联合循环发电厂的特点及发展趋势

联合循环发电厂的特点及发展趋势

樊守峰程政[西北电力设计院] 2003-07-25

前言

与常规的燃煤电厂相比较，联合循环发电厂以其启动时间短、所需冷却水量少、占地面积小、建设周期短、环保效益明显，可有效地调整电力需求峰值等诸多优点而备受世界各国的重视。

近二十年来，美国、日本、英国、法国和韩国等国家都在大力兴建联合循环发电厂。在日本联合循环发电容量近五年内将翻一番[1]。我国的香港特别行政区建成世界上最大的联合循环发电厂-香港龙鼓联合循环电厂，设计容量为8台32万kw机组[6]。随着人们环境意识进一步地增强及黄金时间用电负荷需求的不断上升，在我国很有必要在天然气丰富地区大力发展联合循环发电厂。

1 联合循环构成方式及其各自的特点

1.1 按照燃烧方式的不同可分为：

(1)排热回收型

图1为排热回收型联合循环发电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：

(a)系统简单；

(b)燃气轮机出力高；

(c)启动时间短；

(d)系统总效率与燃气轮机入口温度有关，即燃气轮机入口温度愈高，系统总效率愈高；

(e)汽轮机不可能单独运行。

(2)排气助燃型

图2为排气助燃型联合循环发电厂要系统构成简图，这种构成方式的特点是：

(a)助燃量越大，汽轮机出力越大；

(b)启动时间短；

(c)汽轮机不可能单独运行；

(d)助燃燃料量越大，凝汽器凝结水量越大。

(3)排气再燃型

图3为排气再燃型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：

(a)汽轮机出力大；

(b)在利用全部燃气轮机排气的情况下，全厂效率最大；

（c）锅炉燃料消耗量与燃气轮机燃料消耗量无关；

（d)燃气轮机和汽轮机可以单独运行；

（e）运行控制系统复杂

(4）增压锅炉型

图4为增压锅炉型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：

(a)汽轮机出力大；

(b)锅炉燃料消耗量受燃气轮机的限制；

（c）燃气轮机和汽轮机不可能单独运行；

（d）增压锅炉传热效率高，因此锅炉的传热面积及体积减小，但锅炉的耐压性要求高于其它锅炉。

(5)给水加热型

图5为给水加热型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：

(a)系统简单；

(b)汽轮机出力大；

(c)锅炉燃料消耗量与燃气轮机的燃料消耗量无关；

(d)燃气轮机和汽轮机可以分别单独运行。

1.2按照燃气轮机与汽轮机是否同轴可分为：

(1)单轴型·

所谓单轴型联合循环发电是指燃气轮机与汽轮机及发电机是连接在同一轴上(如图6所示CGS型)，它们共同驱动同一台发电机而构成联合循环发电。当燃气轮机和汽轮机为单轴刚性连接时，启动时汽轮机也必须被迫与燃气轮机一起高速转动。

单抽型联合循环发电机组的安装顺序有两种，即以燃气轮机(C：Combustion)-发电机(G：Generator)-汽轮机(S：Steam Tur-bine)顺序安装的CGS型式；另一种为燃气轮机-汽轮机-发电机顺序安装的帕G型式。如日本的九州电力(株)新大1号机组是CGS型式，同厂的2号机组是CSC型式。然而，在CGS型式中又可细分为两种：GE公司的产品为CGS刚性连接；而西门子和ABB 的产品为CGSS连接，即在发电机和汽轮机之间没有同步离合器(SSS)。

(2)多轴型

多轴型联合循环发电是指燃气轮机与汽轮机连接在不同的轴上，它们各自驱动自己的发电机(如图7所示)，在这种方式中有一台燃气轮机与一台汽轮机相配套而构成联合循环发电；也有两台或两台以上燃气轮机与一台汽轮机相配套而构成联合循环发电。

2 联合循环电厂主要设备

联合循环发电厂主要由燃气循环系统、汽水循环系统和介于两者之间的余热锅炉这三部分组成，以下分别简要介绍这三部分中的主要设备。

2.1 燃气循环系统

(1)燃气轮机

燃气轮机是将燃料燃烧后的热能转化为动能的设备。典型燃气轮机的主要性能参数如表1[2]所示。通常意义上的发电用燃气轮机主要包括燃气轮机本体、空气压缩机、燃烧器、启动装置、润滑油系统等相关设备组成。

注：上表中的数据是在如下条件下取得的：

(a)大气温度为15o C，大气压力为1.033ata；

(b)燃料是气化了的液化天然气；

(c)热效率是按照低位发热量计算而得；

(d)排气流量和排气温度是燃气轮机在基本负荷时的数据。

(2)燃烧器

燃烧器是燃气轮机的一个非常重要的设备，它是实现燃料燃烧、降低燃气轮机排气中氮氧化物含量的设备。目前世界上各大燃机生产厂都十分重视开发研究新型的燃烧器，以便满足日益受到人们关注的环境保护要求。目前常见的有干式燃烧器和湿式燃烧器。

(3)空气压缩机

空气压缩机是向燃烧器提供足够的燃烧空气的设备。为了进一步提高燃机容量和效率，就应开发具有高效、大压缩比的空气压缩机。

(4)启动装置

因安装条件和使用条件的不同，燃气轮机的启动装置有时也会不同，通常情况下为柴油机或电动机，但也有用汽轮机的情况。该装置提供动力，将燃气轮机加速到自持转速(60％。70％额定转速)。

(5)燃气增压机

燃气轮机燃烧器对入口燃料的压力有一个要求范围(如：21atg左右)，燃料供应系统应能满足这一压力要求。

当燃烧气体燃料(如天然气)时，如果燃料供应系统的气压较低，则需利用燃气增压机来提高燃气轮机燃烧器人口的压力至要求范围内。

如果燃气供应压力高于燃机燃烧器入口的燃气要求压力，则需要设置减压装置降低压力。

(6)燃气加热装置

燃气轮机燃烧器不仅对入口燃料的压力有要求，而且对燃烧器入口温度也有要求，一般为露点温度加28-30度左右。

在寒冷地区，如我国新疆有的地区冬季最低气温达零下39度左右，在这种地区，燃气供应系统应配备燃料加热装置(如蒸汽加热器等)，来提高燃料器入口的燃气温度。

2.2汽水循环系统

除余热锅炉外，构成联合循环的汽水循环系统的主要设备有汽轮机、凝汽器、循环水泵、轴封冷却器、凝结水泵等。这里主要介绍汽轮机、凝汽器这两个与常规火力发电厂相比，具有自己特色的设备。

(1)汽轮机

联合循环发电装置用的蒸汽轮机与一股火力发电装置用的汽轮机在原理上是相同的，构造上也几乎类似。因此，这里仅对联合循环用汽轮机的特点进行说明。

(a)全变压汽轮机

为了最大限度地有效利用燃气轮机排气能量，采用全变压。伴随全变压的采用，-般为全周进汽，去掉叶栅性能差的调节级来改善性能。因此，正常运行时蒸汽调节阀处于全开状态，汽机的负荷控制原则上由燃气轮机的燃料投入量进行控制。

(b)混压汽轮机

联合循环用汽轮机为得到更高的余热团回收效率，一般采用非再热复压式或再热复压式循环系统。其结果，汽轮机为混压式汽轮机，也就是说当汽轮机为单缸时，进入同-个汽缸的蒸汽有高压蒸汽和低压蒸汽(或高压、中压、低压蒸汽)，当机组循环采用非再热复压式循环系统时，低压蒸汽一般是饱和蒸汽。