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燃气—蒸汽联合循环电厂整体配置选择
摘要：燃气—蒸汽联合循环能够对燃料中的化学能进行梯级利用，与常规火力发电相比，不仅效率高，建设周期短，也更加节能环保。文章分析了燃气—蒸汽联合循环工作原理，对联合循环整体配置选择进行了探讨。
关键词：联合循环发电 燃气轮机 蒸汽轮机 配置
我国电厂能源消费仍然以煤作为最主要的原料，随着我国能源消费的不断扩大，节能降耗，保护环境的呼声越来越高。燃气—蒸汽联合循环的优点在于能够对燃料中的化学能进行梯级利用，与传统燃煤蒸汽轮机相比，燃气—蒸汽联合循环机组效率更高，建设周期更短，用地用水也更少，并且燃气—蒸汽联合循环机组更加节能环保，其投资效益也更加明显，适宜于在我国生存和发展。当前，我国燃气—蒸汽联合循环机组基本依赖进口，探讨并选择燃气—蒸汽联合循环电厂整体配置，分析影响联合循环中整体性能的主要因素，将有助于燃气—蒸汽联合循环机组的国产化，帮助我国尽快掌握这一先进技术。
1、燃气—蒸汽联合循环工作原理
燃气—蒸汽联合循环机组主要部件包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机以及其它一些辅机[1]。探讨其整体配置选择，首先需要了解一下燃气-蒸汽联合循环的工作原理。
所谓燃气—蒸汽联合循环发电就是将燃气轮机的排气引入余热锅炉，产生高温、高压蒸汽驱动汽轮机，以带动发电机发电[2]。燃气—蒸汽联合循环的本质就是将高温区工作的燃气轮机Branyton循环与中低温区工作的蒸汽轮机Rankine循环重叠，形成总能利用系统。通过结合燃气轮机和蒸汽轮机两种成熟的机械各自的优点，实现热能的梯级利用。
燃气—蒸汽联合循环中的燃气轮机直接采用燃气作为工质，初温很高，排气温度也高;而蒸汽轮机受限于蒸汽性质，初温不能太高，但是蒸汽凝结温度低。可见，燃气—蒸汽联合循环充分吸收了燃气轮机平均吸热温度高、蒸汽轮机平均放热温度低的双重优点，其热能利用效率较单纯的燃气轮机循环和蒸汽轮机循环都高，从图1可以看出，其整体利用效率为：
(1)
当前，燃气轮机进气温度超过了1600K，压气机的压比达30，联合循环机组的热效率超过了60%。
2、联合循环整体配置选择
燃气—蒸汽联合循环机组配置主要包括主机选型、蒸汽系统设计选型、轴系配置等[3]，其中燃气轮机、余热锅炉与蒸汽轮机最为重要，对其进行合理选型至关重要。
2.1 燃气轮机选型
燃气轮机是余热锅炉中主要设备，决定着发电成本、运行可用率以及供电效率，其选型应主要考虑：热力性能、环境、经济性与可靠性等几个因素。[论文网]
单轴燃气轮机主要由轴流式压气机、燃烧室和透平三大部件组成。对于燃气轮机而言，影响联合循环性能最为关键的是比功，比功越大效率越高，而燃机的燃烧温度又是决定比功的关键。因此，从热力性能角度看，燃气轮机除了具有尽可能高的燃气初温外，还需要由适合联合循环最佳的压比和较高的排气温度。但在设计和实际过程中，透平初温与压气机压比不能无限制增大，透平初温要根据高温材料和冷却技术来确定，而压气机的压比则要根据热力循环设计优化确定。
燃气轮机以空气作为工作介质，由于环境条件、负荷等不断变化，其联合循环发电装置不总处于设计工况下，就需要根据实际条件作变工况运行，变工况由压气机、燃烧室以及透平的变工况特性联合确定。
此外，在环境保护越来越成为共识的今天，燃气机组选型还应有利于环境保护，机组的经济性要更高，例如，以E级和F级燃机为例进行比较，从经济性上看，F级成本可以比E级少10%。另外，燃气机组选择时，还应考虑所在地区的电站负荷与运行模式，对于承担调峰的机组，其加速加载性能应该更高，而对用于基本负荷和中间负荷的机组，在合适的燃料利用前提下，优先考虑热效率高和可用性好的型号。
2.2 余热锅炉选型
在燃气—蒸汽联合循环中，高温的燃机排气并不是直接进入大气中，而是经过余热锅炉回收燃气中的余热，从而得到高温高压的蒸汽去蒸汽机作功。与燃气轮机作为制造厂商定型产品不同，余热锅炉是按照燃气轮机型号以及厂址条件通过优化设计制造。按照汽水循环的方式，余热锅炉可分为自然循环、强制循环和直流锅炉3种，自然循环锅炉优点是结构简单，直流方式给水灾蒸发器中没有再循环，而直接由省煤器进入蒸发器蒸发成饱和蒸汽后进入过热器过热。
影响余热锅炉特性的因素主要有以下几个：
(1)节点温差。为了充分利用余热，应尽可能降低排气离开余热锅炉的温度值，由于总要保证锅炉给水的饱和蒸发段起始点与燃气侧之间保持一定温差，因此，排气终温不可能无限制降低。从联合循环最佳效率看，应选择一个最佳的余热锅炉节点温差。
(2)接近点温差。余热锅炉的一个重要指标就是接近点温差。一旦锅炉尺寸确定，若进入燃气温度随着机组负荷减小时，接近点温差就会随之减小。
(3)锅炉入口燃气参数与排烟温度。余热锅炉出口排烟温度越低，其效率就越高，但因此要扩大受热面积和增加设备费用。
(4)烟气成分。在温度相同时，不同成分的烟气烩值不一样，特别是水与其它成分的差别较大。计算一定温度下烟气比焙，应根据各烟气成分在对应温度下的比烩和其百分含量的代数平均而得。
(5)蒸汽参数。产生的蒸汽温度越高，蒸汽量就会减少，汽轮机的输出功率则会增加，提高机组效率。
2.3 蒸汽轮机选型
为了提高联合循环效率，由余热锅炉和汽轮机等组成的蒸汽系统应充分回收燃机的透平排热，为此，必须合理确定系统流程和参数。根据所选系统的不同压力、温度和流量蒸汽，蒸汽循环可分为单压、多压和再热式循环方案。
在实际工程中，对于某个具体的电厂，优化选型蒸汽轮机是提高联合循环系统效率的关键之一。由于燃机的排气温度基本上可以认定为定值，因此，对汽轮机的优化选型，主要是压力选取问题。
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