燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術gcc的優(yōu)勢

燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術gcc的優(yōu)勢

與效率低下的大型蒸汽發(fā)電裝置相比，聯(lián)合高效能源裝置（gtc）具有高度效率（系統(tǒng)清潔效率超過50%）、低污染、運營靈活、施工周期長、投資低等優(yōu)點，在世界能源行業(yè)中得到了廣泛廣泛應用。特別是在歐洲和美國的一些工業(yè)化國家，除了使用新裝置和勵磁聯(lián)合裝置外，還使用了聯(lián)合節(jié)能技術對舊裝置的容量和效率進行了改善和改造。此外,由于燃氣輪機運行的可用率高達85%～95%,有利于在電力系統(tǒng)的調峰運行,這對于解決我國現階段嚴峻的結構性缺電問題,提高現有和新增機組的調峰能力,意義重大。因此在新一輪的電力建設高潮中,燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)電站將面臨重要的發(fā)展機遇。利用燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)改造燃煤電廠,主要的改造方案有:常規(guī)的不補燃余熱鍋爐型燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案、排氣再燃型燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案、并列動力布置型燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案、給水加熱型燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)方案。本文主要研究常規(guī)不補燃型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)改造燃煤電廠的方案,并通過理論分析計算論證其在技術上和經濟上的可行性。1不補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)u3000燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術是將燃氣輪機發(fā)電技術與蒸汽輪機發(fā)電技術有機結合起來的一種新型發(fā)電技術。燃氣循環(huán)系統(tǒng)由燃氣輪機組成,主要包括空氣進氣系統(tǒng),多級軸流式壓氣機和燃燒系統(tǒng)、燃氣透平和排氣室。蒸汽循環(huán)系統(tǒng)主要由余熱鍋爐和汽輪機組成。其中,燃氣循環(huán)的過程是燃氣輪機從大氣中抽取大量的空氣經過濾器過濾后,進入壓氣機進行壓縮,壓縮后的空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒,產生的高溫煙氣再經燃氣透平膨脹做功,從而帶動發(fā)電機發(fā)電。燃氣透平排出的煙氣溫度還很高(一般溫度高達500～600℃),還有相當大的熱量可以利用(占燃料總熱能的60%以上),對于常規(guī)不補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),就是將燃氣透平排出的高溫煙氣送入余熱鍋爐加以利用,產生蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。由于利用聯(lián)合循環(huán)能夠實現能源的梯級利用——即燃氣輪機的排煙所含能量被用于余熱鍋爐來產生蒸汽以驅動汽輪機做功,從而提高了能源的綜合利用率,也使整個系統(tǒng)能夠達到很高的效率。對于常規(guī)不補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)改造方案,需要在現有蒸汽輪機電站的基礎上,用一臺或多臺燃氣輪機和余熱鍋爐來取代原有的燃煤鍋爐。燃氣輪機的排氣進入余熱鍋爐后不再補充其它燃料,因而稱為不補燃型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。在改造單臺大功率的蒸汽輪機時,宜采用多臺燃氣輪機和余熱鍋爐的組合方案,這將有利于提高電站部分負荷工況下的效率。圖1和圖2為典型的不補燃余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)原理示意圖及相應的焓熵圖。熱力循環(huán)主要由燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機完成。其中,燃氣輪機完成頂循環(huán),高溫排氣進入余熱鍋爐,產生高溫高壓的蒸汽,進入汽輪機做功,完成底循環(huán)。目前,在常規(guī)不補燃聯(lián)合循環(huán)中,與燃氣輪機相配的蒸汽輪機參數一般都不超過超高壓參數,即壓力最高為13.5MPa左右,因而只有對于超高壓參數及其以下的蒸汽輪機電站才有可能改造成為常規(guī)不補燃聯(lián)合循環(huán)方案。它能在燃機排氣參數較高的條件下用三壓再熱余熱鍋爐方案,使電站的供電效率很容易地增長到52%左右,即大約增加15%。2機組性能參數本文以某燃煤電廠采用常規(guī)余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)改造方案進行分析和計算,并得出改造成燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)后機組的主要性能參數。該電廠目前有6臺125MW的燃煤發(fā)電機組,鍋爐采用的是國產420t/h超高壓,中間再熱單汽包自然循環(huán)鍋爐,設計煤種為貧煤,主要性能參數如表1所示:汽機是國產的三缸再熱凝汽式汽輪機,并帶有抽汽回熱系統(tǒng),額定工況下的主要參數如表2所示。(1)發(fā)電機容量的確定在常規(guī)不補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中,燃氣輪機的效率和排氣參數對聯(lián)合循環(huán)效率的影響最為重要,為了盡可能提高改造后聯(lián)合循環(huán)的效率和熱力性能,在選擇燃氣輪機時,一方面要求燃氣輪機具有高的效率,另一方面,要求燃氣輪機排氣有足夠的余熱來產生底循環(huán)作功所需要的高參數過熱蒸汽。另外,還需要考慮燃氣輪機功率與蒸汽輪機功率的匹配,在實施改造時,應按照燃氣輪機功率與蒸汽輪機功率的比值為1.5～2.0比1的配比關系來選擇燃氣輪機的容量?；谝陨显瓌t,本方案選用美國GE公司的PG9351FA型燃氣輪機,蒸汽循環(huán)系統(tǒng)采用三壓再熱方式,該燃氣輪機簡單循環(huán)性能參數及排煙煙氣成分如表3、4所示:(2)方案3:熱平衡方程燃氣輪機選定后,頂循環(huán)效率和排氣溫度以及排氣流量等參數就定了。接下來需要根據燃機的排氣溫度和質量流量確定底循環(huán)蒸汽系統(tǒng)的一些主要參數以及選擇汽水循環(huán)的型式。因為余熱鍋爐的排氣溫度高達609℃,因此為了更有效地利用排氣中的余熱,決定選擇三壓再熱式的余熱鍋爐,三壓再熱余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)和蒸汽循環(huán)的典型布置如圖3所示。高壓缸的排汽與中壓過熱蒸汽混合后進入再熱器加熱,再進入中壓缸作功,然后再與低壓蒸汽一起在低壓缸內膨脹作功。余熱鍋爐中各段換熱量Q與燃氣和汽水溫度t關系如圖4所示,整個換熱區(qū)域分為4個溫區(qū),在確定蒸洗系統(tǒng)主要參數時逐次按這4個溫區(qū)進行計算,各溫區(qū)的熱平衡方程為:溫區(qū)1:G(h1-h2)?=mHΔhH,SH-EVAP+mRΔhR,RH式中,mR=(1-a)mH+mI,a為高壓缸的漏汽系統(tǒng)溫區(qū)2:G(h2-h3)?=mHΔhH,ECON1+mIΔhI,SH-EVAP溫區(qū)3:溫區(qū)4:G(h4-h5)?=(mH+mI+mL)ΔhCOND以上式子中,G為進入余熱鍋爐的燃氣輪機排氣質量流量;h為蒸汽工質的比焓;Δh為蒸汽工質的焓差;?為余熱鍋爐的保溫系數;下標SH表示過熱器,EVAP表示蒸發(fā)器,ECON表示省煤器,COND表示凝水加熱器,H、I、L分別表示高、中、低壓;R表示再熱。計算的主要依據為四個溫區(qū)的熱平衡方程以及水蒸汽和煙氣的熱力性質參數,部分參數由初始設定。燃氣輪機燃用西氣東輸進入上海的天然氣,其低位熱值為48686.3kJ/kg。根據上面的計算步驟和初始條件,經計算可得改造后余熱鍋爐和蒸汽輪機的主要性能參數值,表1、2對改造后余熱鍋爐和汽機的性能參數與改造前機組的參數進行了比較。通過比較發(fā)現,改造后高壓缸和中壓缸的蒸汽流量均比改造前要少,一方面主要是因為改造前燃煤鍋爐所產生的主蒸汽全部通過高壓缸作功,而三壓再熱式余熱鍋爐中的中壓和低壓蒸汽都不通過高壓缸而直接進入中壓缸和低壓缸作功,進入高壓缸作功的只有高壓蒸汽;另一方面,余熱鍋爐的產汽量也較改造前燃煤鍋爐的產汽量低。因此改造后高壓缸的工質流量會少于改造前,中壓缸的工質流量也會小于改造前。改造后低壓缸進汽流量比改造前的大,總作功量也有所增加。這是由于在改造后,主要是利用燃氣輪機排氣來加熱給水,提供蒸汽,抽汽量大大減少,因此改造前被抽去用于加熱給水的蒸汽就能進入低壓缸作功。(3)余熱鍋爐與原電廠的聯(lián)合循環(huán)原電廠經過改造后,一臺PG93511FA燃氣輪機和一臺三壓再熱式余熱鍋爐與原電廠的蒸汽輪機組成不補燃的常規(guī)余熱鍋