燃气—蒸汽联合循环发电

燃气—蒸汽联合循环发电简介

天然气是绿色能源

天然气的主要成分是甲烷（CH4），其分子由一个碳原子（C）与四个氢原子（H）组成。

天然气无色、无味、无腐蚀性，天然气燃烧生成水（H2O）与二氧化碳（CO2），不产生灰、渣、二氧化硫等有害物质，天然气是世界公认的清洁能源。

LNG就是液化天然气，液化后的天然气体积是气体形态的六百份之一，方便大量储存和远距离运输。采用 LNG为原料，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术来发电的电厂称为燃气—蒸汽联合循环发电厂。采用天然气发电可大大减少对环境的污染，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术发电，发电效率高达57%，燃煤电厂为40%左右，发同样的电能CO2排放量仅为燃煤电厂的40%左右。

燃气—蒸汽联合循环发电系统的

流程

这是燃气—蒸汽联合循环发电系统设备与生产流程图，显示了天然气发电的主要流程。

经过加热后的天然气进入燃气轮机的燃烧室，与压气机压入的高压空气混合燃烧，产生高温高压气流推动燃气轮机旋转做功。

从燃气轮机排出的高温气体高达摄氏600度，进入余热锅炉把水加热成高温高压蒸汽。

高温高压蒸汽推动蒸汽轮机旋转做功，将内能转换成机械能。

燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的转轴相互连接，同轴旋转，实现燃气轮机、蒸汽轮机同时推动发电机旋转发电,这样的组合称为单轴系统。

燃气轮机概述

燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气叶轮旋转。

下面是一台燃气轮机模型，通过它来了解燃气轮机的工作原理。

模型的前端是空气进入口；环绕燃气轮机安装的是燃烧室；在燃烧室端面有天燃气的入口；燃气轮机的后面是燃烧后的高温气体排出口。

把燃气轮机剖去1/4，可以看到内部的结构。

燃气轮机由三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，内部一排排叶片是压气机叶片；中间部分是燃烧器段，围绕一圈的是燃烧室；右边部分是燃机透平，其中有透平叶片，右侧是燃气排出口。

燃气轮机之压气机

压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室。为了生成高压空气，压气机装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子,转子上的叶片称为动叶。

在每两级动叶之间有一组静止的叶片（简称静叶），一组动叶与后面相邻的静叶，称为压气机的一个级。多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。

燃气轮机启动时，先把发电机当作电动机带动压气机旋转，把空气压入燃烧区。燃机点火后，则逐渐转变至由透平带动压气机旋转压气。

燃气轮机之燃烧室

燃气轮机一般有十几个燃烧室，安装在燃机外围。

下面展示一个燃烧室的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在外壳端部有天然气入口，在火焰筒尾部联接过渡段，在燃烧室内装有燃料喷嘴。

天然气通过燃烧室端部燃气入口进入燃烧室，喷入的天然气与压气机压入的空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体体积剧烈膨胀，生成高温高压燃气从燃烧室过渡段喷出，进入透平做功。

燃气轮机之透平

燃气透平也称为燃气轮，从燃烧室喷出的高压燃气推动透平叶轮旋转，把燃气的内能转化为透平的机械能。

燃气推动旋转的叶轮上的叶片称为动叶，在每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为透平的一级。为了充分利用燃气的热能，透平一般为3级或4级。

透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。压气机转子与透平转子是安装在同一根转轴上，称为燃气轮机转子，透平旋转时也就带动压气机旋转工作。

透平转子带动发电机发电，额定转速是每分钟3000转。下面是一台燃气轮机的剖面图。

锅炉的基本原理

下面是锅炉的原理模型图，模型包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上联箱、下联箱连成一体；上联箱通过汽水引入管连

通汽包，汽包再通过下降管连到下联箱；上升管管簇、汽包、下降管构成了一个环

路。上升管管簇在炉膛内，汽包与下降管在炉体外面。

把水注入汽包，水便灌满上升管管簇与下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。当高温燃气通过管簇外部时，管簇内的水被加热成汽水混合物。由于下降管中

的水未受到加热，管簇内的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下联箱形成压力

差，推动上升管内的汽水混合物进入汽包，下降管中的水进入上升管，形成自然循

环。

上图是汽包（也称锅筒）结构示意图, 汽包是水受热、蒸发、过热的重要枢纽，保证锅炉正常的水循环。上升管内的汽水混合物进入汽包后，通过汽水分离器分离

成饱和蒸汽与水，饱和蒸汽通过汽包上方蒸汽出口输出；分离出的水与给水管注入

的水再进入下降管。

用来产生饱和蒸汽的上升管管簇称为蒸发器，电厂锅炉还有省煤器与过热器，它们都由管簇组成。进汽包的水先在省煤器加热，再通过汽包、下降管进入蒸发器，

可以提高蒸发器的效率与锅炉的效率。蒸发器生成的饱和蒸汽经汽包输出，再进入

过热器加热成过热蒸汽，用过热蒸汽推动蒸汽轮机运转能保证系统的高效与安全。

余热锅炉的结构与流程

从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏600度，仍然具备很高的能量，把这些高温气体送到锅炉，把水加热成蒸汽去推动蒸汽轮机，带动发电机发电，可使发电容量与联合循环机组的热效率相对增高50%左右。这个靠燃气轮机排出气体的余热来产生蒸汽的锅炉称为余热锅炉。

从外观上看锅炉主要有进口烟道、炉体、汽包、烟囱组成。炉体内有密集的管道，给水泵将要加热的水压进这些管道，燃气轮机排出的高温气体将管道内的水加热成高压蒸汽，下面就是余热锅炉的外观图。

余热锅炉的结构

余热锅炉本体采用模块化结构，以方便运输、安装。模块由管簇组成,是几十根管子组成的蛇形管组件, 模块两端有上联箱与下联箱，是锅炉的受热部件，水在模块内被外部的高温气体加热。

为了更好的传递热量，在管道外表焊上鳍片（也称肋片）来增大管道的传热面积，下图展示的是一小段焊有鳍片的管道。

打开锅炉的侧壁，可看到内部装有多个模块，实际锅炉有近20个模块，其中多数是蒸发器、省煤器、过热器三类模块，除此还有再热器模块。