大型天然气联合循环发电技术应用与研究.docVIP

大型天然气联合循环发电技术 Power Generation Technology of Large-Scale Natural Gas –Fired Combined Cycle 浙江省电力设计院 何 语 平 摘 要：为配合“西气东输”和液化天然气（LNG）的输入，我国东部地区正在建设一批大型联合循环电厂。为了使建成后的电厂单位投资省、热效率高、投产后具有较好的效益，对大型天然气联合循环发电技术进行全面而系统的研究和优化至关重要。本文对影响大型天然气联合循环电厂效率的各种因素进行了研究，对联合循环系统的优化、燃气轮机选型、蒸汽系统的优化、参数选择、余热锅炉和汽轮机选型、机组轴系配置、动力岛布置等方面进行了深入的分析研究，并提出了明确的优化途径和结论。 关键词：天然气；联合循环发电 0 前言 我国东部地区经济发达，但一次能源匮乏。目前火力发电厂以煤炭消费为主，环境污染日趋严重。为了减少SO2排放并控制酸雨的危害，许多已投运的机组纷纷补上尾部烟气脱硫装置（FGD）。 为了优化能源结构、改善环境，国家决定利用西气东输，东海油气和进口液化天然气（LNG）等清洁能源，建设一批大型天然气联合循环电厂。 天然气是高效清洁能源，燃气-蒸汽联合循环机组燃用天然气将极大地改善环境污染问题。燃用天然气没有粉尘、没有灰渣。天然气几乎不含硫，因而几乎没有SO2排放。由于采用低NOx燃烧器，NOx的排放也降到极低的程度。又由于天然气成分中主要是CH4，烟气中CO2的排放也大大减少。 近几年由于燃气轮机的单机功率和热效率有了很大程度的提高，特别是联合循环的理论研究、产品开发和电厂运行实践更趋成熟，目前大型燃气轮机的单机功率已超过250MW，热效率已超过36％；所组成的联合循环的功率已达到390MW，热效率也已达到56.7％~58.5％。其热效率之高，不仅远远超过现有燃煤蒸汽轮机电厂，甚至比超超临界参数的燃煤蒸汽轮机电厂还要优越。世界上的联合循环电厂正向大型化和高效化发展。 在电厂投资方面，根据华东地区西气东输的大型单轴联合循环机组（江苏戚墅堰、望亭、张家港、杭州半山，均为老厂扩建）的可行性研究统计，投资估算为3104元/kW~3356元/kW，比带脱硫装置的300MW燃煤蒸汽轮机电厂的造价低19.6％～25.7%。 我国天然气价格相对较高，为使建成后的电厂单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好的效益，对大型天然气联合循环发电技术进行全面而系统的研究和优化至关重要。 1 联合循环系统优化 1.1提高联合循环效率的途径 图1 燃气循环 图2 蒸汽循环 图3 燃气-蒸汽联合循环 联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环。燃气-蒸汽联合循环就是利用燃气轮机做功后的高温排气在余热锅炉中产生蒸汽，再送到汽轮机中做功，把燃气循环（勃莱敦循环）和蒸汽循环（郎肯循环）联合在一起的循环。 图4 燃气-蒸汽联合循环的T-S图 根据热力学原理，理想热力循环（卡诺循环）的效率为，式中T1为热源平均吸热温度，T2为冷源平均放热温度。公式表明，热源平均吸热温度越高，冷源平均放热温度越低，则循环效率越高。 燃气-蒸汽联合循环中的高温热源温度（透平初温）高达1100～1300℃，其热源平均吸热温度远远高于蒸汽循环常采用的主蒸汽温度540～603℃的热源平均吸热温度，而联合循环中的冷源平均放热温度（凝汽器温度）29～32℃远远低于一般燃气循环的排气温度450～640℃。也就是燃气-蒸汽联合循环从非常高的高温热源吸热，向尽可能低温的冷源放热，因此联合循环的热效率比组成它的任何一个循环的热效率都要高得多。 目前蒸汽循环凝汽器的真空随外部循环冷却水的水温、冷却方式和真空系统的不同而略有变化，一般为0.04～0.05bar(a)，其相应的温度为29～32℃，已难以降到更低。而燃气循环的透平初温，近年来随着叶片材料和冷却技术的提高还在不断提高。因此提高联合循环效率的首要途径就是选择透平初温较高的燃气轮机。理论研究证实[1]，提高燃气轮机的初温，可以使联合循环的效率大大提高。 1.2 余热锅炉的补燃与不补燃 所谓补燃，即在余热锅炉中再补充燃烧一部分燃料（气体、液体或固体燃料均可），增大余热锅炉的产汽量，并提高主蒸汽参数（不补燃余热锅炉的主蒸汽温度受到燃气轮机排气温度的限制），由此可以增大汽轮机的功率。 早期的燃气轮机初温较低，排气温度也较低，组成不补燃的联合循环，所能匹配的汽轮机参数必然也很低，因此联合循环的效率也不高。采用补燃后，就可与高参数的汽轮机相匹配，使联合循环的效率得以提高。 理论研究表明[2]，随着燃气初温的不断提高，余热锅炉产生的主蒸汽参数已经很高。少量补燃后，如保持蒸汽参数不变，一般总会使联合循环的效率下降；如保持蒸汽量和余热锅炉的