[摘 要] 论述了燃气-蒸汽联合循环的总能系统概念,介绍了燃气-蒸汽联合循环技术发展和
用状况,并就国家对燃气轮机及其联合循环发电机组的发展定位,发展规划和相关政策进行了探讨。
[关键词]燃气轮机;联合循环;能源节约;环境保护;对策
Present State ofCombined Steam & gas Turbine Cycle Power Generation
Technology& Study on the DevelopmentCountermeasures
WANG Bo-ren
(HubeiElectricPowerTesting& Research Institute,Wuhan430077,China)
[Abstract]The totalenergy conceptofcombined steam and gas turbine cyclewas expounded.Presentstate of
combined steam and gas turbine cycle powergeneration technology and its applicationwere introduced.The de-
velopmentorientation, plan and related policy of statewere discussed.
[Key words]gas turbine; combined cycle; energy saving; environmentprotection; countermeasures
1 燃气轮机联合循环发电状况和需求
从20世纪80年代以来,随着燃气轮机及其联合循环总能系统新概念的确立,材料科学、制造技术的进步特别是能源结构的变化及环境保护的要求，更加严格,燃气轮机及其联合循环机组在世界电力，系统中的地位发生了显著变化,不仅可以用作紧急，备用电源和尖峰负荷,还被用来带基本负荷和中间负荷。21世纪以来世界燃气轮机进入了一个新的发展时期,我国燃气轮机引进、开发和应用又进入了一个新的发展阶段。燃气轮机技术进步主要表现在:单机容量增大,热效率提高与污染物排放量降低。目前全世界每年新增的装机容量中,有l/3以上系采用燃气-蒸汽联合循环机组,而美国则接近l/2,日本则占火电的43%。据不完全统计,全世界现有燃油和燃天然气的燃气-蒸汽联合循环发电机组的总容量己超过400 GW。当前燃气轮机单机功率已
经超过300MW,简单循环热效率超过39%;联合循环功率已经超过780 MW,联合循环热效率超过58. 5%,干式低NOx燃烧技术已使燃用天然气和蒸馏油时的NOx排放量分别低于25mg/kg和42mgkg,提高了燃气轮机在能源与电力中的地位与作用。
从目前世界火力发电技术水平来看,提高火电厂效率和减少污染物的排放的方法,除带脱硫、除尘装置的超临界发电技术(USC)、循环流化床(CFB)和增压流化床联合循环(PFBC)等外,燃天然气、燃油及整体煤气化等燃气-蒸汽联合循环是一个重要措施。据有关调研预测,未来10年我国对燃气轮机总需求量达34 000 MW左右。中国已开始利用西气东输,东海、南海油气,进口LNG(液化天然气)和开发煤气化等清洁能源。一批300 MW级燃气-蒸汽联合循环电厂已经建成或即将建成投产。可以说,随着国产化率的提高,造价的减低,燃用天然气和煤气等大型燃气-蒸汽联合循环发电机组,必将成为中国电力工业一个重要组成部分。
2 燃气-蒸汽联合循环总能系统概念
燃气-蒸汽联合循环是将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,兼顾了燃气轮机布雷登(Bragton)循环高温加热的优势和汽轮机朗肯(Rankine)循环低温排热损失小的优势,形成了总能系统设计新概念,汇集燃气轮机的先进技术、余热锅炉和汽轮机发电的优势,使联合循环的效率提高。例如目前三压锅炉、亚临界参数、再热燃气-蒸汽联合循环发电效率大于60%。
常规燃气-蒸汽联合循环中的高温热源温度(燃气机初温)高达1 100~1 300℃以上,远远高于一般蒸汽循环采用的主蒸汽温度540~566℃,而燃气-蒸汽联合循环中的低温冷源温度(凝汽器温度)29~33℃,远远低于一般燃气简单循环的排气温度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单独循环的热效率都要高得多。在联合循环中,提高燃气轮机效率ηgt比同等程度地提高余热锅炉效率ηHRSG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系统和形式是否配置合理的问题。研究表明,在联合循环中燃气轮机效率取最大值,并不等于获得最优化的联合循环效率。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、亚临界和再热技术,取得蒸汽循环的高效率。当评价一台燃气轮机对联合循环是否合适时,不但要考虑其效率,还要考虑与其匹配的蒸汽循环的效率以及整体联合循环的效率。简单循环的燃气轮机在一定的初温条件下,都对应着一个最佳的压比和排气温度。而联合循环在一定的燃气初温条件下,也有一个效率最高的最佳压比和排气温度。这个最佳压比要比简单循环的最佳压比低得多,它与使简单循环的燃气轮机的比功达到最大值时的压比非常接近;这个最佳排气温度要比简单循环的最佳
排气温度高得多。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,还应选择尽可能高的气初温和联合循环的最佳压比和排气温度。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。
3 燃气-蒸汽联合循环发展趋势
燃气轮机及其联合循环是一项多专业、高密集 型的高新技术,传统的提高性能途径是不断地提高
透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。20世纪50年代初,透平初温(T3)只有600℃~700℃,靠耐热材料性能的改善,平均每年上升约10℃; 60年代后,还借助于空气冷却技术,T3平均每年提升20℃。从70年代开始,充分吸取先进的航空技术和传统汽轮机新技术,沿着传统的途径不断提高其性能,现已开发出一批“F、FA、FB、H”新型高透平初温技术产品,它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平,T3=1 430℃,这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限,压气机压比ε=10~30,简单循环效率ηgt=36% ~40%,联合循环效率ηcc=55% -60%。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术,高温部件的材料仍以超级合金为主,燃气透平壳体选用CrMO钢,转子轴、转轮选用Inconel706,采用定向结晶,单
晶材料,Co-Cr-Al-Y喷涂等先进工艺,部分静止部件采用陶瓷材料,初温提高到T3=1 500℃~1 600℃。采用智能型微机控制系统,并更加重视环保。对未来燃气轮机的构思将基于采用航空航天最新技术新材料,燃烧器处于或接近在理论燃烧空气量条件下工作,T3将达1 600℃~1 800℃。现采用的熔点1 200℃、密度为8 g/cm3的叶片超级合金将被淘汰,新的高级料应是小密度(<5 g/cm3),有更好的综合高温性能,陶瓷材料是一种选择。
4 两种循环的性能比较
在火电领域,燃气-蒸汽联合循环发电机组比常规的燃煤汽轮发电机组有更大的比较优势。
( 1)燃气轮机联合循环的供电效率远远高于常规燃煤蒸汽轮机循环。现有联合循环的效率已经超过58~60%。其热效率之高,不仅远远超过常规燃煤蒸汽轮机电厂,甚至比超超临界参数的燃煤蒸汽轮机机组的预期值(45. 2% ~47. 7%,未扣除脱硫值)还要优越。
(2)建设费用比燃煤汽轮机机组以及核电机组低。对于一座2 000MW电厂,汽轮发电机组、燃气轮机发电机组、燃气-蒸汽联合循环机组单位投资分别约为6 000、2 122、6 530元/kW。
(3)可以按“分阶段”建设方式建厂,资金利用最有效。建设周期短,只需5~10个月。
(4)用地、用水都比较少。
(5)单机容量大,启、停快,运行灵活性好,适宜两班制运行。提高燃气轮机在总装机容量中的比重,将会改善电网的运行状况,为电网提供更加灵活的备用电源,增大调峰的灵活性。
(6)运行可靠性高,可用率高达85% ~95%,易于快速“黑启动”,有助于改善电网运行的安全性。
( 7)采用天然气或液体燃料时,一般污染物排放很少。在燃烧天然气时,还可以大大地减少CO2的排放量。如果以燃料燃烧释放的单位能量比较,并以燃油排放的CO2量为,l则煤和天然气燃烧排放的CO2大致为1. 22和0. 67。
5 燃气-蒸汽联合循环发展对策探讨
虽然中国燃气轮机发电始于20世纪50年代末期,但由于燃料政策的原因在很长时间内发展缓慢。目前我国燃气轮机发电装置设计、制造水平与国际上先进国家差距较大,装机容量及运行管理水平与我国电网发展很不相称。为促进我国燃气轮机发电事业的快速健康发展,在此提出一些不成熟的建议,以抛砖引玉。
(1)科学定位,统筹规划,完善政策。结合国家“十一五”发展规划,应对燃气轮机及其联合循环发电装备的发展进行科学定位,制定中国燃气轮机及其联合循环发电装备的中、长期战略发展规划和近期安排,制定和完善燃气轮机产业发展政策和燃料、电能、热能价格等配套政策、法规,加大资金和科技投入。按照市场经济规律,在已重点引进一批先进、成套的300MW级燃气-蒸汽联合循环示范工程的基础上,兼顾大、中、小型先进、实用技术的引进,通过产、学、研结合和消化、吸收、再创新,迅速提高我国燃气轮机及其联合循环发电装备的技术水平。
(2)严把引进设备技术质量关。实行机、电行业结合,先以市场换技术,提高进口机组的可靠性、综合技术经济性能和电厂设计优化水平,提高备品备件国产化率,降低维护费用。努力改变目前国内机、电行业分离,引进技术分散,重复引进,配套性差,甚至引进性能落后的设备和技术的局面。
(3)提高国家制造技术水平。在现有制造技术的基础上,瞄准国外最先进的水平,有计划的成套引进一批先进适用的机型、关键设计技术、软件、关键制造工艺、控制保护系统及测试技术。在消化、吸收的基础上,努力创新,不断提高关键部件的国产化率和设计、制造、配套能力。尽快开发出运行可靠,性能价格比高,具有自主知识产权、成套的国产机组。建议在中西部(如:成都、武汉)建立燃气轮机及其联合循环机组研发中心及制造基地,将产品尽快推向国内外市场。
(4)加强关键高温金属材料的引进生产和科研攻关。目前燃气轮机最高初温达到1 500℃~1 600℃,国外直接采用最先进的航空、航天工业新材料。国外厂家一般不会转让最先进的制造技术,国内应军民结合,产、学、研结合,组织联合科技攻关,尽快实现关键材料国产化,以降低成本。
(5)加强燃气-蒸汽联合循环机组转子结构动力学和振动分析、故障诊断和处理研究,特别是对单轴(即由压气机+燃气透平+汽轮机+发电机串联成一根单轴)大型机组的压气机喘振及轴承振动的快速诊断、处理。
(6)我国煤炭资源较丰富,为替代常规燃煤汽轮发电机组,目前燃煤的燃气一蒸汽联合循环技术已成熟。当采用9H型燃气轮机组成IGCC联合循环时,单机功率可提高到550MW,供电效率可增升到50% ~62%。国家应加速IGCC整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电的步伐和燃煤洁净发电机组的进程,以适应中国电力工业可持续发展的需要。
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