蒸汽燃气联合循环

11:09
30
常规燃煤发电的特点
Coal Air CO2 NOx SOx PM2.5 N2 …
氧化反应、放热过程
污染物处理成本高 发电过程耗水量大 平均发电效率仅约40% 11:09
一把火烧煤
32
8
燃煤蒸汽轮机发电技术发展历程 超（超）临界机组
超超临界1000MW中国玉环 CO2问题？
1wk.baidu.com:09
25
关于成本：综合技术经济因素，热回收效率比常规的朗 肯循环提高20~50%，千万造价增加值不超过10%
关于设备：汽轮机略需改造；热交换器基本不变；系统 设备材料不能含铜
卡琳娜循环的应用：250℃以下工业废热的热点转换； 90℃以上工业废水的热电转换；太阳能热电转换；热电厂及 在运余热发电设备改造。
国际燃煤电站发展的共同点都是以提高参数获取更高效率，
其受耐高温材料限制，脱除NOx、SO2、CO2、PM2.5等成本高昂，
11目:0前9 提升空间已经很小。
33
增压流化床联合循环
通过增压（0.6~2MPa）燃烧，除了锅炉中产生蒸汽驱动汽轮机做功以外，
锅炉燃烧产生的高压烟气可进入燃气轮机膨胀做功。采用增压提高了联合循
混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３ 种实现空气分离方法。
11:09
43
2014‐3‐12
空气的组成
组 氧氮氩氖 氦 分
氪氙
二氧 其 化碳 它
分子 式
体积 含量
重量 含量
气体 密度
沸点
O2
N2
Ar
Ne
He
Kr
20.93
78.03
0.932 1.5～1.8 4.6～5.3
× 10-3
结构紧凑，占地面积小，现场施工费用低，可降低投资
较好的负荷调节特性
旧电站改造，既可改善环境，又可提高出力和效率
11:09
36
9
IGCC
2014‐3‐12 典型整体煤气化联合循环发电系统简图
我国具有自主知识产权的25万千瓦IGCC 示范项目已落成
我国的差距：气化炉技术尚不成熟，燃气轮机技术落后。
11:09
21
注蒸汽循环系统的特点
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。
11:09
23
2014‐3‐12
注蒸汽循环系统的特点
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
蒸发过程是水平直线，平均的传热温差较大，使燃气经余热锅炉后排出的温度较
高，一般为160℃或者是更高，即高于露点温度，减少了回收热量。
双蒸汽压力是指余热锅炉中产生的两种不同压力的蒸汽，一是高压蒸汽，即蒸汽
轮机入口的压力蒸汽，另一个是低压蒸汽，它通至蒸汽轮机的中间级。
11:09
12
3
余热锅炉性能对联合循环的影响
环效率。
存在的问题：除尘较难，运行可靠性与可用率较低，深度污染控制的难
度很大，联合循环发电效率高的优势未能体现。
11:09
35
循环流化床
2014‐3‐12
11:09
循环流化床锅炉：高效、 低污染、易大型化。目前存在 问题：N2O生成量大大高于常 规系统。属于简单的蒸汽循环， 发电效率低，其飞灰含碳量仍 略高于煤粉炉。
11:09
27
2014‐3‐12
11:09
26
水泥窑余热发电的应用
石化工业的应用
11:09
在钢厂中的应用
在地热发电中的应用
28
7
氢氧联合循环
系统主要由燃气透平和蒸汽透平组成 ,以纯氢为燃料 ,以纯氧为氧化剂。燃 料在喷水的燃烧室内燃烧后 ,高温水蒸气直接进入燃气透平,做功后排气直接进入 到蒸汽轮机 ,然后排到凝汽器冷凝 ,完成做功循环。
一步加热； 蒸汽/燃气由余热锅炉直接排向大气。
11:09
22
难题：
注蒸汽的燃气轮机循环
一是注入的蒸汽随排气排至大气，现尚未解决回收问题 ，故水耗量大，增加了运行成本；
二是为防止注入蒸汽所含杂质在高温下对透平叶片的腐 蚀，对给水处理的要求很高，实践表明，即使在达到严格要 求的条件下，透平叶片的寿命也要缩短，燃气轮机高温燃气 通道检修的间隔时间将缩短很多。
13
（2）补燃余热锅炉联合循环
2014‐3‐12
无补燃
含补燃
顶循环排气温度较低，未能满足提供给燃气轮机所需的热量，需要在排烟 中适当的补燃来提高汽轮机循环中的蒸汽初参数或流量，以提高整个系统性 能，且变工况性能较好。
11:09
14
（3）助燃锅炉联合循环
把燃气轮机的排气作为锅炉中燃烧用的空气
除燃气轮机排气进入锅炉外，还可补充部分燃料；
燃料中的硫燃烧后，生成SO2及少量的SO3，另外，在高温或有原子氧的情况下， SO2也可氧化一部分SO3，即SO2 [O]→SO3。SO3与烟气中的水蒸气形成酸雾（硫酸 蒸汽），酸雾凝结时的温度，称为烟气露点，远高于水蒸气露点。
11:09
11
单蒸汽压力余热锅炉内的热交换过程
双蒸汽压力余热锅炉内的热交换过程
11:09
40
10
IGCC各分系统
空分系统 燃气轮机 蒸汽轮机 余热锅炉 气化炉 煤气净化系统
11:09
41
空气分离的方法和原理
空分的含义：简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物各组 进行分开，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程。
空分分离的方法和原理： 空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地
因此，在联合循环迅速发展和广泛应用的今天，注蒸汽 的燃气轮机应用较少。
11:09
24
6
卡琳娜循环（Kalina Cycle）
一种利用氨和水混合物作为工作介质的新颖的、 高效的动力循环系统。 氨‐水混合物的特性： • 沸点和凝结点的温度不固定 • 热物理特性随氨浓度变化 • 热容量不随温度变化 • 冰点温度极低
有利于减少CO2的排放。 燃煤后的副产品如熔渣和飞灰可作建筑水泥材料，煤
脱硫后的副产品可制得单质硫或硫酸，对环境无害， 可以实现零排放。 煤种适应性强。 气化的合成煤气，也可制取甲醇、汽油、尿素等化学 品，使煤得以综合利用。
缺点
技术尚未成熟，正在投运的几台IGCC机组效率不高， 可靠性差，运行及投资费用高，机组容量不大。
2014‐3‐12
上节课，遗留的问题？？
11:09
5
国外联合循环发展简况
从上个世纪40年代燃气轮机投入运行以来，就同时有了联合循环； 1949年，美国安装了燃用天然气的功率为3.5MW的余热锅炉联合循环； 目前燃气轮机进气温度可达1430℃，压气机升压比达30，联合循环热效率 可达45%~55%，燃气轮机单机容量达到226.5MW； 自1987年，美国发电用燃气轮机的年生产总容量已经超过了汽轮机的年生 产总容量； 日本以法定燃用天然气发电必须用于联合循环；
燃气轮机看成是余热锅炉的辅机
燃料可以是煤或其他廉价燃料；
11:09
补燃的燃料能量仅在蒸汽部分中被利用，未实现梯级利用
15
燃气轮机的排气引入普通锅炉做助燃空气用；
燃气轮机排气含氧量少，需补充空气；
汽轮机容量比例可达80%~90%；
补燃的燃料能量仅在蒸汽部分中被利用，未实现梯级利用；
11:09
× 10-4
1.08 × 10-4
34
增压流化床燃烧联合循环(PFBC‐CC)的优点
煤种可燃用范围宽广，甚至高硫高灰份的劣质褐煤
加入脱硫剂(石灰石或白云石)与煤在流化床燃烧时产生的 SO2反应，脱硫效率可达90%以上，不再需要另设置烟气 脱硫装置
低温(低于900℃)，使氮氧化物(NOX)的生成得到抑制，排 放减少
提高燃烧效率，达99%以上 提高3%～4%的发电效率，发电能力可增加20% 提高蒸汽参数甚至超临界蒸汽参数来提高发电效率
16
4
（4）正（增）压锅炉联合循环
（5）给水加热型联合循环
2014‐3‐12
串并联相结合的一种方式
以压气机代替锅炉的送风机；
锅炉与燃气轮机燃烧室合二为一；
11:09
锅炉体积可减小；但是个尺寸很大的压力容器
17
二 燃气-蒸汽联合循环的特点
2、燃气-蒸汽联合循环的类型 按照燃气循环排气放热量被蒸汽循环全部或部分利用的不
11:09
37
整体煤气化联合循环(IGCC)发电的工艺流程
煤气炉 以空气或纯氧气
为气化剂，使 煤气化为
中低热值的煤气
煤气除尘和净化
排气用于加热余热锅炉 给水，产生的过热蒸汽
带动蒸汽轮机做功
11:09
产生洁净煤气
进入燃气轮机 燃烧室燃烧
带动电机 发出电功率
39
11:09
38
IGCC的特点
优点
粉尘、NOx、SOx的排放量小，能满足严格的环境要求 供电效率高，能达到42%～45%，最终可达50%～52%，
11:09
7
11:09
顶循环 底循环
6
（1）余热锅炉联合循环
11:09
目前应用最为广泛； 顶、底循环简单串联；
8
2
联合循环的热力性能计算方法
Pnet PGT PST - Paux
Wcc

Pnet q
cc

Pnet q f 1Hu1 q f
2Hu2
PGT ——为燃气轮机输出的功率（kW） PST ——为蒸汽轮机输出的功率（kW） Paux ——为各种辅机耗功之和（kW） q——为燃气轮机中压气机的空气流量（kg/s）
11:09
18
注蒸汽的燃气轮机循环
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, steam turbine injection generator） 水蒸汽不参与燃烧过程
11:09
20
5
注蒸汽循环的工作过程
余热锅炉对燃气轮机排气热量的回收非常关键。
11:09
9
露点
节点温度△tp
2014‐3‐12
节点温度△tp是换热过程中燃气与被加热的水汽之间的 最小温差，它发生在水开始的蒸发点。
11:09
10
蒸汽循环回路
露点：在一定的压力下，未饱和湿空气冷却达到饱和湿空气，即将结成露珠时的 温度（工程热力学书上定义）。
同情况，可以分为五种类型： （1）余热锅炉联合循环； （2）补燃余热锅炉联合循环； （3）助燃锅炉联合循环； （4）正压锅炉联合循环； （5）给水加热型联合循环
11:09
19
顶循环排气温度很低，不能用作产生底循环的高温蒸汽，只能用于 加热锅炉给水；
结合程度比较松散
仅在用燃气轮机来改造和扩建原有的蒸汽电站的时候才会应用
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。
t,C
1
T0 T
3
2014‐3‐12
2. 传统能源动力基础
2.1 蒸汽动力系统 2.2 燃气动力系统
2.2.1 内燃机动力系统 2.2.2 燃气轮机动力系统 2.3 燃气-蒸汽联合循环动力系统
11:09
2
回热循环 间冷循环
再热循环 复杂循环
11:09
4
1
目前燃气轮机发电机组的主要技术参数
温度对口，梯级利用。即要保“量”，又要保“质”
11:09
29
现有煤炭洁净利用技术
现有先进燃烧技术 现有先进转化技术
超（超）临界燃煤发电 技术
循环流化床燃烧技术 增压流化床联合循环
…… 煤气化 煤间接液化 煤直接液化
……
11:09
31
2014‐3‐12
美国九十年代中期着眼于解决北美大陆日益 严重的酸雨问题，提出洁净煤(CCT)计划。
包括：煤加工、煤转化、煤洁净燃烧与发电、 污染控制及资源综合利用四个领域。
双蒸汽压力余热锅炉型联合循环
双蒸汽压力的余热锅炉型联合循环
双蒸汽压力只有在燃用含硫量很低的燃气时才能更多地提高效率，不然因露点温 度的限制，双蒸汽压力不能充分发挥作用。
对于脱硫后的燃气，双蒸汽压力余热锅炉得到了广泛的应用，特别是在功率数万 千瓦以上的联合循环中，采用三压余热锅炉可以进一步提高效率。
11:09
提纲
1. 绪论 2. 传统能源动力基础 3. 氢与氢能 4. 氢能动力系统 5. 互补发电与综合利用 6. 分布式能源系统
11:09
1
知识回顾
内燃机、燃气轮机在能量利用过程中的共性？？
热量火用：
Ex,Q

1
T0 T


Q
卡诺循环
11:09
热功转化的最高效率： （卡诺循环热机效率）