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燃氣—蒸汽聯合循環電廠整體配置選擇
摘要：燃氣—蒸汽聯合循環能夠對燃料中的化學能進行梯級利用，與常規火力發電相比，不僅效率高，建設周期短，也更加節能環保。文章分析了燃氣—蒸汽聯合循環工作原理，對聯合循環整體配置選擇進行了探討。
關鍵詞：聯合循環發電 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，節能降耗，保護環境的呼聲越來越高。燃氣—蒸汽聯合循環的優點在于能夠對燃料中的化學能進行梯級利用，與傳統燃煤蒸汽輪機相比，燃氣—蒸汽聯合循環機組效率更高，建設周期更短，用地用水也更少，并且燃氣—蒸汽聯合循環機組更加節能環保，其投資效益也更加明顯，適宜于在我國生存和發展。當前，我國燃氣—蒸汽聯合循環機組基本依賴進口，探討并選擇燃氣—蒸汽聯合循環電廠整體配置，分析影響聯合循環中整體性能的主要因素，將有助于燃氣—蒸汽聯合循環機組的國產化，幫助我國盡快掌握這一先進技術。
1、燃氣—蒸汽聯合循環工作原理
燃氣—蒸汽聯合循環機組主要部件包括燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發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-蒸汽聯合循環的工作原理。
所謂燃氣—蒸汽聯合循環發電就是將燃氣輪機的排氣引入余熱鍋爐，產生高溫、高壓蒸汽驅動汽輪機，以帶動發電機發電[2]。燃氣—蒸汽聯合循環的本質就是將高溫區工作的燃氣輪機Branyton循環與中低溫區工作的蒸汽輪機Rankine循環重疊，形成總能利用系統。通過結合燃氣輪機和蒸汽輪機兩種成熟的機械各自的優點，實現熱能的梯級利用。
燃氣—蒸汽聯合循環中的燃氣輪機直接采用燃氣作為工質，初溫很高，排氣溫度也高;而蒸汽輪機受限于蒸汽性質，初溫不能太高，但是蒸汽凝結溫度低�？梢�，燃氣—蒸汽聯合循環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點，其熱能利用效率較單純的燃氣輪機循環和蒸汽輪機循環都高，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，聯合循環機組的熱效率超過了60%。
2、聯合循環整體配置選擇
燃氣—蒸汽聯合循環機組配置主要包括主機選型、蒸汽系統設計選型、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重要。
2.1 燃氣輪機選型
燃氣輪機是余熱鍋爐中主要設備，決定著發電成本、運行可用率以及供電效率，其選型應主要考慮：熱力性能、環境、經濟性與可靠性等幾個因素。[論文網]
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，影響聯合循環性能最為關鍵的是比功，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，還需要由適合聯合循環最佳的壓比和較高的排氣溫度。但在設計和實際過程中，透平初溫與壓氣機壓比不能無限制增大，透平初溫要根據高溫材料和冷卻技術來確定，而壓氣機的壓比則要根據熱力循環設計優化確定。
燃氣輪機以空氣作為工作介質，由于環境條件、負荷等不斷變化，其聯合循環發電裝置不總處于設計工況下，就需要根據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合確定。
此外，在環境保護越來越成為共識的今天，燃氣機組選型還應有利于環境保護，機組的經濟性要更高，例如，以E級和F級燃機為例進行比較，從經濟性上看，F級成本可以比E級少10%。另外，燃氣機組選擇時，還應考慮所在地區的電站負荷與運行模式，對于承擔調峰的機組，其加速加載性能應該更高，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—蒸汽聯合循環中，高溫的燃機排氣并不是直接進入大氣中，而是經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化設計制造。按照汽水循環的方式，余熱鍋爐可分為自然循環、強制循環和直流鍋爐3種，自然循環鍋爐優點是結構簡單，直流方式給水災蒸發器中沒有再循環，而直接由省煤器進入蒸發器蒸發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)節點溫差。為了充分利用余熱，應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段起始點與燃氣側之間保持一定溫差，因此，排氣終溫不可能無限制降低。從聯合循環最佳效率看，應選擇一個最佳的余熱鍋爐節點溫差。
(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，應根據各煙氣成分在對應溫度下的比燴和其百分含量的代數平均而得。
(5)蒸汽參數。產生的蒸汽溫度越高，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
為了提高聯合循環效率，由余熱鍋爐和汽輪機等組成的蒸汽系統應充分回收燃機的透平排熱，為此，必須合理確定系統流程和參數。根據所選系統的不同壓力、溫度和流量蒸汽，蒸汽循環可分為單壓、多壓和再熱式循環方案。
在實際工程中，對于某個具體的電廠，優化選型蒸汽輪機是提高聯合循環系統效率的關鍵之一。由于燃機的排氣溫度基本上可以認定為定值，因此，對汽輪機的優化選型，主要是壓力選取問題。
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