燃气蒸汽联合循环简介

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38—42%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43—45%。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1350—1430℃，因此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—630℃，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30—33℃，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600℃，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℃以下，所以实际上只要有570—610℃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38—42%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1—1.5%。不过，采用一些特殊的措施能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120℃左右，在此处设置引凤机所消耗的功率将比因燃气轮