燃气_蒸汽联合循环系统设计中热力参数的选择

　收稿日期:2003203219 　作者简介:阎洪波(19742),男,主要从事热力循环及控制系统方面的工作。

第45卷第4期汽　轮　机　技　术Vol.45No.4

2003年8月TURBINETECHNOLOGYAug.2003

燃气-蒸汽联合循环系统设计中热力参数的选择阎洪波1,刘艳芳2(1发电设备国家工程研究中心,哈尔滨150040;2沈阳航空工业学院,沈阳110034)摘要:从总能系统的概念出发,提出了联合循环燃气轮机设计的最佳压比选择以及蒸汽系统循环方式的选择意见和需要综合考虑的因素,可用于指导联合循环燃气轮机设计时确定合适的循环参数,及选择合适的联合循环蒸汽系统。关键词:燃气;蒸汽;联合循环;热力参数;设计分类号:TK472

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.5 文献标识码:A 文章编号:100125884(2003)0420198202

ChooseofThermalParametersinGas2steamCombineCircleSystemDesign

YANHong2bo1,LIUYan2fang2(1PowerEquipmentNationalEngineerResearchCenter,Harbin150040,China;

2ShenyangInstituteofAeronauticalEngineering,Shenyang110034,China;)Abstract:Basedonthetheoryofthetotalenergysystem,thatismade,inthispaper,aboutthechooseofoptimalcom2pressionratioonthedesignofgasturbinethatusedincombinecircleunit,andaboutthesuggestiontohowchoicethesteamsystemcircleformincombinecircleunitandgeneralconsidertosomeconceredfactors.Itcanhelpusmakesurethesuitablecircleparameterwhenwedesigncombinecirclegasturbine,andchoicetherightsteamcirclesystem.Keywords:gas;steam;combine2circle;thermalparameter;design

1　联合循环总能系统现在各个国家和研究人员都非常重视能源的高效合理利用,同时提出了一种根据热力学原理来提高能源利用水平的概念和方法,这就是总能系统。它的特征和作用是通过综合研究系统中能量传递、转换和利用的全部过程,按照能量品位的高低,安排好功、热(冷)和物料内能等各种能量之间的配合关系与转换利用,从系统高度为原则总体综合利用好各种能源,以取得更有利的总能效果,而不是单纯提高生产设备简单构成或单一工艺的能源利用率等个别性能指标。总能系统组合得合理,就可以达到节能的目的。联合循环系统就是借助于系统工程的应用方法,以工程热力学理论为基础建立起来的总能系统的一种形式,它通过把不同的循环合理地组织起来构成联合循环,组成高效的总能系统,由于燃气轮机排出的燃气仍具有较高的温度(一般在400℃～600℃),将燃气通过余热锅炉产生蒸汽,蒸汽导入汽轮机继续做功,从而组成了燃气-蒸汽联合循环,实现了能量的梯级利用,显示出了良好的综合性能。余热锅炉型联合循环从热力学上就是将布雷登(Bray2ton)燃气循环和朗肯(Rankine)蒸汽循环叠置在一起,如图1所示。图中1-2-3-4-1表示燃气轮机的实际循环过程,1-2为压缩过程,2-3为燃烧过程,3-4为膨胀过程,4-1为冷却过程(在大气中完成),在联合循环中4-5在余热锅炉中完成。6-7-9-10表示蒸汽轮机的实际循环过程,6-7-8-9为给水的加热及到过热蒸汽过程,9-10为膨胀过程,10-6为冷却过程。此系统大大优于单一的热力学循环,使能源利用总体效果更佳。因为这种动力装置由两种循环所构成,因而其效率与这两种循环系统的匹配有着密切的关系。

图1　布雷登(Brayton1-2-3-4)循环和朗肯(Rankine6-7-9-10)循环温熵曲线

2　联合循环系统的热力参数选择2.1　燃气轮机循环参数的确定在燃气轮机单循环时,当燃烧温度一定时,压比提高使循环效率有所提高。压比提高,使燃烧温度的提高所带来的效率提高和出力增加的幅度更大,且压比越大,提高燃烧温度所得到的效益越大。在给定压比时,随着燃烧温度的提高可使功率增大,但同时效率会有所变化。由于燃气轮机提高压比使重量和尺寸增加,为此定义燃气轮机的一个重要指标是比功,它表示进入燃气轮机装置的单位工质所能做出的功,是衡量装置的重量和体积的重要指标。当工质不变时,

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.压比增加输出功增加,此时压气机耗功和透平作功都增加,但透平作功更多。当压比增加到一定程度时,输出功的增幅不如压气机的耗功增幅大,因此存在最佳压比(π1)OPT。比功增大,说明随着压比的提高和重量尺寸的增加使输出功增加效果明显,反之说明输出功增加效果差。同样对应于燃气轮机最高内效率也存在最佳压比(πη)OPT。表1中列出了对于选取的压气机和透平效率及空气(K=1.4)工质来说,对于不同的温比计算的最大功比和最大单循环效率对应的最佳压比。在同一T3下,(πη)OPT是大于(π1)OPT的。而且随着温比τ的增加,二者相差越大。但是当温比τ较大时,比功和效率随压比的变化曲线都较为平坦,因此在现代高效率燃气轮机设计时,往往都选择更接近(πη)OPT来设计,而又保证最大比功降低不多。 表1 最佳压比与温比的对应值t3,℃95010501150125013001350τ=T3/T14.254.594.945.295.465.64(π1)OPT8.29.410.612.012.713.4(πη)OPT18.823.228.233.836.840.0 余热锅炉型联合循环是在燃气轮机基础上组成的,燃气轮机的性能对联合循环性能起着主导作用。燃气轮机组成联合循环以后,对应效率最佳压比比简单循环时发生了较大变化,原因在于:虽然燃气轮机单循环高压比使效率提高,排烟温度降低,但由于联合循环余热可以利用,单循环效率高,排烟温度降低,却使余热利用率降低,因此联合循环燃气轮机的最佳压比低于单循环燃气轮机的最佳压比,而更接近于(π1)OPT,使比功最大。目前联合循环用大型燃气轮机的设计压比基本在10～20范围内,比燃气轮机单循环最佳压比大大降低,从而使压气机的转子设计成单转子,压气机级数少、级压比低,压气机效率高,这也是发电用联合循环燃气轮机与单循环运行的燃气轮机的显著差别。而且在最佳压比附近联合循环效率变化较燃气轮机单循环缓慢,压比提高对效率的影响则没有那么显著,这说明提高联合循环效率的关键是提高t3。分析表明:对于余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环来说,提高燃气轮机的温比τ,可以使整个联合循环的效率η大大提高,其影响效果要比对简单循环的燃气轮机大得多,而且随着压比的增大,单位工质的功率反而降低,因此简单循环和联合循环的最佳循环参数是不相同的,联合循环的效率则是由较低的压比和较高的燃烧温度所得到。当燃气轮机温比τ提高时,排气温度的提高使联合循环的效率提高比较显著,其影响效果要比燃气轮机简单循环时大得多,因此人们在提高温度方面采取了更多的措施,使燃气初温提高很快,目前最高已达到1500℃以上。2.2　蒸汽循环系统的确定在余热锅炉型联合循环中,当燃气轮机确定后,也即燃气轮机的排气温度确定后,蒸汽初参数受燃气轮机排气温度的限制,改善蒸汽循环性能的目的就是充分利用燃气轮机排气余热,也就是提高余热利用率。由于以水蒸汽为工质的朗肯循环蒸发过程定温相变存在窄点温差是导致效率不够高的主要原因。在单压余热锅炉中,为了增加功率输出,一般蒸发器压力和新蒸汽温度都比较高,这样导致余热锅炉的排烟温度比较高,引起较大的能量损失。应用双压和三压余热锅炉通过布置多个不同压力的蒸发器来充分利用烟气的余热,可以有效减小窄点温差的影响,使得蒸汽循环系统在相同的窄点温差下,平均温度减少,回收热量增多,降低了烟气排出温度,从而提高了整个蒸汽底循环的输出净功率。因此现代大功率燃气轮机由于排气温度较高,为提高余热利用率,多采用双压、或三压、或再热余热锅炉。合理选取两压和三压的每个回路的压力、温度和流量参数,达到在相同的节点温差下,使平均传热温差较小,从而得到较高的锅炉余热利用率,并同时考虑蒸汽的做功能力,保证输出功最多,具体的参数选择原则在文献[1]中已做简单介绍。在联合循环蒸汽系统的设计中随着蒸汽压力的升高,以及采用双压、三压和再热等复杂的系统,联合循环的效率都会有一定程度提高的趋势。双压循环和三压循环之间的效率差约为0.4%～0.6%,采用再热循环后,效率约能再提高0.2%～0.4%,超临界参数比亚临界参数效率约能再提高0.5%。对余热锅炉来说,上述效率的提高是以增大余热锅炉的换热面积为代价的,特别是采用超临界参数循环时,为了增加效率需要更大的换热面积。根据国外公司的设计经验,当燃气轮机的排气流量大于120kg/s,以及进入余热锅炉的燃气温度高于510℃时,可以采用双压或三压循环的汽水系统;当燃气轮机排气温度高于560℃时,就可以考虑采用三压再热循环的汽水系统。如美国GE公司F等级以上机组、Alsthom公司的GT24和GT26

机组、Siemens公司的3A机组等都采用三压再热蒸汽循环;

GE公司6B、9E等机组、Alsthom公司的GT13E2机组、Siemens公司的V84.2、V94.2机组等都采用双压或三压蒸汽循环,有时根据组成联合循环燃气轮机的数量不同,个别的还采用再热蒸汽循环。美国GE公司联合循环的设计和配置情况是,当额定排气温度低于560℃时,采用无再热循环,高于560℃时采用再热循环。按照这个温度划分,GE公司F等级燃气轮机(包括6F、7F和9F)都采用再热循环,E型(7E或9E)燃气轮机采

用非再热循环,而9EC型燃气轮机排气温度为558℃,有时采用非再热,单轴时则采用再热循环。GE公司对两个不同的蒸汽循环形式带来的性能变化计算如下:

STAG207EA蒸汽循环电厂净出力(%)电厂净热耗率(%) 三压、再热+0.7+0.7

三压、无再热基准基准 双压、无再热-1.0-1.0

单压、无再热-4.7-4.7

STAG　207FA