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机排气背压升高所引起的功率损失小。

其次，因为余热蒸汽系统回收了燃气轮机排气中的一部分热量转化成了有效输出功，对于燃气轮机来说它可以起到回热器的作用。

因此，在余热锅炉型燃气—蒸汽联合循环系统中，在燃气初温相同的条件下燃气轮机最佳效率压比降低了，并且当燃气轮机的压比在最佳值附近变化时，系统热效率下降幅度比较平缓，这有利于减小压气机的设计和制造难度，同时还可以提高系统的低负荷热效率。

余热蒸汽系统的当量热效率越高，就相当于回热器的回热度越大，燃气轮机的效率最佳压比就越小。

不过蒸汽轮机的热效率一般只有40%以下，因此余热蒸汽系统的热回收率是不高的，相当于回热器的回热度不够大，因此联合循环燃气轮机的效率最佳压比仍要高于最佳比功压比。

正是因为发电用的大型工业燃气轮机都是为联合循环设计的，采用的是联合循环工作方式的效率最佳压比，所以在单独工作时，热效率不如技术水平相同的由航空发动机改装的燃气轮机高。

与单独工作的回热式燃气轮机不同的是，联合循环中燃气轮机的比功最佳压比稍有下降，这是因为燃气轮机压比减小时，排气温度升高，余热蒸汽系统的输出功率会稍有增加。

不过作为发电设备，联合循环中的燃气轮机都采用效率最佳压比作为设计参数。

第三，由于联合循环的特殊工作特点，有些在简单循环燃气轮机以及常规蒸汽轮机上不能采用或难以采用的技术却适合于联合循环使用，从而进一步提高系统的热效率。

比如联合循环燃气轮机更加适合于采用中冷—再热循环，高温部件可以采用蒸汽冷却技术等。

采用中冷—再热循环能够在很大程度上提高燃气轮机的比功，但是中冷增加了热量损失，再热提高了涡轮排气温度，因此在单独工作的燃气轮机中采用中冷—再热循环，并不一定能够提高热效率。

但是在联合循环中因为有余热锅炉回收热量，因此即使燃气轮机排气温度升高，对机组的热效率影响也不大，并且压气中冷热量也可以由蒸汽系统回收，所以联合循环中燃气轮机采用中冷—再热循环一般能够提高比功和热效率。

比如，ABB公司的GT—26机组，燃气初温只有1260℃，但是由于采用了压气中冷和再热循环，因此虽然燃气轮机效率只有38.2%，联合循环效率却能达到58.5%，与燃气初温1430℃水平的9G、W501G机组相当。

蒸汽的换热系数比空气大，联合循环系统本身产生蒸汽，因此在联合循环中的燃气轮机高温部件就可以使用蒸汽冷却。

通常在燃气轮机中高温部件所用的冷却空气流量是机祖总流量的10—15%，在冷却叶片前为了提高冷却效果，通常还要将其温度降低一些。

在燃气中加入这么多冷气流，将会使燃气平均做功温度大幅下降，
一般要达到120—180℃，降低了涡轮的有效输出功率和机组的热效率。

使用蒸汽冷却时，采用的是闭式循环工作方式，在主燃气流中不混入冷气流，燃气的平均做功温度不会有太大的下降，这就相当于提高了燃气初温，从而机组的热效率和比功都能够得到提高。

冷却后的高温蒸汽进入蒸汽回路，进一步降低了因为冷却导致的损失。

另外因为蒸汽冷却是闭式循环，使用蒸汽冷却时涡轮叶片等部件没有孔隙，表面不开槽口，这样不仅增加了零件结构强度，还进一步减少了燃气流的扰动，减少了二次流损失，提高了涡轮级效率，并且也能够杜绝冷却气孔被堵塞的可能，使冷却更加稳定可靠。

GE公司的9G机组和9H机组具有相同的燃气初温、压比和空气流量，9G 机组的涡轮叶片采用常规的气冷设计，由于冷却引起的燃气做功温度降低达155℃，9H机组则使用高压汽缸排出的冷的再热蒸汽和余热锅炉产生的中压蒸汽冷却第一级涡轮和第二级静叶叶片，因为冷却引起的燃气做功温度降低只有44℃，冷却后蒸汽的温度则被提高到再热蒸汽温度水平，汇入再热后的蒸汽，进入中压汽缸做功，从而避免了冷却热损失。

因此9G机组输出功率286MW，热效率39.5%，联合循环系统效率58%，而9H机组输出功率328MW，热效率41%，联合循环系统效率达到了60%。

可以使用蒸汽冷却的零部件包括燃烧室及其过渡段、涡轮进口导向喷嘴环、涡轮动叶和静叶等。

当然，当余热锅炉停运时，使用蒸汽冷却的燃气轮机是不能运行的，这使机组的运行灵活性受到了一定限制。

如果要求在余热锅炉停运时燃气轮机仍然能够使用，就必须由单独的汽源提供冷却用的蒸汽，这可能增
加系统投资。

不过多数大型联合循环发电系统都采用余热蒸汽轮机自身启动，要配置一台锅炉提供启动蒸汽和蒸汽轮机暖机蒸汽，因此当余热锅炉停运时，冷却所需要的蒸汽可以由启动锅炉提供。

最后，联合循环工作方式还要影响燃气轮机功率输出轴的安装位置。

为了输出电功率，必须在燃气轮机轴上安装发电机。

在压气机前方安装发电机，有可能会增加压气机进气阻力，因此绝大多数单独工作的燃气轮机都是从高温端输出功率的，也就是在排气侧燃气涡轮后安装发电机，特别是采用自由涡轮设计的燃气轮机。

但是当燃气轮机配置余热锅炉组成联合循环时，因为涡轮后排气侧要安装余热锅炉，如果此时在涡轮后方安装发电机，必须采用较大的转折气道使烟气转向，并加长输出轴，使传动轴从烟道壁面穿出，这样轴端密封要承受排气高温作用，设计难度大，另外烟气流动阻力也增加了。

联合循环装置一般都是地面使用的大型发电设备，为了改善压气机工作条件，压气机进口都装有空气过滤器，空间很大，即使在压气机进口前方安装发电机，也不会增加进气阻力。

因此，目前专门设计的工业重型联合循环机组，趋向于采用从冷端输出功率的方式。

不过原来设计不是由冷端输出功率的燃气轮机，组成联合循环并在冷端输出功率时要进行相应的改造，必须加长压气机轴，满足安装发电机的要求。

同时还要注意，因为组成联合循环系统后装置的输出功率比燃气轮机单独工作时的大，需要从轴上输出的扭矩增加，所以必须校核轴系强度，如果强度不够，必须对传动轴进行加强，采取专门的措施或者重新设计，使它满足传递联合循环输出功率的要求。

为了简化结构，大型发电用燃气轮机一般都采用单轴设计型式，能够方便地从冷端输出功率。

但是因为压气机转子部分的轴系强度是以压气机耗功功率作为设计扭矩的，所以从冷端输出功率时必须采取相应的措施加强压气机转子强度，如果设计不好，可能会出现一些问题。

比如GE公司一台7FA系列机组，在改成从冷端输出功率时采用了增加拉杆预紧力的方法来增加压气机轴系强度。

在经过长时间运行后，由于受到反复机械应力以及交替冷热应力作用，拉杆螺栓的预紧力减小了，此后压气机转子各轮盘间出现了松动，甚至发生了位移，破坏了转子的动平衡条件，从而使机组在运行时振动严重，在运行一定时间之后压气机静子和转子发生了轻微的摩擦和碰撞，最终出现了某些静止部件的开裂。

据GE公司宣称，7F/9FA机组的上述故障已经排除。

但是是否已彻底解决，从用户的观点来看，尚待今后长期运行结果的考验。

由高涵道比涡轮风扇发动机改造的燃气轮机，低压涡轮轴功率本来就是通过高压级转子的中心孔通到发动机前面的，因此结构上可以不作太大的改动。

但是原设计中传动轴所传递的轴功率是按照燃气轮机功率选取的，因此在组成联合循环时轴系强度可能不够，同时受到原来的结构设计限制，传动轴的直径是较难增加的，必要时只能采用更优质的材料。

采用自由涡轮设计，而自由涡轮高一级的转子又没有中心孔，并且不允许加工中心孔的燃气轮机，一般不能在冷端输出功率。

余热锅炉与普通锅炉的差别
首先在热力性能和汽水流程方面余热锅炉同普通锅炉的差别很大。

普通锅炉进气温度是环境大气的温度，是比较低的，所以通常设置空气预热器回收低温低品位的热量，这样能够允许蒸汽轮机的给水使用抽汽回热加热，以提高蒸汽轮机效率。

而余热锅炉进口的是烟气而不是空气，不能安装空气预热器。

为了尽量降低余热锅炉的排气温度，提高余热锅炉的当量热效率，从冷凝器出来的冷水直接进入锅炉吸热。

余热锅炉中烟气最高温度较低，是燃气轮机排气温度，一般只有550—620℃，单位重量燃气含有的热量有限，所以同样烟气流量的余热锅炉蒸发量比普通锅炉小，也就是汽气比小。

余热锅炉中汽气比一般在0.1—0.25左右，而普通锅炉中大约为0.8—1.2。

在锅炉内的换热过程中，烟气的温度是直线下降的，而水汽系统的温度上升规律则是折线，折线的水平部分就是水的蒸发过程。

在换热过程中任何一点的烟气温度必须高于同位置的水汽温度，因此初始蒸发点二者之间的温度差也就是节点温差必须大于零。

一般在余热锅炉中，节点温差在8—20℃，接近点温差在5—20℃。

此后，如果汽气比足够大，那么在蒸发器后的换热过程中烟气温度和给水温度就能够平行下降，从而使烟气排出锅炉的温度能够降得很低。

但是因为余热锅炉中的汽气比小，所以在蒸发器后，烟气温度下降的速度比给水温度上升的速度慢，也就是说在蒸发器后烟气温度与给水温度的差值将越来越大。

所以，在余热锅炉中即使给水完全使用烟气加热，烟气的最终排放温度还是比较高的，一般要达到160—200℃。

而联合循环一般都采用天然气作燃料，
烟气中不含腐蚀性物质，所以余热锅炉排烟温度允许降得很低。

为了进一步降低烟气的排放温度，提高余热锅炉的当量热效率，在大部分余热锅炉中不仅加热主蒸汽给水的热量完全由烟气提供，并且有时还采用双压或三压汽水发生系统。

在这种系统中，余热锅炉除了产生高温高压的主蒸汽以外，还额外产生一种或两种低温低压的蒸汽，以增加汽水系统在余热锅炉低温段的吸热量，更加充分地降低烟气的排气温度。

从理论上解释，这是增加了低温段的汽气比，因此使烟气低温段的温降曲线更加陡削，锅炉出口烟气温度就可以降得更低。

根据余热锅炉汽水系统压力等级设置的不同，可以分为单压、双压和三压方式。

采用双压汽水发生系统时余热锅炉排烟温度可以降低到127—145℃，而采用三压汽水发生系统排烟温度则可以降低到80—90℃。

为了提高余热蒸汽循环的平均吸热温度，高压汽缸出口蒸汽也可以在余热锅炉中采用再热，因此余热锅炉最常用的蒸汽循环流程就可以分为单压、双压、双压再热、三压和三压再热五种。

因为余热锅炉中烟气最高温度较低，单位质量烟气所含有的热能少，所以即使排气温度比普通燃煤锅炉排气温度低，余热锅炉的当量热效率也不高。

一般上述五种汽水系统余热锅炉的当量热效率分别可以达到70—75%、75—78%、80—82%、82—85%、83—90%。

当使用的燃料中含有硫成分时，为了避免在低温换热器处析出酸露腐蚀换热管簇，锅炉排气温度应高于腐蚀物质露点温度10℃以上，一般要达到160—180℃，此时余热锅炉的当量热效率可以降至65%左右。

其次，正因为余热锅炉在热力性能和汽水流程方面同普通锅炉的差别很
大，所以它的结构也会与普通锅炉有很大的差别。

因为余热锅炉进口的是热气流，而从冷凝器出来的冷水直接进入锅炉吸热，所以要在余热锅炉中出口段安装给水预热器，而不是安装空气预热器。

汽水流程方式的不同也导致锅炉内受热面的种类和布置与普通锅炉有所差别。

在三压再热式自然循环余热锅炉中，高温烟气先经过过热器和再热器，然后依次经过高压蒸发器、中压蒸发器、二级高压省煤器、中压蒸发器、初级高压省煤器、中压省煤器、低压蒸发器、低压省煤器，最后流出锅炉。

通常，余热锅炉出口主蒸汽压力比余热蒸汽轮机进口主蒸汽压力高3%左右，温度则高3—4℃。

再热蒸汽压力比高压涡轮出口再热前的蒸汽压力低12—14%，比中压涡轮进口蒸汽压力高2.5—3%，温度高2—3℃。

余热锅炉中的最高烟气温度低，换热端差小，所以在换热量相同的情况下就要求有更大的受热面积，通常使用小直径的螺旋鳍片管来制作换热面。

为了提高余热锅炉中传热系数的的同时减小烟气流动阻力，要采用适当的管间距，合理的鳍片高度及节距。

余热锅炉要有较低的压阻损失，以便尽量降低对燃气轮机输出功率的影响。

这样就导致了余热锅炉的体积和重量比具有相同换热量的普通锅炉大一些。

同时，在余热锅炉进口设置减速增压的扩压段也增大了锅炉容积。

为了增加传热系数，余热锅炉中采用较大的烟气流速。

因为烟气流速大，湍流度大，虽然加大了传热系数，但也会使烟道和管簇振动，并且会磨
损隔热层，并使烟气偏流。

为此有必要在烟道中装设导流板。

为了发挥燃气轮机启动快的优势，余热锅炉也应该具有快速启动能力，通常要求余热锅炉冷态启动时间为20—30分钟。

因此，余热锅炉应该有小的热惯性。

以允许在启动过程中有较快的升压速度，改善余热锅炉的快速启动性和对负荷变动的快速适应性。

为了适应余热锅炉的快速启动要求，必须解决启动过程中的管簇等零部件的热膨胀问题，因此一般管簇采用吊装的方式，同时还要尽量减轻受热面重量。

重量轻不仅可以减少热惯性，还能够节省材料和造价。

采用小直径的鳞片管来制作换热面也有利于减小锅炉的的热惯性。

燃气轮机的工作能力并不受余热锅炉的限制，所以有时为了增加电厂的可利用率，要求余热蒸汽轮机检修时燃气轮机能够单独工作。

这一般有两种方法:
其一是燃气轮机的出口段设有旁通阀，当燃气轮机单独工作时排气由旁通阀排出。

这样还有利于对余热锅炉进行检修。

但是，因为旁通阀不可能关闭得很严，在余热锅炉系统正常工作时一般会有0.5—1%的烟气泄漏，这一般会降低机组绝对效率0.2—0.4%。

其二是要求余热锅炉有一定的干烧能力。

比如西门子公司设计的余热锅炉就要求可以在烟气初温475℃下干烧240小时以上。

自然循环锅炉不设置循环泵，因此耗电量少，所以近年来越来越多的人认为自然循环是余热锅炉更合理的选择。

不过，在自然循环锅炉中，由于要组织好汽水流程，所以烟道中需要加一些挡板，因而会增加烟气的流动损失，增加燃气轮机排气背压。

而强制循环锅炉中换热面的布置受。