联合循环发电厂的特点及发展趋势
樊守峰程政[西北电力设计院] 2003-07-25
前言
与常规的燃煤电厂相比较，联合循环发电厂以其启动时间短、所需冷却水量少、占地面积小、建设周期短、环保效益明显，可有效地调整电力需求峰值等诸多优点而备受世界各国的重视。
近二十年来，美国、日本、英国、法国和韩国等国家都在大力兴建联合循环发电厂。在日本联合循环发电容量近五年内将翻一番[1]。我国的香港特别行政区建成世界上最大的联合循环发电厂-香港龙鼓联合循环电厂，设计容量为8台32万kw机组[6]。随着人们环境意识进一步地增强及黄金时间用电负荷需求的不断上升，在我国很有必要在天然气丰富地区大力发展联合循环发电厂。
1 联合循环构成方式及其各自的特点
1.1 按照燃烧方式的不同可分为：
(1)排热回收型
图1为排热回收型联合循环发电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：
(a)系统简单；
(b)燃气轮机出力高；
(c)启动时间短；
(d)系统总效率与燃气轮机入口温度有关，即燃气轮机入口温度愈高，系统总效率愈高；
(e)汽轮机不可能单独运行。
(2)排气助燃型
图2为排气助燃型联合循环发电厂要系统构成简图，这种构成方式的特点是：
(a)助燃量越大，汽轮机出力越大；
(b)启动时间短；
(c)汽轮机不可能单独运行；
(d)助燃燃料量越大，凝汽器凝结水量越大。
(3)排气再燃型
图3为排气再燃型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：
(a)汽轮机出力大；
(b)在利用全部燃气轮机排气的情况下，全厂效率最大；
（c）锅炉燃料消耗量与燃气轮机燃料消耗量无关；
（d)燃气轮机和汽轮机可以单独运行；
（e）运行控制系统复杂
(4）增压锅炉型
图4为增压锅炉型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：
(a)汽轮机出力大；
(b)锅炉燃料消耗量受燃气轮机的限制；
（c）燃气轮机和汽轮机不可能单独运行；
（d）增压锅炉传热效率高，因此锅炉的传热面积及体积减小，但锅炉的耐压性要求高于其它锅炉。
(5)给水加热型
图5为给水加热型联合循环电厂主要系统构成简图，这种构成方式的特点是：
(a)系统简单；
(b)汽轮机出力大；
(c)锅炉燃料消耗量与燃气轮机的燃料消耗量无关；
(d)燃气轮机和汽轮机可以分别单独运行。
1.2按照燃气轮机与汽轮机是否同轴可分为：
(1)单轴型·
所谓单轴型联合循环发电是指燃气轮机与汽轮机及发电机是连接在同一轴上(如图6所示CGS型)，它们共同驱动同一台发电机而构成联合循环发电。当燃气轮机和汽轮机为单轴刚性连接时，启动时汽轮机也必须被迫与燃气轮机一起高速转动。
单抽型联合循环发电机组的安装顺序有两种，即以燃气轮机(C：Combustion)-发电机(G：Generator)-汽轮机(S：Steam Tur-bine)顺序安装的CGS型式；另一种为燃气轮机-汽轮机-发电机顺序安装的帕G型式。如日本的九州电力(株)新大1号机组是CGS型式，同厂的2号机组是CSC型式。然而，在CGS型式中又可细分为两种：GE公司的产品为CGS刚性连接；而西门子和ABB 的产品为CGSS连接，即在发电机和汽轮机之间没有同步离合器(SSS)。
(2)多轴型
多轴型联合循环发电是指燃气轮机与汽轮机连接在不同的轴上，它们各自驱动自己的发电机(如图7所示)，在这种方式中有一台燃气轮机与一台汽轮机相配套而构成联合循环发电；也有两台或两台以上燃气轮机与一台汽轮机相配套而构成联合循环发电。
2 联合循环电厂主要设备
联合循环发电厂主要由燃气循环系统、汽水循环系统和介于两者之间的余热锅炉这三部分组成，以下分别简要介绍这三部分中的主要设备。
2.1 燃气循环系统
(1)燃气轮机
燃气轮机是将燃料燃烧后的热能转化为动能的设备。典型燃气轮机的主要性能参数如表1[2]所示。通常意义上的发电用燃气轮机主要包括燃气轮机本体、空气压缩机、燃烧器、启动装置、润滑油系统等相关设备组成。
注：上表中的数据是在如下条件下取得的：
(a)大气温度为15o C，大气压力为1.033ata；
(b)燃料是气化了的液化天然气；
(c)热效率是按照低位发热量计算而得；
(d)排气流量和排气温度是燃气轮机在基本负荷时的数据。
(2)燃烧器
燃烧器是燃气轮机的一个非常重要的设备，它是实现燃料燃烧、降低燃气轮机排气中氮氧化物含量的设备。目前世界上各大燃机生产厂都十分重视开发研究新型的燃烧器，以便满足日益受到人们关注的环境保护要求。目前常见的有干式燃烧器和湿式燃烧器。
(3)空气压缩机
空气压缩机是向燃烧器提供足够的燃烧空气的设备。为了进一步提高燃机容量和效率，就应开发具有高效、大压缩比的空气压缩机。
(4)启动装置
因安装条件和使用条件的不同，燃气轮机的启动装置有时也会不同，通常情况下为柴油机或电动机，但也有用汽轮机的情况。该装置提供动力，将燃气轮机加速到自持转速(60％。70％额定转速)。
(5)燃气增压机
燃气轮机燃烧器对入口燃料的压力有一个要求范围(如：21atg左右)，燃料供应系统应能满足这一压力要求。
当燃烧气体燃料(如天然气)时，如果燃料供应系统的气压较低，则需利用燃气增压机来提高燃气轮机燃烧器人口的压力至要求范围内。
如果燃气供应压力高于燃机燃烧器入口的燃气要求压力，则需要设置减压装置降低压力。
(6)燃气加热装置
燃气轮机燃烧器不仅对入口燃料的压力有要求，而且对燃烧器入口温度也有要求，一般为露点温度加28-30度左右。
在寒冷地区，如我国新疆有的地区冬季最低气温达零下39度左右，在这种地区，燃气供应系统应配备燃料加热装置(如蒸汽加热器等)，来提高燃料器入口的燃气温度。
2.2汽水循环系统
除余热锅炉外，构成联合循环的汽水循环系统的主要设备有汽轮机、凝汽器、循环水泵、轴封冷却器、凝结水泵等。这里主要介绍汽轮机、凝汽器这两个与常规火力发电厂相比，具有自己特色的设备。
(1)汽轮机
联合循环发电装置用的蒸汽轮机与一股火力发电装置用的汽轮机在原理上是相同的，构造上也几乎类似。因此，这里仅对联合循环用汽轮机的特点进行说明。
(a)全变压汽轮机
为了最大限度地有效利用燃气轮机排气能量，采用全变压。伴随全变压的采用，-般为全周进汽，去掉叶栅性能差的调节级来改善性能。因此，正常运行时蒸汽调节阀处于全开状态，汽机的负荷控制原则上由燃气轮机的燃料投入量进行控制。
(b)混压汽轮机
联合循环用汽轮机为得到更高的余热团回收效率，一般采用非再热复压式或再热复压式循环系统。其结果，汽轮机为混压式汽轮机，也就是说当汽轮机为单缸时，进入同-个汽缸的蒸汽有高压蒸汽和低压蒸汽(或高压、中压、低压蒸汽)，当机组循环采用非再热复压式循环系统时，低压蒸汽一般是饱和蒸汽。
(c)改善汽机排汽湿度的措施
由于联合循环发电汽机的排汽湿度比常规火力发电汽机的湿度要大，因此，在汽机静叶的根部设置排水收集器，扩大末级叶片组的动静叶片间距。
(d)抽汽
常规的火力发电汽水系统均设置给水加热器构成回热系统来提高热效率，而当联合循环发电装置给水温度升高时，余热锅炉的排烟温度会升高，将会使整个机组的效率下降。因此，联合循环的汽水系统一胶不设给水加热器，汽机无抽汽。
(2)凝汽器
联合循环机组的凝汽器主要功能是将汽轮机的排汽凝结成水，维持汽轮机的低背压，从而提高汽轮机的效率，这一点与常规火力发电厂的凝汽器功能是相同的，但它也有如下自己的特点。
(1)除氧功能
联合循环发电厂的汽水系统一般无除氧器(但也有设除氧器的情况)，而在凝汽器的热井中利用蒸汽加热方式除氧。
(2)排汽方式：
当联合循环机组为多轴型时，一般使用向下排汽的凝汽器；当为单轴型时，一般使用轴向或侧向排汽的凝汽器。
2.3 余热锅炉
余热锅炉处于燃气轮机循环系统和汽轮机循环系统的结合点位置，将燃气轮机排气的高温热能转化为蒸汽热能。根据排气的流动方向，余热锅炉可分为立式锅炉和卧式锅炉。根据余热锅炉产生的蒸汽压力又可分为单一压力的单压式和两种以上压力的多重压力式，还有追加再热器的再热、多盈压力式。就锅炉水循环型式来说，有利用汽、水的密度差而提供循环动力的自然循环锅炉和利用强制循环水泵来提供动力的强制循环锅炉。
3 联台循环的燃料及其排放物
3.1 燃料[2]
燃气轮机的燃料主要有液体燃料和气体燃料。
(1)液体燃料：
液体燃料一般有轻油、重油、原油及其它石油产品。与气体燃料相比，燃烧液体燃料对环境的污染稍大一点，但比燃煤电厂要小。
(2)气体燃料：
天然气、液化天然气(LNG)、液化石油气、城市燃气、矿井气等，如表2所示，气体燃料燃烧后产生的污染物量最小。
3.2 排放物
表2[1]给出了燃煤电厂、燃油电厂及燃气电厂的污染物排放量。由此表可以看出，燃气电厂的污染物排放量明显比燃煤电厂及燃油电厂的污染物排放量要小。以天然气为例，由于其主要成分为甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类，其中甲
和低量的氮氧化物。
烷约占85％-95％，其燃烧后的产物主要为水蒸气、C0
2
表 2 电厂污染物排放量
4 联合循环机组的启动、停机
不同型式的联合循环发电机组启动、停机方式有所不同，此处以单轴联合循环机组为例进行说明。
4.1 启动
(1)确认设备状况，作好启动难备工作；
(2)循环水系统启动；
(3)凝汽器开始抽真空；
(4)余热锅炉(HRSG)相关设备开始启动；
(5)燃机启动：
(a)排气阶段：
一般的联合循环机组为了节约投资，均未在燃机出口的烟道上安装未燃气体(主要是甲烷)检测装置，当启动装置将燃机转速由零升至约16％的额定转速时，在此转速下持续运行一段时间(时间的长短取决于烟道体积的大小，约5-10分钟)，以便将烟道中的未燃烬燃气排出，以防引起爆炸。
(b)点火阶段：
完成上述的排气之后，由于燃机点火需要一定的空气与燃料的比例，故燃机转速需降至约14％左右，然后开始点火。
(c)暖机阶段：
燃机继续升速至约40％的额定转速，进入HRSG的暖机阶段。
(d)升速阶段：
当燃机转速升至约60％(50Hz发电机)或70％(60Hz发电机)的额定转速后(燃机自持转速)，启动装置停止，燃机继续升速由HRSG暖机阶段进入额定转速，燃机启动过程完成。
4.2 停机
(1)作好停机准备工作；
(2)负荷下降，汽轮机控制阀关闭；
(3)发电机解列，燃机灭火；
(4)烟道风门关闭，进入盘车状态；
(5)HRSG停止运行；
(6)破坏凝汽器真空；
(7)循环水系统停止运行。
5 影响联合循环视组性能的因素
5.1 机组出力的几个概念
当地的大气压力及大气温度对已选定的联合循环的燃气轮机性能有一定的影响。因此，联合循环发电机组就有了额定出力、标准额定出力和现场额定出力
三个概念。日本的JIS B-0128 Terms of Thermal Power Plants(Gas turbines and auxiliary facilities)
是这样定义这三个概念的：
(1)额定出力：指在事先确定的条件下燃气轮机发电机能够保证的出力。
(2)标准额定出力：指燃气轮机在相关的标准条件下的额定出力[即燃机空压机法兰入口处整体区域空气温度为150C，整体区域大气压为
1.033kgf/cm2(abs)，空气相对湿度为60％，并且燃气轮机排气法兰处的排气静压为1.033kkgf/cm2(abs)]。
(3)现场额定出力：指在联合循环发电厂当地的条件下，诸如大气压、大气温度、压力损失等条件下的额定出力。它又分为基本出力和尖峰出力。
5.2 当地大气压
因燃气轮机安装地点的不同，大气压力往往也不同，进而两个安装地点的空气密度也会不同，在这种情况下，燃气轮机在大气压力高的地点出力稍大点，但此项对联合循环整体出力的影响较小。
5.3 当地大气温度
如图8所示，在其它条件相同的情况下，燃气轮机的出力会因周围环境温度的变化而变化，进而影响联合循环整体的出力。
6 联台循环发电的发展趋势
6.1 我国的电力构成
1999年我国发电装机容量为298767．9MW，其中水电占24．42％，火电占74．79％。核电占0.70％；全国总发电量12331．41亿kKW，其中水电占17.27％，火电占81.48％，核电占1.20％。
由此可见，燃煤发电目前仍是我国发电的主要方式。众所周知，燃煤电厂对大气的污染较为严重，这不仅对我国自身的环境有较大影响，而且对周边国家也会造成污染。因此，大力发展联合循环发电，对改善大气质量是十分必要的。
6.2我国天然气储量
根据第二轮全国天然气油气资料分析评价结果233，我国常规天然气的总资源量为38x1012m3。我国常规天然气可采资源为[4]16.1x1012m3，非常规天然气资源量据不完全测算为27-115x1012m3。由此可见，我国具有丰富天然气资源，而天然气是联合循环发电的主要燃料之一，因此，大力兴建联合循环发电厂具有非常广阔的前景。
6.3 联合循环发电机组的发展方向
(1)发展过程
燃气轮机为联合循环发电厂的主要设备之一，表3所示为燃气轮机技术的发展过程。
表 3[7]
(2)发展方向：大容量、高温化、高压缩比、高效率、低污染
联合循环发电机组总的发展趋势是大容量、高温化、高压缩比、高效率和对环境的低污染。例如，1994年3月，容量为350MW的联合循环发电机组在日本的中国电力公司的柳并发电厂建成，这台机组从起草总规划方案、制造、安装、调试及确认，全面由日本的日立公司负责。该机组为当时最新型的F7F型燃气轮
机，燃机入口温度高达1300o C，机组所测的热效率达47％。
随着机组容量的扩大、燃烧温度的提高、高压缩比、高效率燃机技术的发展，联合循环机组的热效率将会进一步得到提高。依据目前的燃机技术，当燃机入口温度为1500o C时，有望使联合循环机组的热效率达52-64％[8]。
参考文献：
(1)建设燃气-蒸汽联合循环电站改善环境质量中国电力 1999年第32卷第2期，VoI．32，No.2
(2)Handbook For Thermal ande Nuclear Power Engineers Thermal and Nuclear Power Engineering So-ciety Published in March 1993
(3)中国天然气工业的开发前景天然气工业 1999年第19卷第l期
(4)我国天然气资源及前景天然气工业1999年第19卷第1期
(5)我国电力工业环境保护现状与展望中国电力 1999年第32卷第10期
(6)香港将建成世界最大的联合循环电站现代电力 1999年第16卷第1期
(7)Technological Trends in Gas Turbine Devel-opment Hitachi Review Vo1.44(1995),No.1
(8)复合发电(修订版) 火原协会讲座25 1998年6月