第2章 联合循环的概念和典型方案

1燃气蒸汽联合循环西安交通大学能动学院叶轮机械研究所

2内容提要第1章中国的能源状况与电力工业的发展方向第2章联合循环的概念和典型方案第3章燃气蒸汽联合性能分析第4章余热锅炉型联合循环的变工况第5章联合循环中使用的蒸汽轮机第6章余热锅炉与联合循环的汽水系统第7章整体煤气化联合循环第8章增压流化床联合循环3第2章联合循环的概念和

典型方案4

基本内容：

2.1联合循环基本原理

2.2常规燃气-蒸汽联合循环

2.3注蒸汽循环（程式循环）

2.4湿空气透平循环（HAT循环）

2.5其它联合循环

52.1联合循环基本原理F——燃料能量W——电站产生功QA——电站向冷源放出热量（第一、第二章用以上符号）2.1.1研究电站热力学的目的

效率是经济性研究的最主要内容62.1.2卡诺循环

循环？同一质量的同一工质从一个点经过一个循环回到原来的状态（闭循环）正循环？逆循环？热能到机械能的转换称为正循环卡诺循环？等熵压缩、高温热源温度恒定条件下等温吸热、等熵膨胀、低温热源温度恒定条件下等温放热等熵？既无与外界热交换，本身也没有损失换热过程有无温差影响？有温差传热过程必定带来损失72.1.2卡诺循环（续）

82.1.2卡诺循环（续）

92.1.3闭式循环电站

蒸汽轮机电站及朗肯循环T-S图10蒸汽轮机3条工质回路1、烟气回路（非热力循环）开循环2、水、水蒸汽回路（热力循环）3、冷却水循环，开循环3个回路之间关系回路1是回路2的高温热源，回路3是回路2的低温热源2.1.3闭式循环电站（续）

11两个热源？热力学第二定律：只有1个热源不可能连续产生机械功——开尔文1851，不可能从单一热源取热，并使之完全变成有用功而不引起其他变化3个回路特点？只有热量交换，没有质量交换特例：锅炉爆管，冷凝器漏管2.1.3闭式循环电站（续）

122.1.3闭式循环电站（续）

132.1.3闭式循环电站（续）

蒸汽轮机回热器14蒸汽轮机的朗肯循环：机组效率25~46%蒸汽轮机循环技术成熟，单机功率大，效率较高；存在燃煤的污染问题，如果加装尾气脱硫装置(FGD)，则成本较高；蒸汽轮机蒸汽初参数不高，是限制其循环效率的主要因素，提高蒸汽初参数是提高效率的有效手段。—

超临界、超超临界机组2.1.3闭式循环电站（续）

152.1.4开式循环电站

燃汽轮机电站及Brayton循环T-S图162.1.4开式循环电站（续）

17SiemensV64.3A_67MW_50Hz2.1.4开式循环电站（续）

18附：燃机命名规则

19附：燃机命名规则

20附：环形燃烧室

212.1.4开式循环电站（续）

222.1.4开式循环电站（续）

23燃气轮机是否为热力循环？工质？空气－－燃气质量？透平中相比压气机中增加了燃料量压缩﹑吸热﹑膨胀、放热四个热力过程没有构成一个封闭的回路，T-S图上的1点不闭合的。——————开式循环（BraytonCycle）2.1.4开式循环电站（续）

242.1.4开式循环电站（续）

把开式循环燃气轮机电站作为闭式循环电站处理的等效图开循环等效为循环本质差别，忽略空气和燃气的物性差别，忽略空气和燃气的质量差别（V94.3A空气流量645kg/s，燃气659kg/s)，主要用于定性分析。定量分析时不应当使用上述替换方法。252.1.4开式循环电站（续）

26回热器2.1.4开式循环电站（续）

272.1.4开式循环电站（续）

回热器28Brayton循环效率：20%-38%燃气轮机具有快速“黑启动”的特性；燃气轮机的排放很低；燃气轮机的比投资费用较低；燃气轮机单机功率较小，而且必须燃烧天然气或油；燃气轮机初参数很高，但排气温度也很高；排气温度是限制其效率的主要因素。

2.1.4开式循环电站（续）

292.1.5燃气-蒸汽联合循环

朗肯循环、Brayton循环、联合循环与卡诺循环的关系示意图前温利用技术30磁流体发电312.1.5燃气-蒸汽联合循环

32燃气轮机排气温度高达400~600°C；燃气工质流量大，300kg/s以上；利用排气余热加热蒸汽轮机系统的给水，产生高温、高压的水蒸汽，送到蒸汽透平做功。燃气轮机排气余热得到利用，从而使循环效率得到提高（效率55%—60%）——联合循环本质！热损失大！2.1.5燃气-蒸汽联合循环（续）

33循环中几个关键温度和效率卡诺循环：最高温度1650℃、最低温度取25℃时效率84.5%朗肯循环超临界机组，温度566℃，压力25MPa，效率38～41.9％，超超临界(26.25MPa/600℃/600℃)，设计效率43.8%损失来源：汽化潜热，向冷源放热锅炉中大的传热温差2.1.5燃气-蒸汽联合循环（续）

342.1.5燃气-蒸汽联合循环（续）

布雷顿循环：F级机组，T31327度，效率37～38.7%损失来源：吸热过程大的传热温差放热过程温差大，有火用损失燃气蒸汽联合循环（采用F级燃机）：效率54.8~57.2%。352.2常规燃气-蒸汽联合循环不补燃的余热锅炉型有补燃的余热锅炉型增压锅炉型36PST=(1/2)PGT2.2.1不补燃余热锅炉型

372.2.1不补燃余热锅炉型(续)

1）新蒸汽温度低于燃气轮机排气温度，新蒸汽压力也受到限制，因此下位循环效率较低；2）汽轮机功率比较小，受限于燃气流量和参数，燃机负荷波动时，汽轮机将随之变化；3）燃气可分两路，一路进入余热锅炉，一路直接排入烟囱，便于燃机单独运行或汽机负荷调节。4）燃料热能的流通路径：串行382.2.1不补燃余热锅炉型(续)

余热锅炉温差与吸热量之间的关系1）节点温差：6-c2）接近点温差：c-c*3）进口温差：4-e4）出口温差：s-b比热容：氢气：14.30kJ/(kg·K)氦气：5.193kJ/(kg·K)液氨：4.609kJ/(kg·K)水：4.184kJ/(kg·K)锂：3.60kJ/(kg·K)39多压余热锅炉402.2.1不补燃余热锅炉型(续)

机组型号燃机输出功率(KW)燃机效率(%)汽机输出功率(kw)机组总功率(KW)总供电效率(%)131400(31800)26.0(26.2)17140(22000)48540(53800)40.2(44.3)266630(67470)29.1(29.3)31500(39000)98130(106470)41.9(46.2)373600(74530)27.9(28.1)36500(46000)110100(120530)41.7(45.4)说明： 1、表中多数是指15℃，0.1013MPa标准大气条件下，燃用轻油的“单

压汽水发生系统”的情况。

2、括号中的数据则是指烧天然气时的“双压汽水发生系统”的情况原BBC公司提供的不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环电站的技术数据

41BlackPoint电站中不补燃余热锅炉型联合循环的热力系统

1-除氧器2-高压给水泵3-除氧器储水箱4-低压给水泵5-低压锅筒6-低压省煤器7-低压蒸发器8-低压蒸发器的循环泵9-高压省煤器10-低压过热器11-高压锅筒12-高压蒸发器循环泵13-高压蒸发器14-高压第一级过热器15-减温器16-高压第二级过热器17-燃气轮机

18-高压蒸汽透平19-低压蒸汽透平20-低压蒸汽旁通阀21-高压蒸汽旁通阀22-由凝结水处理厂来23-会凝结水处理厂24-主冷却水(海水)25-凝结水泵26-凝汽器2.2.1不补燃余热锅炉型(续)

42联合循环台数 8台（109FA型）每台联合循环的净功率： 312MW供电效率： 52.9%燃气轮机：制造厂家：欧洲四台，GE四台型号：PG93FA燃气初温 1288℃

排气温度：613.l℃蒸汽轮机：制造厂家：GECAlsthom型式：单流高压/单流低压高压蒸汽进口压力：10.3MPa高压蒸汽温度：534℃低压蒸汽进口压力：0.48MPa低压蒸汽温度：286℃余热锅炉(HRSG):制造厂家：BabcockEnergyLtd型式：双压、强制循环发电机：制造厂家：GE公司型式：氢冷2.2.1不补燃余热锅炉型(续)

43不补燃的余热锅炉型燃气蒸汽联合循环的主要优点1）热功转换效率高,当燃气初温提高到1200~1300°C后，效率很容易达到50%以上；2）基本投资费用低，结构简单，锅炉厂房都很小；3）运行可靠性高，可用率达90%~98%；4）启动快:18~20min便能发出2/3的功率，80min发出全部功率。2.2.1不补燃余热锅炉型(续)

44不补气补燃补气补燃2.2.2补燃余热锅炉型

452.2.2补燃余热锅炉型（续）

1）在余热锅炉中补充燃烧一定数量的燃料增大余热锅炉中产生的蒸汽量；2）补气式：蒸汽流量和参数不再受限于燃气轮机参数，

一般PST=(2~6)PGT；3）可以实现燃气轮机和蒸汽轮机分别单独运行；4）燃料热能的流通路径：串-并行。46Gersteinwerk

电站有补燃的联合循环的热力系统

1-压气机2-燃烧室3-燃气透平4-加压风机5-强迫鼓风机6-余热锅炉

7-高压给水加热器8-高压排气换热器

9-给水泵10-除氧器11-低压给水加热器12-低压排气换热器

13-蒸汽透平14-凝汽器15-凝结水泵16-凝结水箱17-凝结水净化器2.2.2补燃余热锅炉型（续）

47燃气轮机：燃气初温 800℃排气温度 395℃净功率 55.6MW蒸汽轮机：主蒸汽参数 18MPa/530℃蒸汽量 1029t/h再热后蒸汽参数 4.6MPa/530℃背压 7kPa补燃用燃料耗量 19.8kg/s整个装置的净输出功率为418.5MW，供电效率为42%2.2.2补燃余热锅炉型（续）

48有补燃的联合循环的供电效率随负荷而变化的关系曲线

492.2.2补燃余热锅炉型（续）补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环的主要优点1）装置的尺寸小、占地少、投资低；2）运行机动性好；3）部分负荷工况下装置的热效率比较高；4）在余热锅炉中可以烧煤或其他劣质燃料；5）蒸汽参数不受燃气轮机排气温度的限制，可以采用效率较高的蒸汽轮机低循环与之匹配，机组的总功率较大。50燃烧室与增压锅炉合二为一2.2.3增压锅炉型

1）炉内压力高，换热增强，锅炉体积小；2）炉体选用昂贵的金属材料，成本很高；3）新蒸汽温度大大提高，下位电站效率高；4）机动灵活性差；5）只能用气体或液体燃料；6）排气换热器庞大；7）燃料热能的流通路径：串-并行。2.2.3增压锅炉型（续）串行-并行总结1）燃料能量的串行使用是电站中严格意义上的联合循环成分，而并行不是；2）由于系统构成以及一些关键技术尚未成熟，在联合循环电站中往往包含非联合循环成分，而非联合循环成分是使联合循环效率下降的因素；3）纯并行电站不是联合循环；4）串行和串-并行是燃气-蒸汽联合循环电站的两种主要形式。53增压锅炉型燃气-蒸汽联合循环方案的热力系统

1-压气机2-增压锅炉

3-燃气透平4-高压蒸汽透平5-低压蒸汽透平6-发电机7-凝汽器8-凝结水泵9-低压给水加热器10-中压给水加热器11-除氧器12-给水泵13-高压给水加热器14-再热器（置于增压锅炉内）15-排气换热器54

当燃气轮机的初温提高到1300℃后，增压锅炉型联合循环的供电效率有望超过50％。

理论研究表明：

当燃气轮机初温低于1250℃时，增压锅炉型联合循环的热效率总是大于不补燃的余热锅炉型联合循环的效率。可是由于增压锅炉很昂贵，目前很少应用，因而即使t3<1250℃时，人们仍愿选用不补燃的余热锅炉型方案。

2.2.3增压锅炉型（续）常规燃气－蒸汽联合循环具有以下一些优点：①供电效率远远超过燃煤的蒸汽轮机电站；②在国外，交钥匙工程的比投资费用大约为500~600美元/kW，它要比带有FGD的燃煤蒸汽轮机电站(1100~1400美元/kW)低很多；③建设周期短，可以按“分阶段建设方针”建厂，资金利用最有效；④用地用水都比较少；⑤运行高度自动化，每天都能起停；⑥运行的可用率高达85%~95%；⑦便于快速“黑起动”；⑧由于采用天然气或液体燃料，污染排放问题解决得很彻底。一般来说，无飞尘，SOx和NOx也很少，特别是在燃烧天然气时，还可以大大地减少CO2的排放量，当然，解决污染问题的功劳应归于所用的洁净燃料的特性。

57一拖一：GT+HRSG+ST多拖一：GTs+HRSG+ST单轴联合循环多轴联合循环单压双压三压再热非再热常规燃气-蒸汽联合循环结构型式

582.3注蒸汽循环（程式循环）

由美籍华人程大猷先生提出，称为程式循环空气燃烧生成的燃气和余热锅炉产生的水蒸汽两种工质在同一个透平中做功，又称注蒸汽循环（STIG,steamturbineinjectiongenerator）

水蒸汽不参与燃烧过程

串行联合循环：开式循环+闭式循环

程式循环：双开式双流体循环，传热59注蒸汽循环60注蒸汽循环的工作过程

这种循环方案中，燃气与蒸汽是在同一台燃气透平中膨胀作功的。那时，有两种流体——燃气和蒸汽一起流经燃气透平，这就是双流体循环命名的渊源。由燃气透平排出的燃气与蒸汽的混合物将进人余热锅炉，在其中把余热传给余热锅炉的给水，使其变成过热蒸汽后返回到燃气轮机中去参与循环。余热锅炉后温度为149℃的燃气与蒸汽的混合物则将直接排入大气。

61501-KB注蒸汽双流体循环发动机的性能曲线

双流体循环的透平前温T3↓↓余热锅炉产生的过热蒸汽量

↓↓62注蒸汽循环的温熵图

T3=T9；

T4=T10；∆Tp=T’7-T7>0；(T4-T’8)

>0，其中T’8是余热锅炉出口主蒸汽的温度；T11-T6>0，其中T11是燃气离开余热锅炉时的温度，T6是给水进入余热锅炉时的温度；

Ps>P1ε，其中ε是压气机的压缩比，Ps是主蒸汽的压力；P1s=P5。63注蒸汽双流程循环机组的技术参数

公司商号型号ISO基本功率/kW供电效率/%压缩比空气质量流量/(kg/s)透平入口温度/℃其它AlisonEgnineCompany501-KHSteam675139.8912.618.62.722kg/s的482.2℃的蒸汽GE船用与工业LM2500-PHSTIG2806041.0220.275.75807.2注入22680kg/h蒸汽LM5000-PHSTIG5110043.2031.0153.32757.236288kg/h高压蒸汽18144kg/h低压蒸汽Stewart&StevensonTG-1600STIG-201690039.6525.152.62735453.6kg/h蒸汽注入TG-2500STIG-502805041.020.075.75801.7TG-5000STIG-1205162043.831.4153.77787.864LM8000注蒸汽双流体循环的热力系统

1-水处理设备2-高压锅筒3-中压锅简4-低压锅筒5-余热锅炉6-发电机7-动力透平8-低压透平9-高压透平10-燃烧室11-高压压气机12-低压压气机13-中间冷却器65燃气初温t3＝1371℃；温比＝5.708；低压压气机的压缩比=2.63；高压压气机的压缩比=13.299；高压透平的膨胀比＝2.404；低压透平的膨胀比＝1.311；动力透平的膨胀比＝10.0；余热锅炉的当量效率=73.45%，进人燃烧室时蒸汽/空气掺混比X＝12.37％；补水率=17.38%(相对于低压压气机进人的空气流量而言)。整台机组的供电效率=52%，潜在的热电联产效率=87%。LM8000基本参数

66三轴式的带有中间冷却器的燃气轮机。高压透平用来驱动高压压气机，低压透平则驱动低压压气机，动力透平驱动发电机。这种驱动压气机的方式可以提高整台机组的压缩比。采用中间冷却器可以减小高压压气机的压缩功，有利于增加整台机组的比功，而且还能利用中间冷却器来预热供给余热锅炉的给水，使机组的循环效率得以改善。LM8000中间冷却器

67在余热锅炉中将分别产生高压(4.309MPa/449℃)蒸汽、中压(1.448MPa/370℃)蒸汽和低压(0.2068MPa/121℃)蒸汽，它们质量流量的份额分别为：72.14%,13.17%和14.69%。LM8000余热锅炉

蒸汽参数68高压蒸汽将注人燃烧室，与从高压压气机输来的高压空气一起与天然气混烧，升温至1371℃后进到高压透平中去膨胀作功，以带动高压压气机。中压蒸汽是在高压透平后掺到燃气中去的，进而与燃气一起在低压透平中膨胀作功，以带动低压压气机工作。低压蒸汽则是在动力透平的后几级中掺混到燃气中去进行膨胀作功的。由余热锅炉出来的燃气与蒸汽混合物的温度为133.9℃。LM8000蒸汽与设备匹配

69注蒸汽循环系统的特点1）结构特点：燃气、蒸汽共同注入同一台燃气透平中膨胀做功；不再配置蒸汽轮机和凝汽器等设备；余热锅炉提供的全部或部分蒸汽还要在燃气轮机燃烧室中进一步加热；蒸汽/燃气由余热锅炉直接排向大气。70注蒸汽循环系统的特点2）优点：部分蒸汽喷入燃烧区，适当降低燃烧火焰温度，有利于减少NOx的排放；混合气体的传热系数增大，改善换热效果；机组做功量增大，热工转换效率提高；降低透平前燃气初温，提高设备寿命。722.4湿空气透平循环（HAT循环）

由日本Y.Mori教授提出，称为湿空气透平（HAT,humidairturbine）循环。先将水或蒸汽加热压缩空气产生湿空气，再进行燃烧，也就是说，水蒸汽参与燃烧过程。

加入水量以使湿空气达到饱和为限。

HAT循环：双开式双流体循环，传热7374

HAT循环又称为蒸发-回热循环，其热力学特征：1）用蒸发器大幅度降低压气机出口温度来突破回热循环对压气机极限压比()的限制值；2）水蒸汽进汽温度取高，尽管进汽压力取低、排汽压力和排汽