350_MW级燃气-_蒸汽联合循环机组设计探讨-中国电力

第３９卷中国电力发电技术

３５０ＭＷ级燃气－蒸汽联合循环机组设计探讨吕太１，孙锐２，张学荣１

（１．东北电力学院，吉林１３２０１２；２．中国电力工程顾问集团公司，北京１０００１１）摘要：随着我国能源结构的调整，环保要求日益提高，燃气－蒸汽联合循环电厂将逐渐增多，特别是随着“西气东输”及“引进液化天然气”工程的实施，我国将建设一些３５０ＭＷ级燃气－蒸汽联合循环机组。探讨了在３５０ＭＷ级燃气－蒸汽联合循环机组设计过程中如何选择燃气轮机并优化燃气轮机与蒸汽轮机的匹配关系，分析了余热锅炉补燃与不补燃的应用条件及各自特点，给出了几种蒸汽轮机循环系统的布置方案，

并分析了蒸汽循环系统的选择方法，对联合循环电厂的轴系布置进行了比较，同时分析了环境温度对燃气轮机性能的影响，为大型燃气－蒸汽联合循环机组的设计优化提供参考。

关键词：联合循环机组；余热锅炉；参数匹配；轴系布置中图分类号：ＴＭ６１１．３文献标识码：Ａ文章编号：１００４－９６４９（２００６）０３－００１４－０４

收稿日期：２００５－１０－０１；修回日期：２００６－０１－１１

作者简介：吕太（１９５７－），男，吉林人，教授，从事气固两相流理论和应用、新能源发电技术和火力发电节能技术研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｔａｉ＠ｍａｉｌ．ｎｅｉｅｐ．ｅｄｕ．ｃｎ

０引言燃气轮机及其联合循环发电机组以其热效率高、造价低、环境性能好、占地少、运行调整灵活［１，２］

等优点得到了快速发展。到２０１０年，综合考虑经济发展水平和电力结构调整的力度，以及发电效

率提高和电耗水平的降低等因素，我国发电装机容量将超过６亿ｋＷ，其中，燃气轮机装机至少达到３２００万ｋＷ，约占发电装机的５％

。

特别是随着

“西气东输”及“引进液化天然气”工程的实施，“十

五”期间将建设天然气发电机组１２００万ｋＷ

，

利用

“西气东输”天然气的上海漕泾电厂、江苏戚墅堰电厂、张家港电厂、望亭电厂和利用液化天然气的广东惠州、深圳前湾、深圳东部电厂等约８００万ｋＷ天然气发电项目已经陆续开工建设，其中大部分机组均为３５０ＭＷ级联合循环机组。针对当前和今后一个时期我国燃机电厂的发展状况，就３５０ＭＷ级燃气—蒸汽联合循环电厂设计中需注意的有关问题进行了探讨，供工程应用中参考。１联合循环热效率常规余热锅炉型燃气－蒸汽联合循环机组系统见图１。设燃气轮机发电机组输出功率Ｐｇｔ，则Ｐｇｔ＝Ｑｇｔ・ηｇｔ（１）式中：Ｑｇｔ为输入燃气轮机的燃料热量；ηｇｔ为燃气轮机发电机组的效率。设燃气轮机排气余热为Ｑｏｕｔ，则根据能量平衡方程为：Ｑｏｕｔ＝Ｑｇｔ－Ｐｇｔ＝Ｑｇｔ（１－ηｇｔ）（２）设蒸汽轮机发电机组的输出功率为Ｐｓｔ，则Ｐｓｔ＝Ｑｏｕｔ・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ＝Ｑｇｔ・（１－ηｇｔ）・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ（３）式中：ηｈｒｓｇ为余热锅炉效率；ηｓｔ为蒸汽轮机发电机组效率。

整个联合循环的效率η

ｃｃ为

：

ηｃｃ＝（Ｐｇｔ＋Ｐｓｔ）／Ｑｇｔ＝［Ｑｇｔ・ηｇｔ＋Ｑｇｔ・（１－ηｇｔ）・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ］／Ｑｇｔ

ηｃｃ＝ηｇｔ＋（１－ηｇｔ）・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ（４）

燃气轮发电机组和蒸汽轮机发电机组的输出功率之比ＲＷ为：

ＲＷ＝Ｐｇｔ／Ｐｓｔ＝（Ｑｇｔ・ηｇｔ）／［Ｑｇｔ・（１－ηｇｔ）・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ］

ＲＷ＝ηｇｔ／［（１－ηｇｔ）・ηｈｒｓｇ・ηｓｔ］（５）

从式（４）可以看出，在常规余热锅炉型燃气－蒸汽联合循环机组中，提高燃气轮机效率ηｇｔ比同等程度地提高蒸汽轮机效率η

ｓｔ的效果更加明显。这就要

求在设计联合循环电厂时，首先应选择功率和效率

图１常规余热锅炉型燃气－蒸汽联合循环机组系统Ｆｉｇ．１ＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＨＲＳＧ－ｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

中国电力ＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ第３９卷第３期

２００６年３月Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．３

Ｍａｒ．２００６

１４LNG领跑者(www.lng123.com) 邀您打造中国最权威、最专业的液化天然气行业技术论坛 吕太等：３５０ＭＷ级燃气－蒸汽联合循环机组设计探讨第３期

发电技术

双压双压再热超临界双压再热三压循环型式５１．５３６８７．７２１．７６９０．００５３．６１５７７．３２１．５９８８．４０５１．９５６９３．３２２．８１９４．９０５４．０６５８２．２２２．７０９３．４０５２．４９７００．５２９．９０８８．６０５４．６０５８８．０２９．７９８８．１０５２．０８６９５．２２７．５５７６．５０５４．１２５８２．８２７．３６７５．３０Ｖ９４．２Ｖ９４．３供电效率ηＣＣ／％总净功率Ｐｅ／ＭＷＡ／ｋｇ・ｍ２・ＭＷ－１余热锅炉的排气温度／℃供电效率ηＣＣ／％总净功率Ｐｅ／ＭＷＡ／ｋｇ・ｍ２・ＭＷ－１余热锅炉的排气温度／℃三压再热超临界三压再热５２．５２５３．０５７０１．０７０８．０２７．１４３４．０９８１．００８１．８０５４．５７５５．０３５８７．６５９２．７２６．８８３３．９０８０．００８１．３０

都能满足要求的燃气轮机作为设计的出发点。通过式（５）可以确定燃气轮发电机组和蒸汽轮机发电机组的功率在联合循环机组中所占的比例，一般ＲＷ＝２!１，即联合循环机组中６６％的功率由燃气轮机发电机组提供，３３％的功率由蒸汽轮机发电机组提供［３］。因此，在设计联合循环电厂时，首先要选择高效率的燃气轮机，并匹配好燃气轮发电机与蒸汽轮发电机功率之间的关系，使整个电厂获得较高的效率。２余热锅炉的确定２．１余热锅炉的补燃与不补燃目前的燃气－蒸汽联合循环有以下３种基本方案：不补燃的余热锅炉型、有补燃的余热锅炉型、增压锅炉型［４］。随着燃气轮机技术的发展，特别是蒸汽冷却技术的应用、定向结晶和单结晶高温合金材料的研制、热障涂层方法的应用［６］，目前的燃气轮机性能有了较大的改善，一般燃气轮机进气温度可达１３５０℃，日本三菱公司生产的燃气轮机进气温度为１５００℃的Ｍ７０１Ｇ型机组也已于１９９９年开始商业运行。当燃气轮机的进气温度达到９００℃以后，补燃反而会使联合循环的热效率下降［４］。随着燃气轮机初温的提高，新建联合循环电厂现已很少采用补燃的联合循环方案。如近期筹划建设中的北京三热天然气燃机联合循环发电机组［７］、江苏望亭燃气－蒸汽联合循环发电机组均采取了不补燃的余热锅炉型方案。补燃可以使汽轮机出力增加达１００％，并使总出力增加达２５％，因此在热电联产设计中常采用补燃余热锅炉。不补燃余热锅炉型燃气－蒸汽联合循环具有以下特点［８］：（１）热效率高，当燃用天然气并把燃气轮机初温提高到１３００℃以后，联合循环效率已经超过５６％，近期有望达到６０％；（２）锅炉和厂房较小、结构简单、投资费用低；（３）系统简单、运行可靠，可达９３％～９８％的可用率；（４）启动快，燃气轮机可在较短的时间内带上负荷，对于两班制调峰运行的联合循环电厂，停运后的余热锅炉和汽轮机保压保温良好，蒸汽循环部分也可在较短时间内带上满负荷。２．２余热锅炉汽水循环系统从式（４）可以看出，要想获得较高的联合循环效率，同样要重视余热锅炉汽水循环系统的优化选择。目前主要有以下几种蒸汽轮机循环系统的布置方案：（１）双压循环方案；（２）双压再热循环方案；（３）双压超临界再热循环方案；（４）三压循环方案；（５）三压再热循环方案；（６）三压超临界再热循环方案。表１为西门子公司Ｖ９４．２与Ｖ９４．３型联合循环机组余热锅炉汽水循环性能［４］；表２为通用公司（ＧＥ）ＳＴＡＧ２０７ＥＡ与１０７ＦＡ型联合循环机组余热锅炉汽水循环性能。

从表１、２可以看出，随着蒸汽轮机系统参数的

提高及系统的复杂化（由双压变为三压，由不再热向再热过渡），联合循环的效率会有一定程度的提高。

目前，多压系统可以把燃气轮机的排气温度降低到１１０～１２０℃的水平，对于燃烧硫分很少的天然气机组，由于不会发生低温腐蚀，其排烟温度可降至

８０～

８５℃［４］。

但效率的提高是以牺牲余热锅炉的换热面

积为代价的，特别是采用超临界参数的循环时，为了增加效率需要更大的换热面积。

在确定了燃气轮机型号后，应结合燃料价格、运

行方式、运行时间、投资费用等因素综合考虑选择蒸汽循环系统，特别是要考虑蒸汽循环参数和余热锅

炉换热面积及造价之间的关系，当燃气轮机排气温度低于５３８℃时，采用单压蒸汽循环，当燃气轮机排

气温度接近５９３℃时采用三压再热蒸汽循环。因为

表１Ｖ９４．２与Ｖ９４．３型联合循环机组余热锅炉汽水循环性能［４］

Ｔａｂ．１ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＨＲＳＧｓｔｅａｍｗａｔｅｒｃｙｃｌｅｆｏｒＶ９４．２ａｎｄＶ９４．３ｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅｕｎｉｔ

注：Ａ是一个以单位蒸汽循环净功率Ｐｓｔ表示的余热锅炉的换热面积。

表２ＳＴＡＧ２０７ＥＡ与１０７ＦＡ型联合循环机组余热锅炉汽水循环性能Ｔａｂ．２ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＨＲＳＧｓｔｅａｍｗａｔｅｒｃｙｃｌｅｆｏｒＳＴＡＧ２０７ＥＡａｎｄ１０７ＦＡｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅｕｎｉｔ

机组型号蒸汽循环电厂净出力／％电厂净热耗率／％

ＳＴＡＧ２０７ＥＡ

ＳＴＡＧ１０７ＦＡ

三压再热三压无再热双压无再热单压无再热三压再热双压再热三压无再热双压无再热＋０．７基准－１．０－４．７基准－１．１－１．２－２．０＋０．７基准－１．０－４．７基准－１．１－１．２－２．０

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