发电厂联合循环极限热效率的分析

联合循环极限热效率的分析

本文回顾了已有联合循环热效率的水平，分析了美、日专家对联合循环热效率预测不准的原因，并预言十年后联合循环热效率可达62%，二十年后可达65％，其最高热效率为70%。

前言

早在七十年代初，美国电力研究院（EPRI）发表文章，预测联合循环的热效率可达53％。八十年代中期，日本联合循环专栏评论家玉贯滋提出联合循环的热效率可达55％。七十年代未，日本曾拨款260亿日元实施月亮计划中的一项重要科研项目“高效燃气轮机的研究开发”，该燃气轮机是双轴。中间冷却再热循环，透平进气温度1300℃（高压）/1200℃（低压）压比55，功率10万千瓦。用于联合循环，其热效率设计值为55％，所有这些都表明，人们对联合循环的祈望值都不很高，对其发展潜力都严重估计不足。近年，美国GE与法国ALSTHOM公司联合推出的“MS9001FA”燃气轮机为基础的三压再热式蒸汽系统的联合循环，在透平前温1288℃下，竟获得56％的热效率（供电效率55.1％），使人们无不惊讶。目前世界普遍认为联合循环的热效率可以达到并超过60％。究竟联合循环热效率有无极限’如有，其极限应是多少？在什么条件下联合循环可以获得更高的热效率？本文拟就这些问题，进行深入的分析。

一、84％的热效率是极限

卡诺循环是热力学的理想循环，其热效率仅与环境温度和加热温度有关。即：

从上述公式可以看出，环境温度越低越有利。在地球上，人类测出的最低温度在南极，为一88℃，即185°K。

Th为等温加热温度，在实际上，不存在可以完全等温加热的物质。故此，在工程上我们以平均加热温度来代替。以空气为工质，在通常使用的燃料中，用天然气（CH4一甲烷）可以获得最高的温升，这一数值为1923℃。平均加热温度Thcp＝1923＋185＝1146.5°K。故此

从上述计算结果可以看出，地球上热机可获得的热效率不可能超过84％，联合循环当然也不可例外。

二、美、日专家对联合循环热效率低估的原因分析

对空气动力学的发展估计不足。

联合循环的基础是燃气轮机，而燃气轮机的基础是空气动力学。燃气轮机中的压气机效率、压比、流量，透平效率。进爿：气压损和燃烧室的压损，都与空气动力学密切相关。燃气轮机发展初期，压气机，透平效率均在85％左右，压比也很低，例如：苏联第一台民用燃气轮机1500千瓦，5000转/分，压比3.6，空气流量50公斤/秒，压气机透平效

率均为85％，透平前温600℃，热效率仅13.6％。后来，压气机透平效率相当长的时间稳定在88％的水平上。估计，正是这一原因，使日本人走复杂循环燃气轮机之路（双轴。中间冷却。再热循环），以求通过高压比来求得热效率方面的突破。自八十年代后期至今，燃气轮机的发展，证明日本人上述的发展路子是误入歧途。根据本人对世界几个最先进的燃气轮机的核算（MS9001FA、LM6000、Tren、V94．3、701FA），它们的压气机和透平效率，普遍达到或接近90％和92％。最近BBC公司声言已研制出单台压比为30的压气机。目前，工业型先进燃机效率均在35％以上，轻型则在40ok以上。

上述事实都充分说明空气动力学发展带来的巨大作用。

对冷却技术的发展和透平前温提高的速度估计不足。

原来，专家估计透平前温提高的速率为10℃/年，现实则达15℃/年。例如70年代初，GE公司推出PG5301为900℃，现MS9001FA达1288℃，25年时间，提高了近400℃。

原来的透平冷却技术，主要靠对流、吹风冷却，消耗的冷却空气量大，效果差。现在整台机组的冷却系统经严格的反复的试验，精心组织，又引人内冷、薄膜冷却。发散冷却……等新冷却技术，使冷却效果提高，冷却空气量有较大幅度的下降。而且，由于组织合理，冷却空气的烙降可回收约50％。预计，未来蒸汽冷却技术和高温陶瓷材料的应用，还会使燃气轮机的透平前温大幅提高，并进一步节约冷却空气。

对配套的蒸汽循环系统进步估计不足。

原来，蒸汽循环系统用单压，余热锅炉排烟温度普遍达到180℃；后来双压、降至145℃；现在大型工业机组用三压降至86℃。

原来汽机、锅炉参数套用普通火电的参数系列，现普遍根据燃机的排烟温度以能量分级应用的原理来设计蒸汽循环系统。

现在更有人研究以卡里纳循环来把余热锅炉的排烟温度进一步降低。

单压蒸汽循环系统的效率低于20％，双压低于32％，三压可达35％或更高。

所以作为联合循环，改进完善其蒸汽循环部分潜力量很大的。

由于上述三方面的原因，使美。日专家对联合循环热效率的预测很快被科技进步所超越和淹没。

三、今后十年联合循环热效挛的目标一62％

现在联合循环发电厂的发电效率已可实现56％，供电效率55％，预计本世纪来，会出现热效率接近或达到60％的机型。这一机型的透平前温会是2600°F1427℃左右，至2005年逐步改进提高至1500℃，提高参数主要技术措施将会是以蒸汽冷却透平的高温部件。有些公司会在个别静态高温部件上试用高温陶瓷材料的器件。这些器件主要是诸如燃烧室火焰筒。燃烧室至透平之间的过渡段。透平的静叶片（喷嘴组）等。

至二十一世纪的二十年代，联合循环技术的发展，预计会接近尾声，这时透平前温会达到3000”F（1649℃），由于燃气轮机是转动机械，其动叶片和轮盘等轮动件所受应力非常大。所以一定要有组织得非常好，非常可靠的，有效的冷却，当燃气温度高于3000°F（烧天然气高于3100°F）时，燃气的强烈辐射热会使冷却变得无能为力。故此，转动机构的燃气轮机，会在1650～1700℃而终止透平前温的增长。这时大型联合循环的热效率会在65～66％左右。

四、联合循环热效率的终点一70％

开发高温位能并首先在燃气轮机得以利用是联合循环首要技术原则，但随着透平前温的提高，辐射热会变得越来越显著，如前所述，透平前温会在1650一1700℃而停止增长。

透平前温的停止增长并不能完全扼住联合循环效率会继续增长的热头，因为根据燃机的工作原理，降低环境的温度同样可以提高效率，而且更有效。地球上的南北极常年所处温度非常低。例如在南极的冷极最低温度为一88℃，常年平均温度为一55℃。常年平均气温在一30℃的南北极面积有近二千万平方公里。如果下世纪人类开发南北极，在那些地方建联合循环电站。那么，这样的联合循环电站将会达到最高的热效率，预计可接近70％。所以说联合循环可实现的最高效率为70％。当然，这些机组应根据低温予以特殊的设计和选材。

附表是根据目前世界上最先进的联合循环水平而对联合循环未来热效率的预测。共八组数据，其中VEGAl09FA一3P已作商业产品在市场销售。并要对其热效率作出商业性的保证。LM6000也已在市场上销售。但它走在余热锅炉加在燃机透平中喷人蒸汽的路，热效率会比联合循环低些，表中所列是本人设想它按联合循环来搞可实现的水平。可以看出其水平与VEGAI09FA一3P相当。共余六组数据，都是以美国GE公司MS9001FA，燃气轮机目前已达到的水平，提高其相应透平前温，提高压气机压比下再考虑未来某些因素（如冷却）的变化，计算出来的。个人认为，这样的预测较有依据，未来会证实其预测的准确性。