聯合循環(huán)用燃氣輪機的發(fā)展

聯合循環(huán)用燃氣輪機的發(fā)展如前所述，到目前為止，燃氣-蒸汽聯合循環(huán)已在世界電力工業(yè)中獲得了很大發(fā)展，它的單機功率已超過300MW，供電效率已達到56%以上，它的發(fā)展勢頭仍很強勁，發(fā)展?jié)摿θ晕锤F盡。總的來說，對于燃燒天然氣和液體燃料的機組來說，今后燃氣輪機將沿著進一步提高它的單機容量和供電效率的方向發(fā)展。本節(jié)就以上問題進行研討和論述，以便對聯合循環(huán)的發(fā)展前景有一個清晰的認識。眾所周知，聯合循環(huán)是以燃氣輪機為基礎的，因而它的發(fā)展必然以燃氣輪機的發(fā)展為前提。為了把燃氣輪機聯合循環(huán)的性能提高到一個新的水平，國際上正在制定一系列計劃以加速燃氣輪機的發(fā)展，其中有代表性計劃是美國制定的ATS計劃和CAGT計劃。ATS的研究和開發(fā)計劃于1992年到2000年之間實施。計劃的總設想如下：(1)目標：①把發(fā)電用聯合循環(huán)的供電效率提高到60%以上。計劃分兩步來實施，即：在2000年前，維持燃氣初溫t3=1288℃左右，依靠改造聯合循環(huán)的系統(tǒng)來使供電效率達到58%；此后，把t3提高到1427℃，以最終實現供電效率大于或等于60%的要求；②使供電價格降低10%；③把工業(yè)燃氣輪機的效率在現有基礎上相對提高15%；④把NOx的排放量比現有標準減少10%，即達到5*10-6(體積分數)的水平，把CO、CxHy的排放量控制在20*10-6(體積分數)以下；⑤把上述技術用于燃煤的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)(IGCC)；⑥要求以天然氣為燃料，分別在一臺發(fā)電機組上和一臺工業(yè)用機組上做示范試驗；⑦使上述成果于2002年進入市場。(2)技術措施：①在改造系統(tǒng)方面考慮采用壓氣機的中間冷卻方法：采用多轉子壓縮系統(tǒng)，以提高其壓縮比，使循環(huán)設計達到最佳效率點；采用高流量的燃氣透平設計，以增大機組的功率；研究濕空氣透平(HAT循環(huán))；②采用冷卻燃氣透平通流部分的新方法，其中包括采用陶瓷材料的葉片和先進的噴涂技術。要建立一臺3~6MW的用陶瓷葉片的燃氣輪機，運行1000h。(3)在燃煤技術方面：考慮試驗以上五種方案，即：IGCC、PFBC-CC，第二代PFBC-CC，采用高溫陶瓷管的外燃式聯合循環(huán)(EFCC)，以及直接在燃氣輪機中燃用水煤漿(Allison公司曾在一臺4MW的燃氣輪機上運行過一段時間)。(4)最終得益的估計：①比現有燃氣輪機系統(tǒng)的效率提高15%，比現有工業(yè)用能系統(tǒng)的平均效率提高50%，從而使CO2的排放量大大降低；②大大地減少NOx、CO和CxHy的排放量；③為燃煤的IGCC提供技術；④在2006-2010年之間預期獲利20億美元。(5)市場估計：預期在2000~2010年期間每年要用新的燃氣-蒸汽聯合循環(huán)更新舊電廠10000MW，新增發(fā)電容量10000MW。CAGT計劃是針對航空改型機組的研究和開發(fā)工作而擬訂的。它想在壓氣機之間采用中間冷卻器、在透平之間采用再熱燃燒室，并在燃燒室中噴注蒸汽，以實現程氏循環(huán)或濕空氣透平(HAT)循環(huán)等措施，來提高機組的熱效率和比功。預期到2002年時，能夠把燒天然氣的簡單循環(huán)機組的供電效率提高到45%~47%，聯合循環(huán)機組的供電效率提高到60%~62%。研究中選擇推力高達266717~444528N(27216~45360kgf)的航空發(fā)動機為對象，以便提高機組的功率，滿足發(fā)電設備的要求。以航空發(fā)動機改型為對象的好處在于：可以選用高壓比的雙轉子壓氣機，并盡可能地提高透平前的燃氣溫度t3。目前，t3=1343℃的發(fā)動機已經正式運行；t3=1480℃的發(fā)動機正在制造；t3=1590℃的發(fā)動機則正在開發(fā)之中。美國GE公司是燃氣輪機和聯合循環(huán)制造業(yè)的先驅。幾年前，它已經推出了燃氣初溫t3=1288℃的FA型燃氣輪機及其聯合循環(huán)機組，燃氣輪機單機功率達到250.4MW，供電效率為36.49%；聯合循環(huán)的單機功率為376.2MW，供電效率為56.3%。配合ATS計劃的執(zhí)行，最近，正在研制兩種燃氣輪機新型號，即9G和9H，以適應21世紀初發(fā)展的需要。9FA、9G和9H這三種燃氣輪機及其聯合循環(huán)的性能對比，如表1-6所示。表1-69331FA、9G和9H機組的性能對比型號項目9331FA9G9H燃氣初溫/℃空氣流量/kg·s-1壓縮比比功/[MW/(kg·s-1)]簡單循環(huán)的功率/MW供電效率(%)聯合效率的凈功率/MW供電效率(%)Nox的排放量(體積分數15%O2含量)(10-6)1288602150.58226.536348.554.8251430685230.6128239.542058251430685230.70-4806025由表1-6知，9H型機組的性能要比9332FA型有相當程度的改進，效率提高了，單機的功率也增大了，而且機組更加緊湊了，有利于減少比投資費。相對于9331FA型機組，9H型機組有以下幾方面改進，即：(1)提高壓氣機的壓縮比。整個壓氣機是從航空發(fā)動機CF680C2的壓氣機模化放大3倍而得到的，其壓縮比增至23，壓縮效率也有所提高。(2)把燃氣溫度提高到1430℃的高水平。(3)燃氣輪機的第一級和第二級靜葉是用封閉式的蒸汽冷卻的，如圖1-3所示。冷卻用蒸汽是從蒸汽輪機高壓缸的排汽中抽取的。當蒸汽冷卻葉片后，并不摻入到燃氣流道中去，而是循環(huán)回流到蒸汽輪機中壓缸的入口，進到蒸汽輪機中去繼續(xù)作功，如圖1-4所示。a)開式空氣冷卻葉片b)封閉式蒸汽冷卻葉片圖1-3開式空氣冷卻葉片和封閉式蒸汽冷卻葉片回路之對比采用封閉式蒸汽冷卻的優(yōu)點是：可以減少因葉片冷卻而導致的燃氣溫度下降的程度。例如：在9FA型燃氣輪機中，冷卻空氣在以氣膜冷卻方式冷卻葉片后，是從靜葉的出氣口混到高溫燃氣中去的，這將導致燃氣溫度下降155℃。當在9H中改用冷卻效果很好的蒸汽來冷卻葉片時，在獲得同樣冷卻效果的前提下，蒸汽并不摻混到燃氣中去，其結果是因冷卻而導致的燃氣溫度之下降只有44℃。它的作用就相當于提高了燃氣的作功溫度，有利于改善燃氣輪機的效率。圖1-4蒸汽冷卻系統(tǒng)與蒸汽輪機的配合關系(4)采用干式低NOx的燃燒室來控制排氣中的NOx含量，而不再像一般燒天然氣的燃燒室中那樣，需要噴入一定數量的蒸汽，來幫助控制NOx排放量。這樣，就能減少燃氣輪機排氣中的水蒸氣含量，也有利于提高燃氣輪機的熱效率。(5)當用9H型燃氣輪機組合聯合循環(huán)時，采用有再熱的三壓式蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。蒸汽的初參數提高到亞臨界參數的水平，即16.5MPa/565℃/3.44MPa/565℃/0.28MPa/277℃。這也有利于提高聯合循環(huán)的效率。從表1-7中已知：9G的燃氣初溫與9H是相同的，但是由于它仍然采用9FA機組中那樣的空氣冷卻靜葉的方案，致使燃氣輪機及其聯合循環(huán)的效率都要比9H者略低2個百分點。當然，9H機組只能在聯合循環(huán)系統(tǒng)中使用，而不能按簡單循環(huán)方式運行，否則，燃氣輪機高溫部件因無蒸汽冷卻而無法正常工作。美國西屋公司開發(fā)的501G機組，與501F機組的性能對比如表1-7所示。對比表1-7和表1-8可知：501G機組是與GE公司的9G機組(但轉速為3000r/min)相當的。相對于501F機組來說，501G機組之所以能夠提高性能是由于采取了以下一些措施的緣故，即：壓氣機改用日本三菱公司(MHI)MF221壓氣機的模擬放大件，使其壓縮比由15提高到19.2，它采用了先進的壓氣機葉型和噴涂技術，來減少壓氣機的間隙，以求改善壓氣機效率。燃燒室和過渡段不再采用常規(guī)的空氣冷卻方案，而改用蒸汽冷卻方案，如圖1-5所示。在501F機組中由于燃燒室和過渡段采用常規(guī)的空氣冷卻方案，冷卻空氣量大約為壓氣機進氣量的10%~20%，這將使透平第一級導葉的入口溫度降為1350℃，導葉的出口溫度控制為1288℃。當改用蒸汽冷卻方案后，冷卻空氣量將降為0，這樣，就可以使透平第一級導葉的入口溫度提高到1500℃，而導葉的出口溫度被控制為1427℃。這將有利于提高機組的性能。透平葉型引進英國Rolls-Royce公司的技術，透平級數改成四級，把501G機組的功率增大到300MW。透平的葉片數將減少15%，又由于航空透平葉片的冷卻設計性能良好，由此，可以減少透平部件冷卻空氣量的消耗。圖1-5空氣冷卻放方案與蒸汽冷卻方案的對比表1-7西屋公司的501F與501G機組性能的對比型號項目501F501G型號項目501F501GLSO基本功率/MW163.4230.0排氣溫度/℃580593LHV的熱耗率/KJ/(kW·h-1)99899346透平轉速/r/min36003600簡單循環(huán)的凈效率(%)3638.5聯合循環(huán)效率(%)54.858壓縮比15:119.2:1NOx含量<25×10-6(體積分數)空氣流量/kg·s-1449544CO含量燒天然氣時<10×10-6(體積分數)透平燃氣溫度/℃12881427UHC含量<10×10-6(體積分數)表1-8ABB公司的GT24和GT26型機組的性能型式項目GT24GT26頻率/Hz燃料種類毛功率/MW毛效率(%)壓縮比燃氣初溫/℃排氣溫度/℃排氣流量/kg·s-1聯合循環(huán)毛功率/MW聯合循環(huán)的毛效率(%)NOx排放量(體積分數15%O2含量)60天然氣165.037.530123561037625158<25×10-6(體積分數)50天然氣240.037.8301235608542365.058.5<25×10-6(體積分數)當然，501G機組應該組成聯合循環(huán)系統(tǒng)，這樣，才能從蒸汽輪機系統(tǒng)中獲得冷卻燃燒室和過渡段的蒸汽，倘若501G機組要按簡單循環(huán)方式單獨運行時，就需在透平的排氣口設置一臺小型的余熱鍋爐，以便專門生產冷卻所需要的蒸汽。ABB公司則正在開發(fā)GT24和GT26型新型燃氣輪機及其聯合循環(huán)。這兩種機組的性能如表1-8所示。圖1-6中給出了GT24燃氣輪機的縱剖面圖。為了提高機組的性能，采取了以下一些措施，即：采用22級亞音速流的壓氣機，具有3級可調的進口導葉，壓縮比提高到30。葉型是根據“可⑴采用前后串聯的兩級燃燒室，因而它是再熱式循環(huán)方案。兩個燃燒室出口的燃氣溫度均取為1235℃。這兩個燃燒室都是干法低NOx的EV型環(huán)行燃燒室結構。1-燃氣透平1-燃氣透平2-SEV型燃燒室3-燃料噴嘴4-EV型燃燒室5-EV型噴嘴6-壓氣機圖1-6GT24燃氣輪機的剖面圖⑶由于壓氣機前三級進口導葉可以調節(jié)，加上再熱循環(huán)的特點，可以使GT24和GT26機組具有非常良好的變工況性能。三級可調導葉可以使壓氣機的進氣流量隨負荷的降低而線性地減少40%。在這個負荷范圍內，第一級燃燒室的出口溫度略有下降，但整臺機組的排氣溫度卻也是恒定不變的。這些變化特性可以大大地提高低負荷工況下機組的效率。GT24機組已于1996年5月份投入商業(yè)運行，以后將進一步改造成為聯合循環(huán)。德國Siemens公司則相應地推出了3A系列的燃氣輪機及其聯合循環(huán)，它們的性能如表1-9所示。表1-9Siemens公司3A系列機組的性能型號項目V64.3AV84.3AV94.3A型號項目V64.3AV84.3AV94.3A簡單循環(huán)燃氣初溫(℃)131013101310ISO凈功率/MW70.0170240排氣溫度(℃)565562562頻率/Hz50/606050排氣流量/kg·s-1194454640轉速/r/min540036003000聯合循環(huán)熱耗率(LHV)/kJ·kW·h)-1878685108510ISO凈功率/MW103.0254359供電效率(%)36.838.038.0熱耗率(LHV)/kJ·(kW·h)-1623058905870壓縮比16.316.416.4供電效率(%)54.857.958.1從機組的燃