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燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠整體配置選擇
摘要：燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)能夠?qū)θ剂现械幕瘜W能進行梯級利用，與常規(guī)火力發(fā)電相比，不僅效率高，建設(shè)周期短，也更加節(jié)能環(huán)保。文章分析了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)工作原理，對聯(lián)合循環(huán)整體配置選擇進行了探討。
關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 燃氣輪機 蒸汽輪機 配置
我國電廠能源消費仍然以煤作為最主要的原料，隨著我國能源消費的不斷擴大，節(jié)能降耗，保護環(huán)境的呼聲越來越高。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)點在于能夠?qū)θ剂现械幕瘜W能進行梯級利用，與傳統(tǒng)燃煤蒸汽輪機相比，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組效率更高，建設(shè)周期更短，用地用水也更少，并且燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組更加節(jié)能環(huán)保，其投資效益也更加明顯，適宜于在我國生存和發(fā)展。當前，我國燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組基本依賴進口，探討并選擇燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠整體配置，分析影響聯(lián)合循環(huán)中整體性能的主要因素，將有助于燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的國產(chǎn)化，幫助我國盡快掌握這一先進技術(shù)。
1、燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)工作原理
燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組主要部件包括燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發(fā)電機以及其它一些輔機[1]。探討其整體配置選擇，首先需要了解一下燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的工作原理。
所謂燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電就是將燃氣輪機的排氣引入余熱鍋爐，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機，以帶動發(fā)電機發(fā)電[2]。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)的本質(zhì)就是將高溫區(qū)工作的燃氣輪機Branyton循環(huán)與中低溫區(qū)工作的蒸汽輪機Rankine循環(huán)重疊，形成總能利用系統(tǒng)。通過結(jié)合燃氣輪機和蒸汽輪機兩種成熟的機械各自的優(yōu)點，實現(xiàn)熱能的梯級利用。
燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的燃氣輪機直接采用燃氣作為工質(zhì)，初溫很高，排氣溫度也高;而蒸汽輪機受限于蒸汽性質(zhì)，初溫不能太高，但是蒸汽凝結(jié)溫度低�？梢�，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)充分吸收了燃氣輪機平均吸熱溫度高、蒸汽輪機平均放熱溫度低的雙重優(yōu)點，其熱能利用效率較單純的燃氣輪機循環(huán)和蒸汽輪機循環(huán)都高，從圖1可以看出，其整體利用效率為：
(1)
當前，燃氣輪機進氣溫度超過了1600K，壓氣機的壓比達30，聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率超過了60%。
2、聯(lián)合循環(huán)整體配置選擇
燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組配置主要包括主機選型、蒸汽系統(tǒng)設(shè)計選型、軸系配置等[3]，其中燃氣輪機、余熱鍋爐與蒸汽輪機最為重要，對其進行合理選型至關(guān)重要。
2.1 燃氣輪機選型
燃氣輪機是余熱鍋爐中主要設(shè)備，決定著發(fā)電成本、運行可用率以及供電效率，其選型應(yīng)主要考慮：熱力性能、環(huán)境、經(jīng)濟性與可靠性等幾個因素。[論文網(wǎng)]
單軸燃氣輪機主要由軸流式壓氣機、燃燒室和透平三大部件組成。對于燃氣輪機而言，影響聯(lián)合循環(huán)性能最為關(guān)鍵的是比功，比功越大效率越高，而燃機的燃燒溫度又是決定比功的關(guān)鍵。因此，從熱力性能角度看，燃氣輪機除了具有盡可能高的燃氣初溫外，還需要由適合聯(lián)合循環(huán)最佳的壓比和較高的排氣溫度。但在設(shè)計和實際過程中，透平初溫與壓氣機壓比不能無限制增大，透平初溫要根據(jù)高溫材料和冷卻技術(shù)來確定，而壓氣機的壓比則要根據(jù)熱力循環(huán)設(shè)計優(yōu)化確定。
燃氣輪機以空氣作為工作介質(zhì)，由于環(huán)境條件、負荷等不斷變化，其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置不總處于設(shè)計工況下，就需要根據(jù)實際條件作變工況運行，變工況由壓氣機、燃燒室以及透平的變工況特性聯(lián)合確定。
此外，在環(huán)境保護越來越成為共識的今天，燃氣機組選型還應(yīng)有利于環(huán)境保護，機組的經(jīng)濟性要更高，例如，以E級和F級燃機為例進行比較，從經(jīng)濟性上看，F(xiàn)級成本可以比E級少10%。另外，燃氣機組選擇時，還應(yīng)考慮所在地區(qū)的電站負荷與運行模式，對于承擔調(diào)峰的機組，其加速加載性能應(yīng)該更高，而對用于基本負荷和中間負荷的機組，在合適的燃料利用前提下，優(yōu)先考慮熱效率高和可用性好的型號。
2.2 余熱鍋爐選型
在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，高溫的燃機排氣并不是直接進入大氣中，而是經(jīng)過余熱鍋爐回收燃氣中的余熱，從而得到高溫高壓的蒸汽去蒸汽機作功。與燃氣輪機作為制造廠商定型產(chǎn)品不同，余熱鍋爐是按照燃氣輪機型號以及廠址條件通過優(yōu)化設(shè)計制造。按照汽水循環(huán)的方式，余熱鍋爐可分為自然循環(huán)、強制循環(huán)和直流鍋爐3種，自然循環(huán)鍋爐優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，直流方式給水災(zāi)蒸發(fā)器中沒有再循環(huán)，而直接由省煤器進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成飽和蒸汽后進入過熱器過熱。
影響余熱鍋爐特性的因素主要有以下幾個：
(1)節(jié)點溫差。為了充分利用余熱，應(yīng)盡可能降低排氣離開余熱鍋爐的溫度值，由于總要保證鍋爐給水的飽和蒸發(fā)段起始點與燃氣側(cè)之間保持一定溫差，因此，排氣終溫不可能無限制降低。從聯(lián)合循環(huán)最佳效率看，應(yīng)選擇一個最佳的余熱鍋爐節(jié)點溫差。
(2)接近點溫差。余熱鍋爐的一個重要指標就是接近點溫差。一旦鍋爐尺寸確定，若進入燃氣溫度隨著機組負荷減小時，接近點溫差就會隨之減小。
(3)鍋爐入口燃氣參數(shù)與排煙溫度。余熱鍋爐出口排煙溫度越低，其效率就越高，但因此要擴大受熱面積和增加設(shè)備費用。
(4)煙氣成分。在溫度相同時，不同成分的煙氣燴值不一樣，特別是水與其它成分的差別較大。計算一定溫度下煙氣比焙，應(yīng)根據(jù)各煙氣成分在對應(yīng)溫度下的比燴和其百分含量的代數(shù)平均而得。
(5)蒸汽參數(shù)。產(chǎn)生的蒸汽溫度越高，蒸汽量就會減少，汽輪機的輸出功率則會增加，提高機組效率。
2.3 蒸汽輪機選型
為了提高聯(lián)合循環(huán)效率，由余熱鍋爐和汽輪機等組成的蒸汽系統(tǒng)應(yīng)充分回收燃機的透平排熱，為此，必須合理確定系統(tǒng)流程和參數(shù)。根據(jù)所選系統(tǒng)的不同壓力、溫度和流量蒸汽，蒸汽循環(huán)可分為單壓、多壓和再熱式循環(huán)方案。
在實際工程中，對于某個具體的電廠，優(yōu)化選型蒸汽輪機是提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵之一。由于燃機的排氣溫度基本上可以認定為定值，因此，對汽輪機的優(yōu)化選型，主要是壓力選取問題。
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