致 这样在启动 增减负荷及停机时热应力均最小 7 汽轮机蒸汽补入点要考虑其与汽轮 机主流蒸汽 的温度 差 蒸 汽补 入点 的汽缸 通 流部分结构要使混压蒸 汽尽量均匀 在汽缸 整个周向均匀地进入通 流部分 避免给叶片 等带来不必要 的冲击 和热应 力 多缸型时 采用交叉管或高 中 压排汽的下半部补汽 单缸 型时 采用低 压下 半部补 汽 8 在低压 缸末 几 级 中特 别注 意除湿 和 防水蚀设计 如带有抽吸水滴功能的除湿缝 隙装置的静叶片 较大的级间轴 向间隙 在叶 顶进 口部分采用硬质合金 片或强化处理的防 维普资讯 蕾 4 整体煤气也联台循环 I G C C 汽轮桃的特点 水蚀动叶片等技术和设计 9 仔 细选择和设计各级 的轴 向间隙 采用在快速启动或停机期问 既允 许转子与 静子问有较大的胀差 同时又不影 响为提高 效率而采用的蒸汽泄漏控制技术 1 O 采用具有 良好耦合特性 的转子设 计 当温度快速变化或其它非正常因素引起 轴承高度变化时 可有效地 防止轴系过大 的 振动 稳定 轴系运行 1 1 高温级小轴径设计 使启动 变负 荷 和停 机时转子 关键部位 的热应 力尽量小 1 2 叶轮根部大的过渡圆角 减少应力 集 中 1 3 采用避免热应力与其它负荷应力 在同一部位迭加的结构设计 6结 论 整体煤气化联合循环 I G C C 汽轮机 由 于 与煤气化 炉 空分 净化系统 燃气 轮机 余 热锅炉等装置系统间存在多种工质和热量的 交换 其热力变负荷特性 比常规汽轮机复杂 得多 与联合循环汽轮机也有差别 其热力 循环特性 热力参数 结构 变负荷特性有着 自己的特点 在 I G C C中 汽轮机采用全 周 进汽 多压 补 汽 在 滑压 运行方式 或滑压一 定 压 复合方式下 运 行 本 文研 究 了 I G C C