燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)發(fā)展及運(yùn)行原理分析

摘 要:在單機(jī)設(shè)備效率提高越來越困難的情況下，要提高熱力系統(tǒng)的效率，就必須做到能源梯級(jí)利用，以充分利用各品位的熱能，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。在這種背景下就開始出現(xiàn)了各種聯(lián)合循環(huán)方案。本文在此背景下主要對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)發(fā)展及運(yùn)行原理進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞:燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組 技術(shù)發(fā)展 運(yùn)行

中圖分類號(hào):TM611.3\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A\t\t\t文章編號(hào):1672-3791(2011)10(a)-0021-02

從世界電力工業(yè)發(fā)展的歷程來看，以往人們主要依靠燃煤的蒸汽輪機(jī)電站來實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，工程師的研究主要集中于提高燃煤電站的單機(jī)容量和供電效率以及解決因燃煤而造成的污染問題。改善供電效率的主要方向是:提高蒸汽的初參數(shù)并改進(jìn)其熱力循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，效率高、污染低的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組開始受到重視，并獲得了巨大的發(fā)展。聯(lián)合循環(huán)由于做到了能量的梯級(jí)利用從而得到了更高的能源利用率，又因?yàn)槭褂酶蓛舻哪茉慈缡秃吞烊粴猓詫?duì)環(huán)境造成的污染也很小。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)發(fā)展

就世界電力工業(yè)發(fā)展的歷程來看，以往人們主要依靠燃煤的蒸汽輪機(jī)電站來實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)的。在解決因燃煤而帶來的污染問題方面，人們首先致力于解決粉塵的排放問題，進(jìn)而向解決NOx和SOx的方向發(fā)展。目前，粉塵的排放問題基本上已獲得比較滿意的解決，NOx的問題已能在鍋爐中改用低NOx燃燒器的方法得以控制。但是無論是在燃燒前、燃燒中或燃燒后處理SOx的排放問題，都是很花錢的，許多方案都還在研究之中。目前，世界上在解決SOx的排放問題上用得最普遍的方法是采用尾氣脫硫裝置(FGD)?？墒沁@種裝置的費(fèi)用很高，它大約要占全電站總投資費(fèi)用的20%～25%，運(yùn)行費(fèi)用也很昂貴。

天然氣是清潔環(huán)保的化石燃料，通過低NOx燃燒器的作用，NOx的排放量可以控制在10ppm以下，而CO2的排放量則可以比燃煤或燃油者降低50%左右。

目前，天然氣儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，這為燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)的發(fā)展提供了有利的條件。與傳統(tǒng)的燃煤的蒸汽輪機(jī)電站相比，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)供電效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃煤的蒸汽輪機(jī)電站。目前常規(guī)火力發(fā)電凈效率為38%～40%，我國平均供電效率僅為30%左右。而先進(jìn)成熟的天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率已達(dá)58%以上，是目前實(shí)用發(fā)電技術(shù)中效率最高的;(2)在國外，交鑰匙工程的投資費(fèi)用大約為500～600美元/千瓦，它要比帶有FGD的燃煤蒸汽輪機(jī)電站(1100～1400美元/千瓦)低很多;(3)建設(shè)周期短。可以按分階段建設(shè)方針建廠，資金利用最有效;(4)用地用水都比較少;(5)運(yùn)行高度自動(dòng)化，每天都能起停;(6)運(yùn)行的可用率高達(dá)85%～95%;(7)便于快速黑起動(dòng);(8)由于采用天然氣、液體燃料或煤氣，污染排放問題解決得較徹底。一般來說，無飛塵SOx和NOx都很少，特別是在燃燒天然氣時(shí)，還可以大大地減少CO2的排放量。顯然，優(yōu)先選擇比投資費(fèi)用低，建設(shè)周期短，供電效率又很高的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)來作為調(diào)峰機(jī)組或中間負(fù)荷的機(jī)組，以取代污染排放嚴(yán)重、發(fā)電成本又高的常規(guī)燃煤的蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組是一個(gè)較合理的選擇方案。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行原理分析

2.1 聯(lián)合循環(huán)蒸汽部分的特點(diǎn)

聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽系統(tǒng)是以余熱鍋爐(HRSG)與汽輪機(jī)(ST)為核心的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)，它是用來回收、轉(zhuǎn)換和利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)選定后，聯(lián)合循環(huán)裝置的性能將在很大程度上取決于余熱鍋爐和汽輪機(jī)組成的蒸汽系統(tǒng)的流程設(shè)置和參數(shù)的優(yōu)化匹配。

在聯(lián)合循環(huán)中，余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。與常規(guī)電站過量相比較，余熱鍋爐沒有燃料輸送、煤粉制備和燃燒設(shè)備，僅有汽水系統(tǒng)。余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)與電站鍋爐基本相似，通常是汽包、省煤器、蒸發(fā)器、過熱器以及集箱等換熱管簇和容器等組成的，構(gòu)成了水的加熱、飽和水蒸發(fā)和飽和汽的過熱三個(gè)階段。有再熱的蒸汽循環(huán)可以加設(shè)再熱器。聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主熱源(燃?xì)廨啓C(jī)排熱)為變溫排熱過程，不斷降溫的燃?xì)廨啓C(jī)排氣的顯熱在余熱鍋爐中被逐步吸收，產(chǎn)生蒸汽或熱水。由于溫度較低，在余熱鍋爐中傳熱主要是對(duì)流傳熱，而輻射傳熱?？珊雎浴?/p>

為了使燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱能夠在余熱鍋爐中被充分利用，應(yīng)力爭(zhēng)盡可能降低排氣離開余熱鍋爐時(shí)的溫度值。但是，這個(gè)排氣溫度不可能降得很低的，因?yàn)樵谟酂徨仩t的設(shè)計(jì)中，總要保證鍋爐給水的飽和蒸發(fā)段的起始點(diǎn)與燃?xì)鈧?cè)之間具有一定的溫差(通稱為“節(jié)點(diǎn)溫差”)，否則，余熱鍋爐的受熱面積將增至無窮大。

2.2 聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行原理

目前，燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的供電效率達(dá)到40%左右，即使采用超臨界參數(shù)的蒸汽輪機(jī)技術(shù)，供電效率也僅能達(dá)到45%～47.7%。為了進(jìn)一步提高發(fā)電設(shè)備的效率，人們將蒸汽輪機(jī)循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)結(jié)合起來，從而創(chuàng)造了一種新的方案—— 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。目前，最新的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度超過1600℃，壓氣機(jī)的壓比達(dá)30，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率已超過了60%。聯(lián)合循環(huán)的實(shí)質(zhì)就是把燃?xì)廨啓C(jī)的布雷頓(Brayton)循環(huán)與蒸汽輪機(jī)的郎肯循環(huán)疊置在一起，組合成一個(gè)總的循環(huán)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)直接使用燃?xì)鉃楣べ|(zhì)，因此初溫很高，但是其排氣溫度也高;蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)受限于蒸汽性質(zhì)，蒸汽初溫不能很高，但是蒸汽凝結(jié)溫度很低。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)充分利用了燃?xì)廨啓C(jī)的平均吸熱溫度高和蒸汽輪機(jī)平均放熱溫度低的特點(diǎn)，因此效率整體循環(huán)效率大大高于單獨(dú)的燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。

2.3 典型的聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方案

目前，常規(guī)的使用液體或氣體燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)有三種基本方案，即:不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型;有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型;增壓鍋爐型(如圖1)。

(1)不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)。

圖1中的1-2-3-4-1表示燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)過程;6-7-8-9-10-6表示蒸汽輪機(jī)的實(shí)際循環(huán)過程。不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案中，由燃?xì)廨啓C(jī)排氣的冷卻過程4-5釋放出來的熱能，被用來把蒸汽循環(huán)中的給水，從工況點(diǎn)6起始加熱升溫，經(jīng)歷過程6-11-7-8-9，成為具有一定壓力的過熱蒸汽。在該方案中蒸汽的初溫T9受到然氣輪機(jī)排氣溫度T4的限制，即T9

(2)有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案。

在有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案中，溫度為T4的燃?xì)廨啓C(jī)排氣在余熱鍋爐中和增加的燃料混合燃燒后加熱到T12，進(jìn)而被冷卻降溫到T5，由此釋放出來的熱能被用來加熱給水，使之也經(jīng)歷過程在過程6-11-7-8-9，變成壓力和溫度更高的過熱蒸汽。在該方案中由于T12>T4，因而蒸汽的初溫T9可以高于T4(即蒸汽初溫不受燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度T4的限制)。而蒸汽量也大幅度增加。顯然這時(shí)蒸汽輪機(jī)發(fā)出的功率可以劇增，它能比燃?xì)廨啓C(jī)的功率高2～6倍左右。

(3)增壓鍋爐型方案。

在增壓鍋爐型方案中，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室是與蒸汽循環(huán)中的增壓鍋爐合二為一的，由壓氣機(jī)送來的溫度T2的空氣，首先在增壓鍋爐中被燃燒加熱到T13，進(jìn)而經(jīng)放熱過程13-3釋放出來的熱能用于加熱給水，使其經(jīng)歷過程11-7-8-9變成過熱蒸汽，供蒸汽輪機(jī)使用。增壓鍋爐中的燃?xì)庠跍囟冉档偷絋3后將被送到燃?xì)廨啓C(jī)中去膨脹做功，燃?xì)馔钙降呐艢庠赥4溫度下用來加熱給水，使其沿過程線6-11升溫。

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①作者簡(jiǎn)介:王瑩，男，北京京橋熱電有限責(zé)任公司，助理工程師，方向:電廠集控運(yùn)行。