关键词：天然气；联合循环发电
0 前言
我国东部地区经济发达，但一次能源匮乏。目 前火力发电厂以煤炭消费为主， 环境污染日趋严重。 为了减少 SO2 排放并控制酸雨的危害，许多已投运 的机组纷纷补上尾部烟气脱硫装置（FGD） 。 为了优化能源结构、 改善环境， 国家决定利用 西气东输，东海油气和进口液化天然气（LNG）等 清洁能源，建设一批大型天然气联合循环电厂。 天然气是高效清洁能源， 燃气-蒸汽联合循环机 组燃用天然气将极大地改善环境污染问题。燃用天 然气没有粉尘、没有灰渣。天然气几乎不含硫，因 而几乎没有 SO2 排放。 由于采用低 NOx 燃烧器， NOx 的排放也降到极低的程度。又由于天然气成分中主 要是 CH4，烟气中 CO2 的排放也大大减少。 近几年由于燃气轮机的单机功率和热效率有 了很大程度的提高，特别是联合循环的理论研究、 产品开发和电厂运行实践更趋成熟，目前大型燃气 轮机的单机功率已超过 250MW，热效率已超过 36 ％；所组成的联合循环的功率已达到 390MW，热 效率也已达到 56.7％~58.5％。 其热效率之高， 不仅 远远超过现有燃煤蒸汽轮机电厂，甚至比超超临界 参数的燃煤蒸汽轮机电厂还要优越。世界上的联合 循环电厂正向大型化和高效化发展。 在电厂投资方面，根据华东地区西气东输的大 型单轴联合循环机组 （江苏戚墅堰、 望亭、 张家港、 杭州半山，均为老厂扩建）的可行性研究统计，投 资估算为 3104 元/kW~3356 元/kW，比带脱硫装置 的 300MW 燃煤蒸汽轮机电厂的造价低 19.6％～ 25.7%。 我国天然气价格相对较高，为使建成后的电厂
三菱 M701F 270 9424 38.2 1400(第一级静叶前) 586 MPCP1-701F 398 6316 57.0 1+1，三压再热
③ 排气温度高 （584℃～640℃） ， 给蒸汽循环 留有较大的余地， 蒸汽循环可采用较高参数的三压、 再热循环， 因而整个联合循环的效率较高， 达到 56.7 ％～58.5％。 ④ 燃气轮机结构上均采用轴向排气，排气阻 力小，而且便于余热锅炉布置。燃气轮机均采用压 气机冷端拖动发电机，便于安装运行和维护。
热向再热发展，联合循环的效率都会有一定程度的 提高。研究表明[11]，三压联合循环的效率比双压联 合循环的效率大约提高 1％；双压和三压采用再热 后，联合循环效率均能再提高 0.8～0.9％。 3.4 余热锅炉烟气阻力的选取 这里需要指出的是，随着余热利用率的提高， 余热锅炉换热面积将增加，余热锅炉烟气侧的阻力 将有所提高，也就是燃气轮机的排气背压将有所提 高，这将引起燃气轮机功率和效率有所下降。计算 表明[11]： 1kPa 的压降会使燃气轮机的功率和效率下 降 0.8%， 因此在联合循环设计优化时要综合考虑这 一因素。余热锅炉及烟道的阻力按联合循环设备采 购国际标准[12]规定，对于单压、双压和三压余热锅 炉分别为 2.5kPa、3.0kPa、3.3kPa。 3.5 余热锅炉蒸汽温度的确定 在不补燃的联合循环中，余热锅炉高压蒸汽的 温度受到燃气轮机排烟温度的限制。燃气轮机选型 确定后，其排气温度一定，余热锅炉高压蒸汽的温 度一般比燃气轮机排气温度低 25～40℃。 当然联合 循环高压蒸汽温度的确定还与余热锅炉过热器和汽 轮机高压部件的材料选择的经济合理性有关。 同样， 中压蒸汽和低压蒸汽的温度则比它们各自所在的余 热锅炉受热面积上游的燃气温度低 11℃左右[13]。 3.6 余热锅炉蒸汽压力的优化 蒸汽参数的优化主要是高压蒸汽压力的选择， 国外研究表明[14]，随着高压蒸汽压力的提高，联合 循环效率有一定程度的提高，升至一个较高的最佳 值后开始下降。优化后的高压蒸汽压力不是很高， 通常在高压到超高压的范围内。对 150MW 级的汽 轮机来说，GE 和三菱推荐选择高压蒸汽压力在 10Mpa 左右，SIEMENS 推荐为 13Mpa。 3.7 联合循环蒸汽系统的优化方向
公司 燃机型号 净功率（MW） 净热耗（Kj/Kwh） 净效率（％） 燃气初温（℃ ） 排气温度（℃ ） 联合循环型号 净功率（MW） 净热耗（Kj/Kwh ） 净效率（％） 系统配置
表 1 世界上 F 级燃气轮机的技术性能 GE SIEMENS ALSTOM PG9351FA V94.3A GT26 255.6 267 265 9757 9302 9351 36.9 38.7 38.5 1327 1320 1255/1235 609 576 640 S109FA GUD1S.94.3A KA26-1 390.8 392 393 6350 6274 6150 56.7 57.4 58.5 1+1，三压再热 1+1，三压再热 1+1，三压再热
主蒸汽温度受到燃气轮机排气温度的限制） ， 由此可 以增大汽轮机的功率。 早期的燃气轮机初温较低，排气温度也较低， 组成不补燃的联合循环，所能匹配的汽轮机参数必 然也很低，因此联合循环的效率也不高。采用补燃 后，就可与高参数的汽轮机相匹配，使联合循环的 效率得以提高。 理论研究表明[2]，随着燃气初温的不断提高， 余热锅炉产生的主蒸汽参数已经很高。 少量补燃后， 如保持蒸汽参数不变，一般总会使联合循环的效率 下降；如保持蒸汽量和余热锅炉的节点温差不变而 提高蒸汽参数，有可能略微提高联合循环的效率， 但此提高的潜力不大。 由于材料和节点温差的约束， 蒸汽参数提高的余地也不多，补燃过多就只能用以 增加蒸汽量了。因此，随着燃气轮机初温的不断提 高，新建发电厂现在已很少采用补燃的联合循环方 案了。目前补燃的余热锅炉大多只用于热电联产的 联合循环中， 通过增减补燃量使产汽量具有灵活性， 以求得热负荷和电负荷可以独立地调节；并提高联 合循环在低负荷下的热效率。 不补燃的燃气-蒸汽联合循环的主要优势在于： 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， 联合循环效率已超过 56％， 近期有 望达到 60％。②锅炉和厂房体积较小，结构简单， 投资费用低。③系统简单，运行可靠性高，现已达 到 93～98%的可用率。④启动快。 1.3 燃气轮机效率的选择 经理论推导 [3] ，在不补燃的联合循环中，整 套联合循环效率ηcc 为：
单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好的效 益，对大型天然气联合循环发电技术进行全面而系 统的研究和优化至关重要。
1 联合循环系统优化
1.1 提高联合循环效率的途径
图 1 燃气循环
图 2 蒸汽循环
图 3 燃气-蒸汽联合循环 1
联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力 循环， 通过能量交换联合在一起的循环。 燃气-蒸汽 联合循环就是利用燃气轮机做功后的高温排气在余 热锅炉中产生蒸汽，再送到汽轮机中做功，把燃气 循环（勃莱敦循环）和蒸汽循环（郎肯循环）联合 在一起的循环。
图 4 燃气-蒸汽联合循环的 T-S 图
根据热力学原理，理想热力循环（卡诺循环） 的效率为 1 T2 T1 ，式中 T1 为热源平均吸热温 度，T2 为冷源平均放热温度。公式表明，热源平均 吸热温度越高，冷源平均放热温度越低，则循环效 率越高。 燃气-蒸汽联合循环中的高温热源温度（透平 初温）高达 1100～1300℃，其热源平均吸热温度远 远高于蒸汽循环常采用的主蒸汽温度 540～603℃ 的热源平均吸热温度，而联合循环中的冷源平均放 热温度（凝汽器温度）29～32℃远远低于一般燃气 循环的排气温度 450～640℃。也就是燃气-蒸汽联 合循环从非常高的高温热源吸热，向尽可能低温的 冷源放热，因此联合循环的热效率比组成它的任何 一个循环的热效率都要高得多。 目前蒸汽循环凝汽器的真空随外部循环冷却 水的水温、 冷却方式和真空系统的不同而略有变化， 一般为 0.04～0.05bar(a)，其相应的温度为 29～32 ℃，已难以降到更低。而燃气循环的透平初温，近 年来随着叶片材料和冷却技术的提高还在不断提 高。因此提高联合循环效率的首要途径就是选择透 平初温较高的燃气轮机。理论研究证实[1]，提高燃 气轮机的初温，可以使联合循环的效率大大提高。 1.2 余热锅炉的补燃与不补燃 所谓补燃，即在余热锅炉中再补充燃烧一部分 燃料 （气体、 液体或固体燃料均可） ， 增大余热锅炉 的产汽量，并提高主蒸汽参数（不补燃余热锅炉的
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图中 t3 为燃气初温，近年来的燃气轮机其初温 均在 1100～1200℃以上，从图 5 可见，当简单循环 的排气温度为 400～450℃时，燃气轮机效率最高。 图 6 与图 5 相比，联合循环效率的最佳点则向排气 温度高的方向移动，为 550～600℃。 近年来发展起来的大型燃气轮机，在燃气初温 提高的基础上，也都提高了排气温度，其目的就是 为了取得整体联合循环的高效率。 因此要获得联合循环的最大效率，不能仅仅选
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图 5 简单循环的燃气轮机效率与排气温度的关系
中，
图 6 联合循环效率与燃气轮机排气温度的关系
PG9351FA、V94.3A、GT26 和 M701F 四种 F 级机 组具备以下特点： ① 单机容量大，都在 250MW 等级， “1+1” （一台燃机带一台汽机）的联合循环功率即已达到 390MW。 ② 专为烧天然气而设计，也可烧备用轻柴油。 燃气初温高，因而燃气轮机自身的效率也高。 PG9351FA、 V94.3A 和 M701F 初温均超过 1300℃， 燃气轮机效率在 36.9％～38.7%之间， 而 GT26 的燃 气初温虽略低（为 1255℃） ，但采用了燃气再热技 术，效率也达到了较高的 38.5%。
后的电厂单位投资省、热效率高、投产后具有较好的效益，对大型天然气联合循环发电技术进行全面而系统的研究和优化至 关重要。本文对影响大型天然气联合循环电厂效率的各种因素进行了研究，对联合循环系统的优化、燃气轮机选型、蒸汽系 统的优化、参数选择、余热锅炉和汽轮机选型、机组轴系配置、动力岛布置等方面进行了深入的分析研究，并提出了明确的 优化途径和结论。
1.4 燃气轮机排气温度的选择 然而在联合循环设计中，燃气轮机效率并非越 高越好。在联合循环中，燃气轮机效率取最大值，