大型天然气联合循环发电技术Power Generation Technologyof Large-Scale Natural Gas –Fired Combined Cycle浙江省电力设计院何语平摘要：为配合“西气东输”和液化天然气（LNG）的输入，我国东部地区正在建设一批大型联合循环电厂。

为了使建成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。

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NO x燃烧器，NO x 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121T T -=η，式中T 1为热源平均吸热温度，T 2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：ηcc = ηgt + (1-ηgt )﹒ηhr ﹒ηst （4-1）式中，ηg t 为燃气轮机发电机组的毛效率，ηh r 为余热锅炉效率，ηs t 为汽轮发电机组毛效率。

从式（4-1）可见，提高燃气轮机效率ηgt 比同等程度地提高余热锅炉效率ηhr 和汽轮机效率ηst 对于改善联合循环效率ηcc 的效果更为明显。

因此在设计联合循环时，首先应选择功率和效率都能满足要求的燃气轮机作为设计出发点，然后再从整个联合循环的效率和投资角度，来考虑余热锅炉和汽轮机的系统和形式是否配置合理的问题。

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，并不能得到最优化的联合循环的效率。

当燃气初温一定时，高压比的燃气轮机排气温度较低，虽然燃气轮机本身的效率比低压比的燃气轮机高，但余热锅炉的能量利用率、蒸汽参数和蒸汽循环效率都较低。

而低压比的燃气轮机的排气温度较高，虽然燃气轮机本身的效率比高压比的燃气轮机低，但蒸汽循环得以利用成熟的高温高压和再热技术，取得蒸汽部分的高效率。

可见在燃气轮机初温一定时，燃气轮机排气温度存在着最佳值[4]。

图5和图6分别表示了燃气轮机效率和联合循环整体效率与燃气初温和燃气轮机排气温度的函数关系。

图5 简单循环的燃气轮机效率与排气温度的关系图6 联合循环效率与燃气轮机排气温度的关系图中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，不能仅仅选择高效率的燃气轮机，而选择尽可能高的燃气初温和对于联合循环最佳的压比和排气温度才是更重要的因素。

即既要兼顾到燃气循环的效率，又要兼顾到蒸汽循环的效率，才能获得联合循环的最大效率。

2 燃气轮机机型选择能够生产满足上述要求的大容量高效率、能够体现当今工业燃气轮机设计、制造水平的厂家主要有GE公司（美国通用电器）、SIEMENS公司（西门子）、ALSTHOM公司（阿尔斯通）和三菱公司（MITSUBISHI）。

鉴于我国目前正在以市场换技术，积极引进生产大型发电用的燃气轮机技术，因此我们有必要仔细分析研究上述四家燃气轮机厂商产品的技术性能和技术水平。

在建设联合循环电厂时，引进优质高效、成熟可靠、单位造价低的先进产品。

由于9E燃气轮机的燃气初温（1124℃）较低，自身效率要比F级燃气轮机低3～4个百分点。

排气温度仅538℃，蒸汽循环不能再热，联合循环的效率要低4～6个百分点。

因而E级联合循环电厂的上网电价较高。

另外由于E级机组容量较小，需要2+1（两台燃机带一台汽机）组成的联合循环，容量才能达到383.7MW。

相对来说设备增多、系统复杂、占地较大。

经过多方面的技术和经济比较[5]，我们得出结论：在我国东部天然气价格相对较高的地区建设大型联合循环电厂，不宜选用E级燃气轮机作为基本机型，也不宜选用E级改进型作为基本机型，而F级燃气轮机是我国东部地区建设天然气发电390MW级联合循环电厂的首选机型，而且F 级机组在世界上也都是已投运了多年的成熟机型。

这四家燃气轮机厂商产品[6] [7] [8] [9] [10]中，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%。

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。

3余热锅炉蒸汽系统的优化3.1 提高余热锅炉效率的途径由于不补燃的余热锅炉是利用燃气轮机的排气余热来产生蒸汽和热水，排烟损失是它最主要的热损失，因此降低余热锅炉排烟温度是提高余热锅炉效率的唯一途径。

3.2 单压、双压和三压蒸汽系统的选择在单压蒸汽系统中，在低温段烟气的热量未能充分利用，因此单压余热锅炉不能将排烟温度降低到较低的水平，一般仅能控制在160～200℃左右。

当燃用几乎不含硫的天然气时，因燃料成本相对较高，有需要也有可能进一步降低排烟温度。

在设计余热锅炉时可以采用双压或三压蒸汽系统，即在余热锅炉中除了产生高压过热蒸汽外，还产生中压或低压过热蒸汽，补入汽轮机的中、低压缸中做功。