燃气蒸汽联合循环

燃气--蒸汽联合循环技术的发展与评价我国火电机组主要为燃煤发电机组，存在污染严重，供电煤耗高的问题，不能满足新世纪电力工业发展需要，必须依靠科技进步，促进我国资源环境相互协调可持续发展。

采用高参数大容量机组，超临界压力机组是火电机组发展的主要方向外，发展清洁燃煤技术，煤气化联合循环和整体气化燃料电池等以燃气输机为技术基础的发电技术，亦是提高我国火电热效率的突破口方向。

为此，今后发展燃气——蒸汽循环发电将具有战略意义燃气—蒸汽轮机联合循环热电冷联供系统是一项先进的供能技术。

利用燃气燃烧产生的高温烟气在燃气轮机中做功，将一部分热能转变为高品位的电能，再利用燃气轮机排烟中的余热在废热锅炉内产生蒸汽来带动蒸汽轮机进一步发出部分电能，同时供热和制冷。

从而实现了能源的高效梯级利用，同时也降低了燃气供热的成本，是城市中，特别是大气污染严重的大城市中值得大力发展的系统。

一.联合循环发电状况和需求。

从20世纪80年代以来，随着燃气轮机及其联合循环总能系统新概念的确立，材料科学、制造技术的进步，特别是能源结构的变化及环境保护的要求更加严格，燃气轮机及其联合循环机组在世界电力系统中的地位发生了显著化，不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷，还被用来带基本负荷和中间负荷。

21世纪以来世界燃气轮机进入了一个新的发展时期，我国燃气轮机引进、开发和应用又进入了一个新的发展阶段。

燃气轮机技术进步主要表现在单机容量增大，热效率提高与污染物排放量降低。

目前全世界每年新增的装机容量中，有l/3以上系采用燃气—蒸汽联合循环机组，而美国则接近l/2，日本则占火电的43%。

据不完全统计，全世界现有燃油和燃天然气的燃气—蒸汽联合循环发电机组的总容量己超过400 GW。

当前燃气轮机单机功率已经超过300MW，简单循环热效率超过39%;联合循环功率已经超过780 MW，联合循环热效率超过58. 5%，干式低NOx 燃烧技术已使燃用天然气和蒸馏油时的NOx排放量分别低于25mg/kg和42mg/kg，提高了燃气轮机在能源与电力中的地位与作用。

从目前世界火力发电技术水平来看，提高火电厂效率和减少污染物的排放的方法，除带脱硫、除尘装置的超超临界发电技术(USC)、循环流化床(CFB)和增压流化床联合循环(PFBC)等外，燃天然气、燃油及整体煤气化等燃气-蒸汽联合循环是一个重要措施。

据有关调研预测，未来10年我国对燃气轮机总需求量达34 000 MW左右。

中国已开始利用西气东输，东海、南海油气，进口LNG(液化天然气)和开发煤气化等清洁能源。

一批300 MW级燃气—蒸汽联合循环电厂已经建成或即将建成投产。

可以说，随着国产化率的提高，造价的减低，燃用天然气和煤气等大型燃气—蒸汽联合循环发电机组，必将成为中国电力工业一个重要组成部分。

二.燃气-蒸汽联合循环原理（一）联合循环的基本方案1.余热锅炉型联合循环将燃气轮机的排气通至余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽驱动汽轮机作功。

2.排气补燃型联合循环排气补燃型联合循环包括在余热锅炉前增加烟道补燃器以及在锅炉中加入燃料燃烧这两种方案。

余热锅炉型联合循环排气补燃型联合循环3.加热锅炉给水型联合循环加热锅炉给水联合循环余热锅炉型联合循环T-s图（二）余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环的主要性能指标1 汽联合循环的功率鉴于联合循环由燃气轮机循环与朗肯循环所组成，故联合循环功率为燃气、蒸汽两部分输出净功率之和，PCC =PGT+PST-PAUR2 气蒸汽联合循环的比功由于联合循环中不止一种工质，流量也各异，联合循环比功是以燃气轮机压气机进口的空气单位流量为基准折算的总功率，wcc =PCC/G3 气蒸汽联合循环的效率ηcc =ηηGT +(1-ηGT) ηHRSTηS三燃气—蒸汽联合循环发展趋势燃气轮机及其联合循环是一项多专业、高密集型的高新技术，传统的提高性能途径是不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。

20世纪50年代初，透平初温(T3)只有600℃~700℃，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃; 60年代后，还借助于空气冷却技术，T3平均每年提升20℃。

从70年代开始，充分吸取先进的航空技术和传统汽轮机新技术，沿着传统的途径不断提高其性能，已开发出一批“F、FA、FB、H”新型高透平初温技术产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平，T3=1 430℃，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限，压气机压比ε=10~30，ε=10~30，简单循环效率ηgt=36% ~40%，联合循环效率ηcc=55% -60%。

正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，燃气透平壳体选用CrMO钢，转子轴、转轮选用Inconel706，采用定向结晶，单晶材料，Co-Cr-Al-Y喷涂等先进工艺，部分静止部件采用陶瓷材料，初温提高到T3=1 500℃~1 600℃。

采用智能型微机控制系统，并更加重视环保。

对未来燃气轮机的构思将基于采用航空航天最新技术新材料，燃烧器处于或接近在理论燃烧空气量条件下工作，T3将达1600℃到1 800℃。

现采用的熔点1 200℃、密度为8 g/cm3的叶片超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度(<5 g/cm3)，有更好的综合高温性能，陶瓷材料是一种选择。

四燃气-蒸汽联合循环发电装置优点1、有较高的热效率。

在同等功率条件下效率要高出15%以上。

60MW等级燃气/蒸汽联合循环的效率已达46%以上，300MW等级的已达55%以上，而同等功率的蒸汽轮机发电效率为30%和40%左右。

2、环保性能好，对环境的污染少。

燃气—蒸汽联合循环发电装置CO、Nox排放少，称之为“清洁电厂”。

由于这种发电装置采用油或天然气为燃料，燃烧生成产物没有灰渣，无需灰渣排放；加上燃烧完全，燃烧生成产物中虽亦有一定量的Nox存在，但可以采用注水、注汽、DLN、SCT等方法，将Nox的含量降低到国家排放标准以下。

当前，国家对发电厂污染物排放量要求日益严格，常规火电站为了满足国家环保规定，需花费大量资金、场地，用于环保治理，如烟气脱硫装置等。

据统计，大型火电厂用于烟气脱硫、脱销的费用，将占发电厂总投资的1/4~1/3。

在这一方面，燃气—蒸汽联合循环发电装置是有其明显的优点。

3、投资省，目前每千瓦的投资费用仅4000~5000元/KW左右，甚至更低，而蒸汽轮机发电站投资目前高达8000~11000元/KW左右。

4、建设周期短，由于土建少，又可以分阶段建设，首先建设燃机电站，再建联合循环电站，从而使资金最大效率化。

5、占地少、用水少。

一般仅常规蒸汽轮机电站的三分之一左右。

6、运行可靠，高度自动化，运行人员可大大减少。

60MW规模电厂人员约50余人。

以天津滨海燃气电厂为例，投运以来，年运行小时数达7500小时以上，非常可靠。

7、运行方式灵活，既可以作为基本负荷运行，也可以调峰运行。

起动快，燃机快速起动只要十多分钟，就可达到满负荷，包括蒸汽轮机在内的联合循环，蒸汽轮机冷起动也仅1.5小时以内。

8、可燃用多种燃料：a）天然气；b）轻柴油；c）重油；d）高炉煤气（掺少量焦炉煤气或天然气）；e）焦炉煤气、转炉煤气；f）煤层气、煤层气化气、煤制气；g）也可油、气混烧。

五燃气—蒸汽联合循环发展对策探讨虽然中国燃气轮机发电始于20世纪50年代末期，但由于燃料政策的原因在很长时间内发展缓慢。

目前我国燃气轮机发电装置设计、制造水平与国际上先进国家差距较大，装机容量及运行管理水平与我国电网发展很不相称。

为促进我国燃气轮机发电事业的快速健康发展，在此提出一些不成熟的建议，以抛砖引玉。

(1)科学定位，统筹规划，完善政策。

结合国家“十一五”发展规划，应对燃气轮机及其联合循环发电装备的发展进行科学定位，制定中国燃气轮机及其联合循环发电装备的中、长期战略发展规划和近期安排，制定和完善燃气轮机产业发展政策和燃料、电能、热能价格等配套政策、法规，加大资金和科技投入。

按照市场经济规律，在已重点引进一批先进、成套的300MW级燃气—蒸汽联合循环示范工程的基础上，兼顾大、中、小型先进、实用技术的引进，通过产、学、研结合和消化、吸收、再创新，迅速提高我国燃气轮机及其联合循环发电装备的技术水平。

(2)严把引进设备技术质量关。

实行机、电行业结合，先以市场换技术，提高进口机组的可靠性、综合技术经济性能和电厂设计优化水平，提高备品备件国产化率，降低维护费用。

努力改变目前国内机、电行业分离，引进技术分散，重复引进，配套性差，甚至引进性能落后的设备和技术的局面。

(3)提高国家制造技术水平。

在现有制造技术的基础上，瞄准国外最先进的水平，有计划的成套引进一批先进适用的机型、关键设计技术、软件、关键制造工艺、控制保护系统及测试技术。

在消化、吸收的基础上，努力创新，不断提高关键部件的国产化率和设计、制造、配套能力。

尽快开发出运行可靠，性能价格比高，具有自主知识产权、成套的国产机组。

建议在中西部(如:成都、武汉)建立燃气轮机及其联合循环机组研发中心及制造基地，将产品尽快推向国内外市场。

(4)加强关键高温金属材料的引进生产和科研攻关。

目前燃气轮机最高初温达到1500℃~1 600℃，国外直接采用最先进的航空、航天工业新材料。

国外厂家一般不会转让最先进的制造技术，国内应军民结合，产、学、研结合，组织联合科技关，尽快实现关键材料国产化，以降低成本。

(5)加强燃气—蒸汽联合循环机组转子结构动力学和振动分析、故障诊断和处理研究，特别是对单轴(即由压气机+燃气透平+汽轮机+发电机串联成一根单轴)大型机组的压气机喘振及轴承振动的快速诊断、处理。

(6)我国煤炭资源较丰富，为替代常规燃煤汽轮发电机组，目前燃煤的燃气一蒸汽联合循环技术已成熟。

当采用9H型燃气轮机组成IGCC联合循环时，单机功率可提高到550MW，供电效率可增升到50% ~62%。

国家应加速IGCC整体煤气化燃气—蒸汽联合循环发电的步伐和燃煤洁净发电机组的进程，以适应中国电力工业可持续发展的需要。

工业的发展影响着国家的经济实力和发达程度，我国有大量中小燃煤火电机组在效率偏低，环境污染严重的情况下运行。

采用燃气-蒸汽联合循环确实是解决发电效率不高和环保问题的重要途径。

参考文献焦树建燃气-蒸汽联合循环焦树建整体煤气化燃气-蒸汽联合循环(IGCC)会议论文关于加快发展燃气－蒸汽联合循环电站的政策建议面向21纪的热电联产学焦树建;王应时 IGCC技术在中国的发展前景--基于中美专家报告的综评 [期刊论文] -燃气轮机技术赵士杭;吕泽华;田立峰发展调峰用燃气轮机和联合循环电站的分析 [期刊论文] -燃气轮机技术燃气蒸汽联合循环技术的发展上海交通大学程应军。