燃气—蒸汽联合循环简介

1、燃气蒸汽联合循环在世界范 围内，使用化学燃料通 过热力动力机械发电的火力 发电量仍然 占据最高的比例。从节约资 源和保 护环境等各方面来 说，作为一种重要 的发电 装置，火力发电机组首先要求有高的 热效率。在大型 热力发电设备 中，目前技术水平比 较成熟的，能够经济 地大规模 应 用的只有燃气 轮机和蒸汽 轮机。但是它们 的热效率都不高，一般都在 3842%左右，即使最先进的燃气 轮机热效率也只能达到 42 44%，最先 进的超 临界参数蒸汽 轮机热效率也只能达到 4345%。对这两种热力机械所使用的 热力循 环进行分析。燃气轮机燃气初温很高，目前的技 术水平一般能达到13501430C，因此

2、燃气 轮机中的 热力循环平均吸 热温度高，但是它的排气温度也就是循环低温也高，一般要达到450 630C，所以燃气轮机热力循环的卡诺效率不高。蒸汽轮 机虽然循环低温较低，也就是蒸汽的冷凝温度可以降低到3033C，但是由于受到材料上的限制，它的蒸汽初温不高，在目前 的技术水平下一般难以达到600C，即使采用再热之后，平均吸热温度 也不会太高，所以蒸汽 轮机热力循环的卡诺效率也不高。进一步分析可以发现，蒸汽轮机蒸汽初温一般在535 565 C以下，所以 实际上只要有570610C的热源就可以让蒸汽轮机工作，而燃气轮机 的排气温度就很高，在排气中 蕴含着大量的 热能，能够给蒸汽轮机提供 所需要的 热

3、能。因此如果使用燃气轮 机排气作 为蒸汽轮机的热源，蒸汽 轮机就可以不 额外消耗燃料了。也就是说 ，蒸汽轮机可以回收燃气 轮机 的排气 热量，额外发出一些有用功， 这样 就相当于增加了燃气 轮机的 热 效率。如前所述，目前先进 的燃气轮机和蒸汽 轮机的热效率基本相当， 都在 3842%左右，那么，此时这 个相当于增加了燃气 轮机热效率的系 统，热效率必然比 单纯的燃气轮机和蒸汽 轮机都高。 实际上，如果把上述由燃气 轮机和蒸汽 轮机组成的系统看成一个整体， 那么在它的 热力循环中，循环高温就是燃气 轮机的循 环高温，而循环低 温则是蒸汽 轮机的冷凝温度。显 而易见，这个系统热力循环的卡诺效率

4、远远高于燃气 轮机或蒸汽 轮机热力循环的卡 诺效率。 由燃气轮机和蒸汽轮机组成的发电系统可以有多种 组合形式，它们的共 同点就是由燃气 轮机完成 热力循环的高温部分，而由蒸汽 轮机完成热力 循环的低温部分，从而 获得具有较高卡诺效率的热力循环，这样的热力 循环称为燃气蒸汽联合循环。 目前有所应用的燃气蒸汽联合循环主要包括余 热锅炉型、平行双工质 型，增压锅炉型三种基本型式。不过 ，按照目前的燃气 轮机技 术特点和 燃气初温水平，余 热锅炉型联合循 环的热效率比另两种 联合循环的高， 因此近些年来得到了快速的 发展。而另两种联 合循环除了 热效率低以外， 各自还有另外的缺点，使它 们的应用和发展

5、受到了限制。余热锅炉型燃气 蒸汽联合循环系统的组成和各部件特点 按照前面的分析，最基本的燃气 蒸汽 联合循 环动 力装置就是采用一种 专门设计 的锅炉，利用燃气轮机的高温排气作 为锅 炉的工作 热源，产生 蒸汽在蒸汽 轮机中做功的系 统。因为在这样的系统中，锅炉本身不消耗燃料， 仅仅利用燃气 轮机排气余 热工作，所以叫做余热锅炉，因此上述系统也就称为余热锅炉型燃气 蒸汽 联合循 环系统，简称为 HRSG-Repowering。在余热锅炉型 联合循环基础上还发 展出了多种衍生型式，包括 补燃锅炉 型联合循环、平行混合型联 合循环、给 水预热 型联合循环等。不过这 几 种衍生型式多数用于 对现 有

6、发电站进行联合循 环改造时应用。 作为发电设备 ，人们需要对选用的 动力装置的工作特性有足 够的了解， 包括系 统的热效率、按每公斤空气计 算的系统比功、低负 荷热效率和工 作 稳定性、以及对负 荷的相 应特性等。在一个最 简单的余热锅炉型燃气 蒸汽联合循环系统中，包含一台燃气 轮机，一台余热锅 炉和一台余 热蒸汽轮机。一般燃气轮 机和余 热蒸汽轮 机共轴工作，因为这样可以节省一台发电机，同时大容量的 发电机效率 也高。燃气轮机、锅炉和蒸汽 轮机技术都已经比较成熟了，人们对它们的性能 和运行特点也都有了足 够的认识。但是，组 成一个整体之后，燃气 轮机、 余热锅炉和余热蒸汽轮机三者之 间的工作

7、过程会相互影响、相互制约 ， 因此三者的工作性能和运行特点都会 产生一定的 变化。若要研究余热锅 炉型燃气蒸汽联合循环系统的工作特性，就必须首先分析在 联合循环 中各主要 组成部件的工作特点，以及 组成整体之后相互之 间的工作 协调 性和各自受到的影响。显然，余热锅炉的 热源，也就是燃气轮机排气的流量和温度决定了 锅炉 的工作 过程，而锅炉的产汽参数又决定了蒸汽 轮机的工作，所以余 热锅 炉型燃气 蒸汽联合循环系统的工作特点主要由燃气 轮机决定。不过，虽然在这个系统中燃气 轮机配置在工作流程的最前面，但是由于 在燃气 轮机后面增加了余 热锅炉，使燃气轮机的工作条件受到了一定的 影响，所以适合在

8、联合循环中使用的燃气 轮机，在结构、工作特点和适 宜的最佳工作参数等方面都与 单 独工作的燃气 轮机有所不同。余热锅 炉只依靠燃气 轮机排出的高温烟气工作，因此内部受 热面的组成 型式和流程布置都必 须适应使用燃气轮机排气作 热源的需要，同时还要 适应在非设计工况运行时燃气轮机排气参数的 变化，所以余热锅炉与普 通锅炉有很大的差 别。因为余热锅炉同普通的 锅炉差别很大，所以在余热锅炉中 产生的蒸汽参 数、产量和焓的分配特点都与普通 锅炉中产生的蒸汽有 较大差别，这也 必然导致余热蒸汽 轮机与普通的蒸汽 轮机不同。余热锅炉型燃气 蒸汽联合循环工作方式 对燃气轮机的影响 首先，在联合循 环中燃气轮

9、机排出的烟气要通 过余热锅炉，而余热锅 炉 工作时进口和出口需要具有一定的 压力差，这就要求余 热锅炉入口也就 是燃气轮机的排气口应该有一定的压力。燃气轮 机排气背压升高，将会 使燃气轮机的有效膨 胀比减小，排气温度升高，有效输出功率和效率相 应下降。余热锅炉中各种受 热面传热端差小，为了增加 传热率，余热锅炉内的烟 气流速比 较高，同时，余热锅炉内布置的受 热面数量 较多，流道很长，因 此在余热锅炉内烟气流的 压力损失很大，所以，在联合循环中使用的燃 气轮机涡轮出口背压要达到1.37 2.45Kpa，由此引起的燃气轮机输出 功率和绝对热效率下降值约为 11.5%。不过，采用一些特殊的措施能

10、够降低燃气 轮机排气背 压，减小燃气轮机 的功率损失。首先，为 了提高功率重量比，燃气 轮机中的工 质流速很高， 涡轮出口速度也大，所以可以在燃气 轮机涡轮出口后段，余 热锅炉进气 口之前 设置一段减速增 压的扩压段，利用扩压作用，消耗燃气轮机排气 的一部分 动能提高烟气 压力，这样就能 够在保证余热锅炉进口压力的同 时降低燃气轮机排气背压。另外，还 可以在余热锅炉出口设置引凤机。 这是因为在余热锅炉出口处烟气温度只有120C左右，在此处设置引凤 机所消耗的功率将比因燃气 轮机排气背 压升高所引起的功率 损失小。 其次，因为余热蒸汽系 统回收了燃气 轮机排气中的一部分 热量转化成了 有效输出功

11、，对于燃气轮机来说它可以起到回 热器的作用。因此，在余 热锅炉型燃气蒸汽联合循环系统中，在燃气初温相同的条件下燃气 轮 机最佳效率 压比降低了，并且当燃气 轮机的压比在最佳 值附近 变化时， 系统热效率下降幅度比 较平缓，这有利于减小 压气机的设计和制造难度， 同时还可以提高系 统的低负荷热效率。 余热蒸汽系统的当量热效率越高，就相当于回 热器的回热度越大，燃气 轮机的效率最佳 压比就越小。不过 蒸汽轮机的 热效率一般只有 40%以下， 因此余热蒸汽系统的热回收率是不高的，相当于回 热器的回热度不够大， 因此联合循环燃气轮机的效率最佳 压比仍要高于最佳比功 压比。 正是因 为发电用的大型工 业

12、燃气轮机都是为联合循环设计的，采用的是 联合循环工作方式的效率最佳 压比，所以在单独工作 时，热效率不如技 术水平相同的由航空 发动 机改装的燃气 轮机高。与单独工作的回 热式燃气轮机不同的是， 联合循环中燃气轮机的比功最 佳压比稍有下降，这是因为燃气轮机压比减小时，排气温度升高，余热 蒸汽系 统的输出功率会稍有增加。不过 作为发电设备 ，联合循环 中的燃 气轮机都采用效率最佳 压比作 为设计参数。第三，由于联合循 环的特殊工作特点，有些在 简单循环燃气 轮机以及常 规蒸汽轮机上不能采用或 难以采用的技 术却适合于 联合循环使用，从而 进一步提高系 统的热效率。比如联 合循环燃气 轮机更加适合

13、于采用中冷 再热循环，高温部件可以采用蒸汽冷却技 术等。采用中冷 再热循环能够在很大程度上提高燃气 轮机的比功，但是中冷 增加了 热量损失，再热提高了 涡轮排气温度，因此在单独工作的燃气 轮 机中采用中冷 再热循环，并不一定能够提高 热效率。但是在联 合循 环 中因为有余热锅炉回收热量，因此即使燃气 轮机排气温度升高，对机组 的热效率影响也不大，并且 压气中冷 热量也可以由蒸汽系 统回收，所以 联合循环中燃气轮机采用中冷 再热循环一般能够提高比功和 热效率。比如，ABB公司的G 26机组，燃气初温只有1260C，但是由于采用了 压气中冷和再 热循环，因此虽然燃气 轮机效率只有 38.2%，联合

14、循 环效 率却能达到58.5%,与燃气初温1430C水平的9G W5O1G组相当。 蒸汽的 换热系数比空气大， 联合循环系统本身产生蒸汽，因此在联合循 环中的燃气轮机高温部件就可以使用蒸汽冷却。通常在燃气 轮机中高温部件所用的冷却空气流量是机祖 总流量的 10 15%,在冷却叶片前为了提高冷却效果,通常 还要将其温度降低一些。在 燃气中加入 这么多冷气流,将会使燃气平均做功温度大幅下降,一般要 达到120- 180C，降低了涡轮的有效输出功率和机组的热效率。使用蒸汽冷却 时，采用的是闭式循 环工作方式，在主燃气流中不混入冷 气流，燃气的平均做功温度不会有太大的下降， 这 就相当于提高了燃气 初

15、温，从而机组的 热效率和比功都能 够得到提高。冷却后的高温蒸汽进 入蒸汽回路，进一步降低了因 为冷却 导致的损失。 另外因为蒸汽冷却是 闭式循环，使用蒸汽冷却时涡轮叶片等部件没有孔 隙，表面不开槽口，这样 不仅增加了零件 结构强度，还进一步减少了燃 气流的 扰动，减少了二次流损失，提高了涡轮级 效率，并且也能够杜绝 冷却气孔被堵塞的可能，使冷却更加 稳定可靠。GE公司的9G机组和9H机组具有相同的燃气初温、压 比和空气流量，9G 机组的涡轮叶片采用常 规的气冷设计，由于冷却引起的燃气做功温度降 低达155C,9H机组则使用高压汽缸排出的冷的再 热蒸汽和余热锅炉产 生的中 压蒸汽冷却第一 级涡轮

16、和第二 级静叶叶片，因为冷却引起的燃气 做功温度降低只有44 C,冷却后蒸汽的温度则被提高到再热蒸汽温度 水平，汇入再热后的蒸汽，进入中压汽缸做功，从而避免了冷却 热损失。 因此9G机组输出功率286MWV热效率39.5%,联合循环系统效率58% 而9H机组输出功率328MWV热效率41%联合循环系统效率达到了 60% 可以使用蒸汽冷却的零部件包括燃 烧室及其 过渡段、涡轮进 口导向喷嘴 环、涡轮动叶和静叶等。当然，当余热锅炉停运时，使用蒸汽冷却的燃气 轮机是不能运行的，这 使机组的运行灵活性受到了一定限制。如果要求在余热锅 炉停运 时燃气 轮机仍然能 够使用，就必须由单独的汽源提供冷却用的蒸

17、汽， 这可能增 加系统投资。不过多数大型 联合循环发电系统都采用余热蒸汽轮机自身 启动，要配置一台锅炉提供启动蒸汽和蒸汽轮机暖机蒸汽，因此当余热 锅炉停运时，冷却所需要的蒸汽可以由启 动锅炉提供。最后，联合循环工作方式还要影响燃气轮机功率输出轴的安装位置。为了输出电功率，必须在燃气轮机轴上安装发电机。在压气机前方安装 发电机，有可能会增加压气机进气阻力，因此绝大多数单独工作的燃气 轮机都是从高温端输出功率的，也就是在排气侧燃气涡轮后安装发电机, 特别是采用自由涡轮设计的燃气轮机。但是当燃气轮 机配置余热锅炉组 成联合循环时，因为涡轮后排气侧要安装余热锅炉，如果此时在涡轮后 方安装发电机，必须采

18、用较大的转折气道使烟气转向，并加长输出轴， 使传动轴从烟道壁面穿出，这样轴端密封要承受排气高温作用，设计难 度大，另外烟气流动阻力也增加了。联合循环装置一般都是地面使用的大型 发电设备，为了改善压气机工作 条件，压气机进口都装有空气过滤器，空间很大，即使在压气机进口前 方安装发电机，也不会增加进气阻力。因此，目前专门设计 的工业重型 联合循环机组，趋向于采用从冷端 输出功率的方式。不过原来设计不是由冷端输出功率的燃气轮机，组成联合循环并在冷端 输出功率时要进行相应的改造，必须加长压气机轴，满足安装发电机的 要求。同时还要注意，因为组成联合循环系统后装置的输出功率比燃气 轮机单独工作时的大，需要

19、从轴上输出的扭矩增加，所以必须校核轴系 强度，如果强度不够，必须对传动轴进 行加强，采取专门的措施或者重 新设计，使它满足传递联合循环输出功率的要求。为了简化结构，大型发电用燃气轮机一般都采用单轴设计型式，能够方 便地从冷端 输出功率。但是因为压 气机转子部分的 轴系强度是以 压气机 耗功功率作 为设计扭矩的，所以从冷端 输出功率 时必须采取相应的措施 加强压气机转子强度，如果设计不好，可能会出现一些问题。比如GE公司一台7FA系列机组，在改成从冷端输出功率时采用了增加 拉杆 预紧 力的方法来增加 压气机 轴系强度。在经过长时间 运行后，由于 受到反复机械 应力以及交替冷 热应力作用，拉杆螺栓

20、的 预紧力减小了， 此后压气机转子各轮盘间出现了松动，甚至发生了位移，破坏了转子的 动平衡条件，从而使机 组在运行时振动严重，在运行一定时间之后压气 机静子和转子发生了轻微的摩擦和碰撞，最 终出现了某些静止部件的开 裂。据GE公司宣称，7F/9FA机组的上述故障已经排除。但是是否已彻底 解决，从用户的观点来看，尚待今后长期运行结果的考验。由高涵道比 涡轮风扇发动机改造的燃气 轮机，低压涡轮轴 功率本来 就是通 过高压级转子的中心孔通到 发动机前面的，因此结构上可以不作 太大的改 动。但是原设计 中传动轴所传递的轴功率是按照燃气 轮机功率 选取的，因此在组成联合循环时轴 系强度可能不 够，同时受

21、到原来的 结 构设计限制，传动轴的直径是较难增加的，必要时只能采用更优质的材 料。采用自由 涡轮设计 ，而自由涡轮高一级的转子又没有中心孔，并且不允 许加工中心孔的燃气 轮机，一般不能在冷端 输出功率。余热锅炉与普通 锅炉的差别 首先在热力性能和汽水流程方面余 热锅炉同普通 锅炉的差别很大。普通锅炉进气温度是环境大气的温度，是比 较低的，所以通常设置空气 预热器回收低温低品位的 热量，这样能够允许蒸汽轮机的 给水使用抽汽 回 热加热，以提高蒸汽 轮机效率。而余热锅 炉进口的是烟气而不是空气， 不能安装空气 预热器。为 了尽量降低余 热锅 炉的排气温度，提高余 热锅 炉的当量 热效率，从冷凝器出

22、来的冷水直接 进入锅炉吸热。 余热锅 炉中烟气最高温度 较低，是燃气轮机排气温度，一般只有 550 620C ,单位重量燃气含有的 热量有限，所以同样烟气流量的余热锅炉 蒸 发量比普通 锅炉小，也就是汽气比小。余热锅 炉中汽气比一般在 0.10.25 左右，而普通锅炉中大约为 0.81.2。在锅炉内的 换热过程中，烟气的温度是直 线下降的，而水汽系 统的温度 上升规律则是折线，折线的水平部分就是水的蒸 发过程。在换热过 程中 任何一点的烟气温度必 须高于同位置的水汽温度，因此初始蒸 发点二者 之间的温度差也就是 节 点温差必 须大于零。一般在余热锅 炉中，节点温 差在8 20C，接近点温差在5

23、20C。此后，如果汽气比足够大，那么 在蒸发器后的 换热过 程中烟气温度和 给水温度就能 够平行下降，从而使 烟气排出锅炉的温度能 够降得很低。但是因为 余热锅炉中的汽气比小， 所以在蒸 发器后，烟气温度下降的速度比 给水温度上升的速度慢，也就 是说在蒸发器后烟气温度与 给水温度的差 值将越来越大。所以，在余热 锅炉中即使给水完全使用烟气加 热，烟气的最终排放温度还是比较高的， 一般要达到160 200C。而联合循环一般都采用天然气作燃料，烟气中 不含腐 蚀性物质，所以余热锅炉排烟温度允 许降得很低。 为了进一步降低烟气的排放温度，提高余 热锅炉的当量热效率，在大部 分余热锅炉中不 仅加热主蒸

24、汽给水的热量完全由烟气提供，并且有 时还 采用双压或三压汽水发生系统。在这 种系统中，余热锅炉除了产生高温 高压的主蒸汽以外， 还额外产生一种或两种低温低 压的蒸汽，以增加汽 水系 统在余 热锅 炉低温段的吸 热量，更加充分地降低烟气的排气温度。 从理论上解释，这是增加了低温段的汽气比，因此使烟气低温段的温降 曲线更加陡削，锅炉出口烟气温度就可以降得更低。根据余 热锅炉汽水系 统压力等级设置的不同，可以分为单压、双压 和三 压方式。采用双压 汽水 发生系统时余热锅炉排烟温度可以降低到 127 145C，而采用三压汽水发生系统排烟温度则可以降低到80 90C。为 了提高余热蒸汽循环的平均吸 热温

25、度，高压汽缸出口蒸汽也可以在余 热 锅炉中采用再 热，因此余热锅炉最常用的蒸汽循 环流程就可以分 为单压、 双压、双压 再热、三压 和三压再热五种。因为余热锅炉中烟气最高温度 较低，单位质量烟气所含有的 热能少，所 以即使排气温度比普通燃煤 锅炉排气温度低，余 热锅炉的 当量 热 效率也 不高。一般上述五种汽水系统 余热锅炉的当量 热效率分别可以达到 7075%、7578%、8082%、8285%、8390%。当使用的燃料中含有硫成分 时，为了避免在低温 换热器处析出酸露腐 蚀 换热管簇，锅炉排气温度应高于腐蚀物质露点温度10C以上，一般要达 到160 180C,此时余热锅炉的当量热效率可以降

26、至65眩右。其次，正因为余热锅炉在热力性能和汽水流程方面同普通 锅炉的差别很 大，所以它的结构也会与普通 锅炉有很大的差 别。因为余热锅炉进口的是 热气流，而从冷凝器出来的冷水直接 进入锅炉吸 热，所以要在余热锅炉中出口段安装 给水预热 器，而不是安装空气 预热 器。汽水流程方式的不同也 导致锅炉内受 热面的种 类和布置与普通 锅炉有 所差别。在三压 再热式自然循 环余热锅炉中，高温烟气先 经过过热 器和 再热器，然后依次 经过高压蒸发器、中压 蒸发器、二级 高压省煤器、中压 蒸 发器、初级 高压省煤器、中压省煤器、低压 蒸发器、低压 省煤器，最后 流出锅炉。通常，余热锅炉出口主蒸汽 压力比余

27、热蒸汽轮机进口主蒸汽 压力高 3% 左右，温度则高34C。再热蒸汽压力比高压涡轮出口再热前的蒸汽压 力低1214%比中压涡轮进口蒸汽压力高2.5 3%温度高2 3C。 余热锅炉中的最高烟气温度低， 换热端差小，所以在换热量相同的情况 下就要求有更大的受 热面积，通常使用小直径的螺旋 鳍片管来制作 换热 面。为 了提高余 热锅炉中 传热系数的的同 时减小烟气流 动阻力，要采用 适当的管 间距，合理的鳍片高度及 节距。 余热锅炉要有较低的压阻损失，以便尽量降低 对燃气轮机输出功率的影 响。这样 就导致了余热锅炉的体积和重量比具有相同 换热量的普通 锅炉 大一些。同时 ，在余热锅炉进口设置减速增 压

28、的扩压段也增大了 锅炉容 积。为了增加传热系数，余热锅炉中采用 较大的烟气流速。因为 烟气流速大， 湍流度大，虽然加大了 传热系数，但也会使烟道和管簇振 动，并且会磨 损隔热层，并使烟气偏流。为 此有必要在烟道中装 设导流板。 为了发挥燃气 轮机启动快的 优势，余热锅 炉也 应该 具有快速启 动能力， 通常要求余 热锅炉冷态启动时间为 2030 分钟。因此，余热锅 炉应该 有小的 热惯性。以允许 在启动过程中有较快的升 压速度，改善余热锅炉 的快速启 动性和对负荷变动的快速适 应性。 为了适应余热锅炉的快速启 动要求，必须解决启 动过程中的管簇等零部 件的热膨胀问题，因此一般管簇采用吊装的方式

29、，同 时还要尽量减 轻受 热面重量。重量轻 不仅可以减少 热惯性，还能够节省材料和造价。 采用小直径的 鳞片管来制作 换热面也有利于减小 锅炉的的 热惯性。 燃气轮机的工作能力并不受余 热锅炉的限制，所以有时为了增加 电厂的 可利用率，要求余 热蒸汽轮机检修 时燃气 轮机能够单独工作。这 一般有 两种方法 :其一是燃气 轮机的出口段 设有旁通阀，当燃气轮机单独工作 时排气由旁 通阀排出。这样还 有利于 对余热锅炉进行检修。但是，因为 旁通阀不可 能关闭得很严，在余热锅炉系统正常工作 时一般会有 0.5 1%的烟气泄 漏，这一般会降低机 组绝对效率 0.2 0.4%。其二是要求余 热锅炉有一定的

30、干 烧能力。比如西门 子公司 设计的余热锅 炉就要求可以在烟气初温 475C下干烧240小时以上。自然循 环锅炉不设置循环泵，因此耗电量少，所以近年来越来越多的人 认为自然循环是余热锅炉更合理的 选择。不过 ，在自然循环锅炉中，由 于要组织好汽水流程，所以烟道中需要加一些 挡板，因而会增加烟气的 流动损失，增加燃气轮机排气背压。而强 制循环锅炉中换热面的布置受 到的约束少，烟道的外形比较规则，结构上便于采用 标准化元件和大型 模块组件，制造成本和安装 费用都比较低，燃气流动阻力小，并且热振动问题也容易解决。通常认为对 于担负基本负荷的机组，采用自然循环余热锅炉能够减少厂 用电耗量，从而提高系

31、统发电效率。但当机组 启停频繁时，采用强制循 环是比 较合理的。通常，余热锅炉造价中大 约 4050%是换热器费用，其它 5060%则不 受换热器面积大小影响。余热锅 炉中换热面的 传热系数较小，因此驱动 同 样功率的蒸汽 轮机就要求有更大的受 热 面积，所以与蒸汽轮机功率相 同的普通 锅炉相比，余热锅炉造价也高一些。当然，因为燃气 轮机通常使用天然气或 轻质燃油作燃料，排出的烟气比 较洁净 ，灰尘和二氧化硫含量很少，所以余 热锅炉中一般不需要 设置除 灰、脱硫等净 化装置，所以相比于蒸汽 轮机功率相同的使用煤作燃料的 普通锅炉，余热锅炉的造价 还是比较低的。为了进一步降低制造成本，并便于运

32、输和安装，目前余热锅 炉多采用模 块化的设计和结构型式。余热蒸汽轮机系统的特点根据联合循环的工作特点，余 热蒸汽轮机在工作性能、工作参数、工作 特点乃至结构上都与普通的蒸汽 轮机有很大的差 别。为了提高余 热锅的当量 热效率，余热蒸汽轮机不采用抽汽回 热，有的余 热锅炉还要额外产生一定数量的低温蒸汽，因此余 热蒸汽 轮机低压段蒸 汽质量流量要比高 压蒸汽质量流量大，低压涡轮流通面积更大。同时 冷 凝 质量流量就要比具有相同功率的普通蒸汽 轮机冷凝流量大得多，冷凝 器换热 面积也大。一般情况下 联合循环的蒸汽 轮机与燃气 轮机共轴工作，因为这样可以节 省一台 发电机，但是共轴工作就要求在启 动时

33、一起加速。燃气轮 机启动 和加速快，而蒸汽轮机部件厚重，如果快速提升功率，因 为工作温度升 高得太快，会产生较大的热应力，要使余热蒸汽轮机能够迅速启动，快 速加载，就必须在结构上采取一定的措施减小 热应力。例如 : 尽量保证 气缸的对称性，壁厚尽量均匀；各管道、阀门 与凝汽器相 联的快速旁路 系统也要设计 得对称；与冷凝器相连的快速旁路系 统也要设计得对称； 所有压力级应保证全周进汽，同时疏水系 统特别是低压部分的机内疏水 应保证畅通，并入机外系 统，外接管道也应尽量 对称布置。另外，叶轮 根 部采用 较大的过渡圆角，特别是高温部分的叶片；在尽量减少 对级效率 影响的前提下适当加大 动静部件

34、间的间隙；动叶顶部尽可能使用 围带或 多齿汽封；高温区的主轴直径减小一些；末级动叶片特殊 设计，使其满足 频繁、快速启动的要求；高、中压 汽缸 应采用双壳体 结构。汽缸后支点应 采用柔性支撑， 转子最好能采用没有中心孔的整体 锻造结构。 工业型燃气轮机的启动只需要 520分钟，而即使采用了相 应的措施后 余热锅炉冷启动也需要 3090分钟，余热蒸汽轮机冷启动则需要 90 120分钟。在实际 运行中，为了能够快速加挂 负荷并减小 热应力，通常在 冷启动时对蒸汽轮机进行较长时间的暖机冲 转。暖机一般使用参数较 低 的蒸汽，通常由专门设置的暖机 锅炉提供。另外，普通蒸汽 轮机下方安装有抽汽回 热给水

35、加热器，而余热蒸汽轮机 不采用抽汽回 热，因此结构得到了 简化，允许安装在较低的基 础上，厂房高度也可以减小。余热锅炉的工作特点 还严重制约了余热蒸汽系 统的工作性能。 首先，余热锅炉中能够得到的最高蒸汽初温 严重受到燃气 轮机排气温度 的限制。由于锅炉内受热面必须有一定的 传热端差，因此在锅炉中所能得到的最 高蒸汽温度就要比 锅炉中的最高烟气温度低一些。设计 良好的余 热锅 炉， 主蒸汽过热器传热端差一般在25 40C。也就是说，在余热锅炉型燃气 蒸汽联合循环中，燃气轮机排气温度至少 应该比余热锅 炉产生的主蒸 汽温度高2540 C。比如，若想得到温度为540 C的蒸汽，燃气轮机排 气温度至

36、少要在570C以上。如果燃气轮 机排气温度低的 话，就不可能 产生温度较高的蒸汽，这样必然会严重影响余热蒸汽轮机的效率。 不过，相比之下中压和低压蒸汽可以有 较高的相 对初温，一般它们比相 应处的烟气温度低1012C，温度值与普通蒸汽轮机基本相同。 其次，与相同功率的普通蒸汽 轮机相比，余热蒸汽轮机的主蒸汽 质量流 量小，而冷凝蒸汽 质量流量大。这是因为余热蒸汽轮机不采用抽汽回 热，有时余热锅炉还要产生一定数 量的低温蒸汽，因此当主蒸汽 质量流量相同 时，余热蒸汽轮机低压流通 部分蒸汽 质量流量就比普通蒸汽 轮机中的多，所能发出的功率也大， 换 句话说，与相同功率的普通蒸汽 轮机相比，余热蒸汽

37、轮机的主蒸汽 质量 流量小，而冷凝蒸汽 质量流量大。以150MW勺机组为例说明各种蒸汽轮机的工作参数:双压无再热二压有再热常规有再热主蒸汽流量T/H430.920303.912449.064体积流量M3/S6.092.292.52主蒸汽参数7.0MPa/538 C12.5MPa/538C16.65MPa/538C再热蒸汽流量T/H399.168390.096体积流量M3/S14.3910.31再热蒸汽参数2.86MPa/538C4.0MPa/538C二次蒸汽流量T/H104.32845.360体积流量M3/S11.194.85二次蒸汽参数0.65MPa/204C0.55MPa/200C冷凝流量

38、T/H535.248444.528294.8406.67MPa 背压 M3/S2676.22344.91484.0由此可见，双压无再热余热蒸汽系统冷凝流量要比相同功率的常 规有再 热的普通蒸汽轮机大将近一倍，三压有再热的余热蒸汽系统冷凝流量也 要比相同功率的普通蒸汽 轮机大60%左右。冷凝流量大，冷凝器的工作 负荷就大。在不设置暖机锅炉的系统中，由于蒸汽轮机暖机冲转时汽耗量较小, 而燃气轮机有一个最低稳定负荷，在最低负荷时余热锅炉的产汽量也要 大于暖机所需的耗汽量。为 了避免在燃气轮机启动后蒸汽轮机暖机冲转 时多余的蒸汽对空排放，减少浪费，蒸汽系统应加设旁通支路，余热锅 炉产生的蒸汽除去暖机冲 转所需的耗汽量以外，全部通 过一或二级减温 减压阀，直接进入冷凝器。另外，当蒸汽轮 机发生故障或检修时，为了能 使燃气轮机的工作不受限制，并增加 锅炉受热面寿命，也应将蒸汽直接 排入冷凝器。此时 冷凝器负荷比正常工作时大得多，因此要求余热锅炉 蒸汽轮机系统的冷凝器具有更大的容量。为了避免冷凝器重量和成本大幅上升，余 热锅炉汽轮机系统的冷凝器通 常采用具有较高冷却效果的螺纹型管，它的当量冷却面积提高了 20%汝 上，因此能够加大冷却效果，减小冷凝器体 积。冷凝蒸汽质量流量的增加，一方面限制了机组每个排汽口所能达到