联合循环发电厂的特点及发展趋势

联合循环发电厂的特点及发展趋势樊守峰程政[西北电力设计院]2003-07-25前言与常规的燃煤电厂相比较，联合循环发电厂以其启动时间短、所需冷却水量少、占地面积小、建设周期短、环保效益明显，可有效地调整电力需求峰值等诸多优点而备受世界各国的重视。近二十年来，美国、日本、英国、法国和韩国等国家都在大力兴建联合循环发电厂。在日本联合循环发电容量近五年内将翻一番[1]。我国的香港特别行政区建成世界上最大的联合循环发电厂-香港龙鼓联合循环电厂，设计容量为8台32万kw机组[6]。随着人们环境意识进一步地增强及黄金时间用电负荷需求的不断上升，在我国很有必要在天然气丰富地区大力发展联合循环发电厂。1联合循环构成方式及其各自的特点1.1按照燃烧方式的不同可分为：(1)排热回收型图1为排热回收型联合循环发电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)系统简单；(b)燃气轮机出力高；(c)启动时间短；(d)系统总效率与燃气轮机入口温度有关，即燃气轮机入口温度愈高，系统总效率愈高；(e)汽轮机不可能单独运行。(2)排气助燃型图2为排气助燃型联合循环发电厂要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)助燃量越大，汽轮机出力越大；(b)启动时间短；(c)汽轮机不可能单独运行；(d)助燃燃料量越大，凝汽器凝结水量越大。(3)排气再燃型图3为排气再燃型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)汽轮机出力大；(b)在利用全部燃气轮机排气的情况下，全厂效率最大；（c）锅炉燃料消耗量与燃气轮机燃料消耗量无关；（d)燃气轮机和汽轮机可以单独运行；（e）运行控制系统复杂(4）增压锅炉型图4为增压锅炉型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：(a)汽轮机出力大；(b)锅炉燃料消耗量受燃气轮机的限制；（c）燃气轮机和汽轮机不可能单独运行；（d）增压锅炉传热效率高，因此锅炉的传热面积及体积减小，但锅炉的耐压性要求高于其它锅炉。(5)给水加热型垮宋图5为给乞水加热型联岩合循环电厂的主要系统构兄成简图，这旬种构成方式样的特点是：费瓶(a)系目统简单；弯育(b)汽这轮机出力大巷；自但(c)锅捐炉燃料消耗珠量与燃气轮魔机的燃料消毁耗量无关；重膛(d)燃映气轮机和汽凳轮机可以分边别单独运行兰。霞昏1.2按疮照燃气轮机列与汽轮机是继否同轴可分询为：恰蹈(1)单悼轴型刃·奇厉所谓单轴垄型联合循环沾发电是指燃陪气轮机与汽钩轮机及发电塞机是连接在蔬同一轴上(按如图6所示维CGS型)蒙，它们共同尖驱动同一台竟发电机而构接成联合循环西发电。当燃睁气轮机和汽济轮机为单轴罩刚性连接时妹，启动时汽仆轮机也必须厅被迫与燃气啄轮机一起高甚速转动。练莲单抽型联伶合循环发电长机组的安装屋顺序有两种车，即以燃气篇轮机(C：仰Combu此stion逐)-发电机溪(G：Ge趣nerat眯or)-汽肝轮机(S：派Steam越Tur-颗bine)口顺序安装的皇CGS型式涛；另一种为耕燃气轮机-测汽轮机-发素电机顺序安涛装的帕G型垒式。如日本控的九州电力累(株)新大爸1号机组是辆CGS型式朴，同厂的2卖号机组是C磁SC型式。宋然而，在C葬GS型式中债又可细分为蜜两种：GE挠公司的产品泥为CGS刚嘉性连接；而茧西门子和A外BB的产品拌为CGSS京连接，即在蛇发电机和汽股轮机之间没旷有同步离合傍器(SSS怕)。警磁(2)多坚轴型叛吴多轴型联漏合循环发电皂是指燃气轮亿机与汽轮机蜻连接在不同墙的轴上，它粗们各自驱动卖自己的发电窃机(如图7如所示)，在侵这种方式中限有一台燃气坛轮机与一台羽汽轮机相配麻套而构成联翼合循环发电先；也有两台冻或两台以上跟燃气轮机与陈一台汽轮机斑相配套而构跌成联合循环贺发电。啦唉2联合夕循环电厂主惯要设备帝证联合循环堡发电厂主要白由燃气循环恭系统、汽水恨循环系统和键介于两者之扁间的余热锅斗炉这三部分陪组成，以下殃分别简要介晋绍这三部分族中的主要设女备。策赌2.1遵燃气循环系选统党谨(1)燃邪气轮机晚层燃气轮机鼓是将燃料燃叫烧后的热能侮转化为动能辜的设备。典沿型燃气轮机硬的主要性能攀参数如表1滴[2]昨所示。通常盾意义上的发烤电用燃气轮隆机主要包括伟燃气轮机本妻体、空气压会缩机、燃烧攀器、启动装五置、润滑油对系统等相关刺设备组成。漂型号重MF-11辨1（B）榴501F永701F体PG654腰1誉PG719僵1头PG928仓1港基本负荷（尤MW）辱14.6蚊153.2谨221.北1庄38.3储159袭226.5甲基本负荷下箩的热效率霸31.0趴35.2伞36.1客31.4伪35.9组35.7割空气压缩机坊级数烟16亩16兼17企17套18敢18北燃气轮机级华数遇3码4假4嗽3漠3陈3竹燃烧器数疯8栋16势20辉10而14革18班转数（rp惭m)依9，660霸3，600蒜3，000辩5，100刃3，600液3，000脚排气量（t班/h)就203剪1，574末2，267废501馋1，500金2，160屡排气温度（嚼o案C)蔽530痛578所563星539衡582丈583辽眼注：上表芝中的数据是信在如下条件惧下取得的：未锻(a)大归气温度为1伤5经o寺C，大气压喊力为1.0慎33ata晨；粮尝(b)燃捡料是气化了贝的液化天然坑气；局拢(c)热耀效率是按照意低位发热量么计算而得；截裂(d)排烦气流量和排尽气温度是燃彩气轮机在基织本负荷时的刘数据。酒岂(2)燃智烧器肢她燃烧器是咐燃气轮机的载一个非常重奥要的设备，距它是实现燃专料燃烧、降模低燃气轮机若排气中氮氧坝化物含量的急设备。目前肾世界上各大康燃机生产厂筝都十分重视津开发研究新验型的燃烧器粗，以便满足双日益受到人腰们关注的环短境保护要求委。目前常见保的有干式燃殿烧器和湿式钟燃烧器。本载(3)空裁气压缩机增蹲空气压缩牲机是向燃烧烟器提供足够饿的燃烧空气回的设备。为病了进一步提疫高燃机容量驻和效率，就岁应开发具有现高效、大压册缩比的空气辽压缩机。司掘(4)启复动装置喂俗因安装条懒件和使用条咐件的不同，肃燃气轮机的光启动装置有售时也会不同赚，通常情况童下为柴油机汪或电动机，局但也有用汽按轮机的情况辟。该装置提恋供动力，将勉燃气轮机加签速到自持转榜速(60％街。70％额存定转速)。唉猴(5)燃卫气增压机门杯燃气轮机令燃烧器对入辰口燃料的压掩力有一个要盲求范围(如读：21at腰g左右)，冲燃料供应系司统应能满足傍这一压力要炉求。恨嚼当燃烧气踢体燃料(如骨天然气)时原，如果燃料田供应系统的党气压较低，规则需利用燃袍气增压机来兼提高燃气轮贱机燃烧器人减口的压力至弹要求范围内发。垦糖如果燃气螺供应压力高没于燃机燃烧坟器入口的燃食气要求压力滤，则需要设事置减压装置顺降低压力。滴粥(6)燃门气加热装置芽坦燃气轮机旱燃烧器不仅复对入口燃料遮的压力有要厨求，而且对衣燃烧器入口请温度也有要惜求，一般为巴露点温度加碑28-30谨度左右。训旺在寒冷地民区，如我国悉新疆有的地昂区冬季最低狡气温达零下卵39度左右寨，在这种地吧区，燃气供叠应系统应配袋备燃料加热殿装置(如蒸肤汽加热器等记)，来提高慈燃料器入口魔的燃气温度去。沉户2.2汽释水循环系统忽盛除余热锅玻炉外，构成患联合循环的仇汽水循环系扎统的主要设伏备有汽轮机婶、凝汽器、陵循环水泵、乞轴封冷却器无、凝结水泵希等。这里主舅要介绍汽轮版机、凝汽器废这两个与常母规火力发电须厂相比，具遵有自己特色脏的设备。姥续(1)汽励轮机梨案联合循环友发电装置用闲的蒸汽轮机疯与一股火力仔发电装置用祝的汽轮机在填原理上是相屑同的，构造煮上也几乎类拌似。因此，宿这里仅对联亩合循环用汽剑轮机的特点是进行说明。笋萍(a)全繁变压汽轮机击贝为了最大刘限度地有效膝利用燃气轮捎机排气能量婆，采用全变宇压。伴随全福变压的采用戏，-般为全拾周进汽，去魂掉叶栅性能粗差的调节级允来改善性能斧。因此，正换常运行时蒸冤汽调节阀处巡于全开状态静，汽机的负拌荷控制原则康上由燃气轮广机的燃料投扭入量进行控量制。魂餐(b)混顾压汽轮机尸轧联合循环况用汽轮机为眠得到更高的骆余热团回收昌效率，一般略采用非再热萝复压式或再精热复压式循枪环系统。其障结果，汽轮愿机为混压式埋汽轮机，也味就是说当汽飞轮机为单缸浊时，进入同责-个汽缸的枣蒸汽有高压眯蒸汽和低压拳蒸汽(或高图压、中压、卧低压蒸汽)阔，当机组循怒环采用非再穴热复压式循日环系统时，融低压蒸汽一郑般是饱和蒸球汽。干例(c)改叼善汽机排汽签湿度的措施光半由寿于联合循环毒发电汽机的亭排汽湿度比惑常规火力发贺电汽机的湿肢度要大，因限此，在汽机衔静叶的根部炉设置排水收把集器，扩大纹末级叶片组熊的动静叶片灵间距。灰萄(d)抽把汽杀熄常规的火墓力发电汽水旋系统均设置母给水加热器冶构成回热系笨统来提高热矛效率，而当斩联合循环发摘电装置给水用温度升高时幼，余热锅炉悔的排烟温度兽会升高，将压会使整个机材组的效率下弯降。因此，浴联合循环的丢汽水系统一把胶不设给水觉加热器，汽狭机无抽汽。凉须(2)凝头汽器柏尼联合循环龟机组的凝汽护器主要功能爸是将汽轮机简的排汽凝结便成水，维持喊汽轮机的低宽背压，从而发提高汽轮机折的效率，这母一点与常规悦火力发电厂弹的凝汽器功咏能是相同的窄，但它也有尺如下自己的诉特点。收腾(1)除洁氧功能决弯联合循环段发电厂的汽活水系统一般拌无除氧器(灯但也有设除逢氧器的情况缸)，而在凝愁汽器的热井闲中利用蒸汽先加热方式除篮氧。剂歇(2)排旁汽方式：质名当联合循羞环机组为多民轴型时，一霞般使用向下烦排汽的凝汽寒器；当为单兵轴型时，一颂般使用轴向搭或侧向排汽窗的凝汽器。慨逼2.3犁余热锅炉孟赏余热锅炉量处于燃气轮咱机循环系统皇和汽轮机循直环系统的结密合点位置，烧将燃气轮机底排气的高温犬热能转化为躁蒸汽热能。响根据排气的挤流动方向，俗余热锅炉可例分为立式锅属炉和卧式锅辞炉。根据余皇热锅炉产生柴的蒸汽压力因又可分为单依一压力的单哈压式和两种代以上压力的翻多重压力式侄，还有追加互再热器的再饶热、多盈压岔力式。就锅吓炉水循环型馒式来说，有旺利用汽、水妄的密度差而孕提供循环动精力的自然循贫环锅炉和利润用强制循环蠢水泵来提供蒙动力的强制煌循环锅炉。削辈谋3联台循涌环的燃料及康其排放物头呼3.1域燃料尚[2]首搁燃气轮机救的燃料主要导有液体燃料井和气体燃料滨。递剩(1)液某体燃料：暑矿液体燃料刻一般有轻油赔、重油、原袄油及其它石炊油产品。与斗气体燃料相绵比，燃烧液市体燃料对环裕境的污染稍亚大一点，但塌比燃煤电厂滥要小。倾晋(2)气梯体燃料：倚风天然气、不液化天然气良(LNG)恰、液化石油硬气、城市燃第气、矿井气驶等，如表2拔所示，气体筋燃料燃烧后诵产生的污染藏物量最小。矛间3.2蝶排放物玉还表2怒[1]借给出了燃煤赵电厂、燃油较电厂及燃气付电厂的污染窗物排放量。葵由此表可以槽看出，燃气条电厂的污染腿物排放量明占显比燃煤电加厂及燃油电剧厂的污染物卖排放量要小者。以天然气掉为例，由于驴其主要成分阻为甲烷、乙蓬烷、丙烷和甜丁烷等烃类勿，其中甲烷丈约占85％波-95％，棚其燃烧后的蹲产物主要为酱水蒸气、C胀0米2上和低量的氮见氧化物。否表2电悟厂污染物排络放量充燃料种类涛SO拍2梢割（GW.h四）昏NO四X疾圈（GW.h滔）肠TSP庸（GW.h众)杆CO若2光kt/(欺GW.h)借灰渣产（GW.h新）滑煤殿4.61择3.32成0.57赏1.586幸63.01播油投5.49健0.68乖0.30仙0.86净0.00颤气难0.00灿0.40救0.06甩0.605蚁0.00笨纽摩4联合循榨环机组的启桌动、停机防异不同型式屯的联合循环授发电机组启厌动、停机方醋式有所不同旺，此处以单越轴联合循环鹅机组为例进刃行说明。桶乌4.1为启动伞聚(1)确俭认设备状况条，作好启动联难备工作；栗贡(2)循绍环水系统启喷动；汤话(3)凝宗汽器开始抽定真空；壁像(4)余令热锅炉(H场RSG)相陡关设备开始仆启动；兵扁(5)燃叮机启动：采钻(a)排兽气阶段：盼吸一般的联担合循环机组期为了节约投渗资，均未在艰燃机出口的轨烟道上安装竹未燃气体(右主要是甲烷绘)检测装置俭，当启动装慰置将燃机转窜速由零升至概约16％的千额定转速时争，在此转速尘下持续运行这一段时间(耽时间的长短疼取决于烟道限体积的大小唉，约5-1市0分钟)，陵以便将烟道宪中的未燃烬垒燃气排出，挪以防引起爆渡炸。寿亚(b)点馆火阶段：怕览完成上述边的排气之后唐，由于燃机桌点火需要一狐定的空气与挽燃料的比例卡，故燃机转塔速需降至约引14％左右裕，然后开始王点火。央给(c)暖准机阶段：掀露燃机继续路升速至约4砍0％的额定弱转速，进入筑HRSG的遇暖机阶段。业塘(d)升加速阶段：淘唱当燃机转些速升至约6鲁0％(50阵Hz发电机孙)或70％嚷(60Hz丛发电机)的瓶额定转速后予(燃机自持钱转速)，启美动装置停止楼，燃机继续愁升速由HR疲SG暖机阶答段进入额定丛转速，燃机佩启动过程完符成。间敏4.2隔停机采廉(1)作采好停机准备瓶工作；互纤(2)负坑荷下降，汽迫轮机控制阀星关闭；占疲(3)发很电机解列，咱燃机灭火；巨狐(4)烟爷道风门关闭尘，进入盘车握状态；耳旋(5)H裹RSG停止骡运行；剃扑(6)破羞坏凝汽器真静空；调痰(7)循讲环水系统停狂止运行。舌段5影响倚联合循环视芬组性能的因粗素添蹲5.1丧机组出力的燕几个概念圾焰当地的大热气压力及大与气温度对已死选定的联合破循环的燃气胖轮机性能有晴一定的影响驱。因此，联蛇合循环发电灶机组就有了烤额定出力、龄标准额定出敬力和现场额枝定出力三个平概念。日本巩的JIS座B-012质8Ter擦msof才Ther拨malP方ower瞒Plant虽s(Gas址turb杆ines门anda系uxili述aryf务acili南ties)雄羞是这样定福义这三个概石念的：上扒(1)额会定出力：指挑在事先确定胸的条件下燃誓气轮机发电耀机能够保证撑的出力。吓寇(2)标乖准额定出力脖：指燃气轮脑机在相关的盾标准条件下旦的额定出力裤[即燃机空革压机法兰入过口处整体区笋域空气温度尤为15福0桂C，整体区厉域大气压为附1.033水kgf/c轨m晚2阻(abs)润，空气相对参湿度为60育％，并且燃来气轮机排气剑法兰处的排摩气静压为1耻.033k观kgf/c蚂m蛮2边(abs)俱]。畅嘱(3)现浑场额定出力险：指在联合疯循环发电厂坐当地的条件网下，诸如大懒气压、大气旁温度、压力谜损失等条件稠下的额定出安力。它又分愁为基本出力波和尖峰出力长。株肝5.2兼当地大气压免渠因燃气轮洒机安装地点贤的不同，大殿气压力往往排也不同，进附而两个安装傻地点的空气蹲密度也会不棵同，在这种骨情况下，燃衔气轮机在大党气压力高的茎地点出力稍抽大点，但此信项对联合循城环整体出力慧的影响较小舟。卖飘5.3鸡当地大气温锯度辱扔如图8所删示，在其它慢条件相同的沿情况下，燃惯气轮机的出昼力会因周围歉环境温度的赤变化而变化搁，进而影响分联合循环整霞体的出力。碌香6联台差循环发电的璃发展趋势晴料6.1察我国的电力专构成我傅1999广年我国发电额装机容量为给29876项7．9MW妖，其中水电买占24．4枯2％，火电拼占74．7裳9％。核电皇占0.70姜％；全国总羞发电量12陈331．4木1亿kKW介，其中水电却占17.2轧7％，火电伏占81.4排8％，核电于占1.20哥％。猛纱由此可见皂，燃煤发电砍目前仍是我饼国发电的主嫂要方式。众脊所周知，燃闲煤电厂对大滚气的污染较柳为严重，这屠不仅对我国知自身的环境廉有较大影响瓜，而且对周拣边国家也会后造成污染。哪因此，大墙力发展联合村循环发电，熄对改善大气黑质量是十分待必要的。昆呜6.2我英国天然气储乞量使诱根据第二占轮全国天然诵气油气资料刻分析评价结辜果233，健我国常规天崖然气的总资讨源量为38沟x10脸12蝇m3。我国贡常规天然气帮可采资源为饱[4]吧16.1x孤10摊12欺m邀3纺，非常规天郊然气资源量套据不完全测际算为27-徒115x1柔0厘12射m君3愤。由此可见柴，我国具有鞭丰富天然气朋资源，而天馅然气是联合判循环发电的巨主要燃料之活一，因此，坡大力兴建联责合循环发电浊厂具有非常奔广阔的前景寿。怎撇6.3战联合循环发训电机组的发战展方向检绒(1)发半展过程事醋燃气轮机时为联合循环偷发电厂的主着要设备之一浸，表3所示挨为燃气轮机乘技术的发展跨过程。踩表3杠[7]假舅守第一代燃机浴第二代燃机陪第三代燃机顺第四代燃机司燃机入口温边度世至1000你o种C帆至1100顺o插C脾至1300史o鹊C蹦至1400雁o妻C怨压缩比良至10急至12萝至15碎至20超燃烧技术洒扩散燃烧睬扩散/预混倦合燃烧孔强化预混合多燃烧挤过度倾斜预怎混合燃烧更冷却方式猫元（自然冷惯却）送简单对流冷眼却址高性能紊流沿器+气膜冷件却末高性能紊流尿器+气膜冷太却遣冷却介质革-扫空气孝空气杜空气/蒸汽青叶片材料其多晶体高温创合金钢眼多晶体高温段合金刚州单向凝固合框金钢保单向/单晶侄体合金钢辟空气动力技厨术膛准三维设计秒准三维设计耻完善的三维买设计（弓形担叶片，末端励弯曲叶片）朽完善的三维郊设计（弓形你叶片，末端抱弯曲叶片）扎(2)发展远方向：大容阅量、高温化决、高压缩比游、高效率、辩低污染算卡联合循环念发电机组总管的发展趋势具是大容量、坛高温化、高京压缩比、高聚效率和对环怀境的低污染诵。例如，1但994年