第2章 聯(lián)合循環(huán)的概念和典型方案

1燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)西安交通大學能動學院葉輪機械研究所

2內(nèi)容提要第1章中國的能源狀況與電力工業(yè)的發(fā)展方向第2章聯(lián)合循環(huán)的概念和典型方案第3章燃氣蒸汽聯(lián)合性能分析第4章余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的變工況第5章聯(lián)合循環(huán)中使用的蒸汽輪機第6章余熱鍋爐與聯(lián)合循環(huán)的汽水系統(tǒng)第7章整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)第8章增壓流化床聯(lián)合循環(huán)3第2章聯(lián)合循環(huán)的概念和

典型方案4

基本內(nèi)容：

2.1聯(lián)合循環(huán)基本原理

2.2常規(guī)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)

2.3注蒸汽循環(huán)（程式循環(huán)）

2.4濕空氣透平循環(huán)（HAT循環(huán)）

2.5其它聯(lián)合循環(huán)

52.1聯(lián)合循環(huán)基本原理F——燃料能量W——電站產(chǎn)生功QA——電站向冷源放出熱量（第一、第二章用以上符號）2.1.1研究電站熱力學的目的

效率是經(jīng)濟性研究的最主要內(nèi)容62.1.2卡諾循環(huán)

循環(huán)？同一質(zhì)量的同一工質(zhì)從一個點經(jīng)過一個循環(huán)回到原來的狀態(tài)（閉循環(huán)）正循環(huán)？逆循環(huán)？熱能到機械能的轉換稱為正循環(huán)卡諾循環(huán)？等熵壓縮、高溫熱源溫度恒定條件下等溫吸熱、等熵膨脹、低溫熱源溫度恒定條件下等溫放熱等熵？既無與外界熱交換，本身也沒有損失換熱過程有無溫差影響？有溫差傳熱過程必定帶來損失72.1.2卡諾循環(huán)（續(xù)）

82.1.2卡諾循環(huán)（續(xù)）

92.1.3閉式循環(huán)電站

蒸汽輪機電站及朗肯循環(huán)T-S圖10蒸汽輪機3條工質(zhì)回路1、煙氣回路（非熱力循環(huán)）開循環(huán)2、水、水蒸汽回路（熱力循環(huán)）3、冷卻水循環(huán)，開循環(huán)3個回路之間關系回路1是回路2的高溫熱源，回路3是回路2的低溫熱源2.1.3閉式循環(huán)電站（續(xù)）

11兩個熱源？熱力學第二定律：只有1個熱源不可能連續(xù)產(chǎn)生機械功——開爾文1851，不可能從單一熱源取熱，并使之完全變成有用功而不引起其他變化3個回路特點？只有熱量交換，沒有質(zhì)量交換特例：鍋爐爆管，冷凝器漏管2.1.3閉式循環(huán)電站（續(xù)）

122.1.3閉式循環(huán)電站（續(xù)）

132.1.3閉式循環(huán)電站（續(xù)）

蒸汽輪機回熱器14蒸汽輪機的朗肯循環(huán)：機組效率25~46%蒸汽輪機循環(huán)技術成熟，單機功率大，效率較高；存在燃煤的污染問題，如果加裝尾氣脫硫裝置(FGD)，則成本較高；蒸汽輪機蒸汽初參數(shù)不高，是限制其循環(huán)效率的主要因素，提高蒸汽初參數(shù)是提高效率的有效手段?！?/p>

超臨界、超超臨界機組2.1.3閉式循環(huán)電站（續(xù)）

152.1.4開式循環(huán)電站

燃汽輪機電站及Brayton循環(huán)T-S圖162.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

17SiemensV64.3A_67MW_50Hz2.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

18附：燃機命名規(guī)則

19附：燃機命名規(guī)則

20附：環(huán)形燃燒室

212.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

222.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

23燃氣輪機是否為熱力循環(huán)？工質(zhì)？空氣－－燃氣質(zhì)量？透平中相比壓氣機中增加了燃料量壓縮﹑吸熱﹑膨脹、放熱四個熱力過程沒有構成一個封閉的回路，T-S圖上的1點不閉合的。——————開式循環(huán)（BraytonCycle）2.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

242.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

把開式循環(huán)燃氣輪機電站作為閉式循環(huán)電站處理的等效圖開循環(huán)等效為循環(huán)本質(zhì)差別，忽略空氣和燃氣的物性差別，忽略空氣和燃氣的質(zhì)量差別（V94.3A空氣流量645kg/s，燃氣659kg/s)，主要用于定性分析。定量分析時不應當使用上述替換方法。252.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

26回熱器2.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

272.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

回熱器28Brayton循環(huán)效率：20%-38%燃氣輪機具有快速“黑啟動”的特性；燃氣輪機的排放很低；燃氣輪機的比投資費用較低；燃氣輪機單機功率較小，而且必須燃燒天然氣或油；燃氣輪機初參數(shù)很高，但排氣溫度也很高；排氣溫度是限制其效率的主要因素。

2.1.4開式循環(huán)電站（續(xù)）

292.1.5燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)

朗肯循環(huán)、Brayton循環(huán)、聯(lián)合循環(huán)與卡諾循環(huán)的關系示意圖前溫利用技術30磁流體發(fā)電312.1.5燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)

32燃氣輪機排氣溫度高達400~600°C；燃氣工質(zhì)流量大，300kg/s以上；利用排氣余熱加熱蒸汽輪機系統(tǒng)的給水，產(chǎn)生高溫、高壓的水蒸汽，送到蒸汽透平做功。燃氣輪機排氣余熱得到利用，從而使循環(huán)效率得到提高（效率55%—60%）——聯(lián)合循環(huán)本質(zhì)！熱損失大！2.1.5燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（續(xù)）

33循環(huán)中幾個關鍵溫度和效率卡諾循環(huán)：最高溫度1650℃、最低溫度取25℃時效率84.5%朗肯循環(huán)超臨界機組，溫度566℃，壓力25MPa，效率38～41.9％，超超臨界(26.25MPa/600℃/600℃)，設計效率43.8%損失來源：汽化潛熱，向冷源放熱鍋爐中大的傳熱溫差2.1.5燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（續(xù)）

342.1.5燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（續(xù)）

布雷頓循環(huán)：F級機組，T31327度，效率37～38.7%損失來源：吸熱過程大的傳熱溫差放熱過程溫差大，有火用損失燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)（采用F級燃機）：效率54.8~57.2%。352.2常規(guī)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)不補燃的余熱鍋爐型有補燃的余熱鍋爐型增壓鍋爐型36PST=(1/2)PGT2.2.1不補燃余熱鍋爐型

372.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

1）新蒸汽溫度低于燃氣輪機排氣溫度，新蒸汽壓力也受到限制，因此下位循環(huán)效率較低；2）汽輪機功率比較小，受限于燃氣流量和參數(shù)，燃機負荷波動時，汽輪機將隨之變化；3）燃氣可分兩路，一路進入余熱鍋爐，一路直接排入煙囪，便于燃機單獨運行或汽機負荷調(diào)節(jié)。4）燃料熱能的流通路徑：串行382.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

余熱鍋爐溫差與吸熱量之間的關系1）節(jié)點溫差：6-c2）接近點溫差：c-c*3）進口溫差：4-e4）出口溫差：s-b比熱容：氫氣：14.30kJ/(kg·K)氦氣：5.193kJ/(kg·K)液氨：4.609kJ/(kg·K)水：4.184kJ/(kg·K)鋰：3.60kJ/(kg·K)39多壓余熱鍋爐402.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

機組型號燃機輸出功率(KW)燃機效率(%)汽機輸出功率(kw)機組總功率(KW)總供電效率(%)131400(31800)26.0(26.2)17140(22000)48540(53800)40.2(44.3)266630(67470)29.1(29.3)31500(39000)98130(106470)41.9(46.2)373600(74530)27.9(28.1)36500(46000)110100(120530)41.7(45.4)說明： 1、表中多數(shù)是指15℃，0.1013MPa標準大氣條件下，燃用輕油的“單

壓汽水發(fā)生系統(tǒng)”的情況。

2、括號中的數(shù)據(jù)則是指燒天然氣時的“雙壓汽水發(fā)生系統(tǒng)”的情況原BBC公司提供的不補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的技術數(shù)據(jù)

41BlackPoint電站中不補燃余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的熱力系統(tǒng)

1-除氧器2-高壓給水泵3-除氧器儲水箱4-低壓給水泵5-低壓鍋筒6-低壓省煤器7-低壓蒸發(fā)器8-低壓蒸發(fā)器的循環(huán)泵9-高壓省煤器10-低壓過熱器11-高壓鍋筒12-高壓蒸發(fā)器循環(huán)泵13-高壓蒸發(fā)器14-高壓第一級過熱器15-減溫器16-高壓第二級過熱器17-燃氣輪機

18-高壓蒸汽透平19-低壓蒸汽透平20-低壓蒸汽旁通閥21-高壓蒸汽旁通閥22-由凝結水處理廠來23-會凝結水處理廠24-主冷卻水(海水)25-凝結水泵26-凝汽器2.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

42聯(lián)合循環(huán)臺數(shù) 8臺（109FA型）每臺聯(lián)合循環(huán)的凈功率： 312MW供電效率： 52.9%燃氣輪機：制造廠家：歐洲四臺，GE四臺型號：PG93FA燃氣初溫 1288℃

排氣溫度：613.l℃蒸汽輪機：制造廠家：GECAlsthom型式：單流高壓/單流低壓高壓蒸汽進口壓力：10.3MPa高壓蒸汽溫度：534℃低壓蒸汽進口壓力：0.48MPa低壓蒸汽溫度：286℃余熱鍋爐(HRSG):制造廠家：BabcockEnergyLtd型式：雙壓、強制循環(huán)發(fā)電機：制造廠家：GE公司型式：氫冷2.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

43不補燃的余熱鍋爐型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)點1）熱功轉換效率高,當燃氣初溫提高到1200~1300°C后，效率很容易達到50%以上；2）基本投資費用低，結構簡單，鍋爐廠房都很??；3）運行可靠性高，可用率達90%~98%；4）啟動快:18~20min便能發(fā)出2/3的功率，80min發(fā)出全部功率。2.2.1不補燃余熱鍋爐型(續(xù))

44不補氣補燃補氣補燃2.2.2補燃余熱鍋爐型

452.2.2補燃余熱鍋爐型（續(xù)）

1）在余熱鍋爐中補充燃燒一定數(shù)量的燃料增大余熱鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽量；2）補氣式：蒸汽流量和參數(shù)不再受限于燃氣輪機參數(shù)，

一般PST=(2~6)PGT；3）可以實現(xiàn)燃氣輪機和蒸汽輪機分別單獨運行；4）燃料熱能的流通路徑：串-并行。46Gersteinwerk

電站有補燃的聯(lián)合循環(huán)的熱力系統(tǒng)

1-壓氣機2-燃燒室3-燃氣透平4-加壓風機5-強迫鼓風機6-余熱鍋爐

7-高壓給水加熱器8-高壓排氣換熱器

9-給水泵10-除氧器11-低壓給水加熱器12-低壓排氣換熱器

13-蒸汽透平14-凝汽器15-凝結水泵16-凝結水箱17-凝結水凈化器2.2.2補燃余熱鍋爐型（續(xù)）

47燃氣輪機：燃氣初溫 800℃排氣溫度 395℃凈功率 55.6MW蒸汽輪機：主蒸汽參數(shù) 18MPa/530℃蒸汽量 1029t/h再熱后蒸汽參數(shù) 4.6MPa/530℃背壓 7kPa補燃用燃料耗量 19.8kg/s整個裝置的凈輸出功率為418.5MW，供電效率為42%2.2.2補燃余熱鍋爐型（續(xù)）

48有補燃的聯(lián)合循環(huán)的供電效率隨負荷而變化的關系曲線

492.2.2補燃余熱鍋爐型（續(xù)）補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)點1）裝置的尺寸小、占地少、投資低；2）運行機動性好；3）部分負荷工況下裝置的熱效率比較高；4）在余熱鍋爐中可以燒煤或其他劣質(zhì)燃料；5）蒸汽參數(shù)不受燃氣輪機排氣溫度的限制，可以采用效率較高的蒸汽輪機低循環(huán)與之匹配，機組的總功率較大。50燃燒室與增壓鍋爐合二為一2.2.3增壓鍋爐型

1）爐內(nèi)壓力高，換熱增強，鍋爐體積小；2）爐體選用昂貴的金屬材料，成本很高；3）新蒸汽溫度大大提高，下位電站效率高；4）機動靈活性差；5）只能用氣體或液體燃料；6）排氣換熱器龐大；7）燃料熱能的流通路徑：串-并行。2.2.3增壓鍋爐型（續(xù)）串行-并行總結1）燃料能量的串行使用是電站中嚴格意義上的聯(lián)合循環(huán)成分，而并行不是；2）由于系統(tǒng)構成以及一些關鍵技術尚未成熟，在聯(lián)合循環(huán)電站中往往包含非聯(lián)合循環(huán)成分，而非聯(lián)合循環(huán)成分是使聯(lián)合循環(huán)效率下降的因素；3）純并行電站不是聯(lián)合循環(huán)；4）串行和串-并行是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的兩種主要形式。53增壓鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案的熱力系統(tǒng)

1-壓氣機2-增壓鍋爐

3-燃氣透平4-高壓蒸汽透平5-低壓蒸汽透平6-發(fā)電機7-凝汽器8-凝結水泵9-低壓給水加熱器10-中壓給水加熱器11-除氧器12-給水泵13-高壓給水加熱器14-再熱器（置于增壓鍋爐內(nèi)）15-排氣換熱器54

當燃氣輪機的初溫提高到1300℃后，增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的供電效率有望超過50％。

理論研究表明：

當燃氣輪機初溫低于1250℃時，增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的熱效率總是大于不補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的效率?？墒怯捎谠鰤哄仩t很昂貴，目前很少應用，因而即使t3<1250℃時，人們?nèi)栽高x用不補燃的余熱鍋爐型方案。

2.2.3增壓鍋爐型（續(xù)）常規(guī)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)具有以下一些優(yōu)點：①供電效率遠遠超過燃煤的蒸汽輪機電站；②在國外，交鑰匙工程的比投資費用大約為500~600美元/kW，它要比帶有FGD的燃煤蒸汽輪機電站(1100~1400美元/kW)低很多；③建設周期短，可以按“分階段建設方針”建廠，資金利用最有效；④用地用水都比較少；⑤運行高度自動化，每天都能起停；⑥運行的可用率高達85%~95%；⑦便于快速“黑起動”；⑧由于采用天然氣或液體燃料，污染排放問題解決得很徹底。一般來說，無飛塵，SOx和NOx也很少，特別是在燃燒天然氣時，還可以大大地減少CO2的排放量，當然，解決污染問題的功勞應歸于所用的潔凈燃料的特性。

57一拖一：GT+HRSG+ST多拖一：GTs+HRSG+ST單軸聯(lián)合循環(huán)多軸聯(lián)合循環(huán)單壓雙壓三壓再熱非再熱常規(guī)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)結構型式

582.3注蒸汽循環(huán)（程式循環(huán)）

由美籍華人程大猷先生提出，稱為程式循環(huán)空氣燃燒生成的燃氣和余熱鍋爐產(chǎn)生的水蒸汽兩種工質(zhì)在同一個透平中做功，又稱注蒸汽循環(huán)（STIG,steamturbineinjectiongenerator）

水蒸汽不參與燃燒過程

串行聯(lián)合循環(huán)：開式循環(huán)+閉式循環(huán)

程式循環(huán)：雙開式雙流體循環(huán)，傳熱59注蒸汽循環(huán)60注蒸汽循環(huán)的工作過程

這種循環(huán)方案中，燃氣與蒸汽是在同一臺燃氣透平中膨脹作功的。那時，有兩種流體——燃氣和蒸汽一起流經(jīng)燃氣透平，這就是雙流體循環(huán)命名的淵源。由燃氣透平排出的燃氣與蒸汽的混合物將進人余熱鍋爐，在其中把余熱傳給余熱鍋爐的給水，使其變成過熱蒸汽后返回到燃氣輪機中去參與循環(huán)。余熱鍋爐后溫度為149℃的燃氣與蒸汽的混合物則將直接排入大氣。

61501-KB注蒸汽雙流體循環(huán)發(fā)動機的性能曲線

雙流體循環(huán)的透平前溫T3↓↓余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽量

↓↓62注蒸汽循環(huán)的溫熵圖

T3=T9；

T4=T10；?Tp=T’7-T7>0；(T4-T’8)

>0，其中T’8是余熱鍋爐出口主蒸汽的溫度；T11-T6>0，其中T11是燃氣離開余熱鍋爐時的溫度，T6是給水進入余熱鍋爐時的溫度；

Ps>P1ε，其中ε是壓氣機的壓縮比，Ps是主蒸汽的壓力；P1s=P5。63注蒸汽雙流程循環(huán)機組的技術參數(shù)

公司商號型號ISO基本功率/kW供電效率/%壓縮比空氣質(zhì)量流量/(kg/s)透平入口溫度/℃其它AlisonEgnineCompany501-KHSteam675139.8912.618.62.722kg/s的482.2℃的蒸汽GE船用與工業(yè)LM2500-PHSTIG2806041.0220.275.75807.2注入22680kg/h蒸汽LM5000-PHSTIG5110043.2031.0153.32757.236288kg/h高壓蒸汽18144kg/h低壓蒸汽Stewart&StevensonTG-1600STIG-201690039.6525.152.62735453.6kg/h蒸汽注入TG-2500STIG-502805041.020.075.75801.7TG-5000STIG-1205162043.831.4153.77787.864LM8000注蒸汽雙流體循環(huán)的熱力系統(tǒng)

1-水處理設備2-高壓鍋筒3-中壓鍋簡4-低壓鍋筒5-余熱鍋爐6-發(fā)電機7-動力透平8-低壓透平9-高壓透平10-燃燒室11-高壓壓氣機12-低壓壓氣機13-中間冷卻器65燃氣初溫t3＝1371℃；溫比＝5.708；低壓壓氣機的壓縮比=2.63；高壓壓氣機的壓縮比=13.299；高壓透平的膨脹比＝2.404；低壓透平的膨脹比＝1.311；動力透平的膨脹比＝10.0；余熱鍋爐的當量效率=73.45%，進人燃燒室時蒸汽/空氣摻混比X＝12.37％；補水率=17.38%(相對于低壓壓氣機進人的空氣流量而言)。整臺機組的供電效率=52%，潛在的熱電聯(lián)產(chǎn)效率=87%。LM8000基本參數(shù)

66三軸式的帶有中間冷卻器的燃氣輪機。高壓透平用來驅動高壓壓氣機，低壓透平則驅動低壓壓氣機，動力透平驅動發(fā)電機。這種驅動壓氣機的方式可以提高整臺機組的壓縮比。采用中間冷卻器可以減小高壓壓氣機的壓縮功，有利于增加整臺機組的比功，而且還能利用中間冷卻器來預熱供給余熱鍋爐的給水，使機組的循環(huán)效率得以改善。LM8000中間冷卻器

67在余熱鍋爐中將分別產(chǎn)生高壓(4.309MPa/449℃)蒸汽、中壓(1.448MPa/370℃)蒸汽和低壓(0.2068MPa/121℃)蒸汽，它們質(zhì)量流量的份額分別為：72.14%,13.17%和14.69%。LM8000余熱鍋爐

蒸汽參數(shù)68高壓蒸汽將注人燃燒室，與從高壓壓氣機輸來的高壓空氣一起與天然氣混燒，升溫至1371℃后進到高壓透平中去膨脹作功，以帶動高壓壓氣機。中壓蒸汽是在高壓透平后摻到燃氣中去的，進而與燃氣一起在低壓透平中膨脹作功，以帶動低壓壓氣機工作。低壓蒸汽則是在動力透平的后幾級中摻混到燃氣中去進行膨脹作功的。由余熱鍋爐出來的燃氣與蒸汽混合物的溫度為133.9℃。LM8000蒸汽與設備匹配

69注蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的特點1）結構特點：燃氣、蒸汽共同注入同一臺燃氣透平中膨脹做功；不再配置蒸汽輪機和凝汽器等設備；余熱鍋爐提供的全部或部分蒸汽還要在燃氣輪機燃燒室中進一步加熱；蒸汽/燃氣由余熱鍋爐直接排向大氣。70注蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的特點2）優(yōu)點：部分蒸汽噴入燃燒區(qū)，適當降低燃燒火焰溫度，有利于減少NOx的排放；混合氣體的傳熱系數(shù)增大，改善換熱效果；機組做功量增大，熱工轉換效率提高；降低透平前燃氣初溫，提高設備壽命。722.4濕空氣透平循環(huán)（HAT循環(huán)）

由日本Y.Mori教授提出，稱為濕空氣透平（HAT,humidairturbine）循環(huán)。先將水或蒸汽加熱壓縮空氣產(chǎn)生濕空氣，再進行燃燒，也就是說，水蒸汽參與燃燒過程。

加入水量以使?jié)窨諝膺_到飽和為限。

HAT循環(huán)：雙開式雙流體循環(huán)，傳熱7374

HAT循環(huán)又稱為蒸發(fā)-回熱循環(huán)，其熱力學特征：1）用蒸發(fā)器大幅度降低壓氣機出口溫度來突破回熱循環(huán)對壓氣機極限壓比()的限制值；2）水蒸汽進汽溫度取高，盡管進汽壓力取低、排汽壓力和排汽