熱電聯(lián)產型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的理論與實踐

熱電聯(lián)產型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的理論與實踐

1燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)眾所周知，具有節(jié)能的優(yōu)點，尤其是與“電網聯(lián)供”式蒸汽蒸汽聯(lián)合循環(huán)的單位的蒸汽能比背壓式蒸汽蒸汽裝置的蒸汽裝置生產更多的能源，即“電費比”指數相對較高。第一個是（100.200，kw/（1.05gjh）。后者通常不超過85g，（1.05gjh），燃料消耗的燃料能量fcp相對較少（即電網聯(lián)供能源生產的效率較高）。此外，隨著制冷設備的成熟，制冷產業(yè)的技術可以實現。因此，對于大多數工業(yè)的供暖需求，包括大型商業(yè)中心和大型生活熱氣生產區(qū)的供暖和供暖需求，我們對發(fā)展熱量或蒸汽的聯(lián)合循環(huán)感興趣。為此,有必要熟悉這類聯(lián)合循環(huán)的特性和熱電聯(lián)產機組的理論基礎以及熱電聯(lián)產設備的組合配置方案。2發(fā)電效率的計算方法熱電聯(lián)產設備和系統(tǒng)的成功與否,關鍵在于其整體性能的好壞以及運行的靈活性和可靠性。為了比較各種熱電聯(lián)產方案性能的優(yōu)劣,應該有一些參數來表徵其特性,它們是:(1)總熱效率ηtp它是熱電聯(lián)產機組輸出的電和熱的總能量與輸入能量的比值,即ηtp=3600Ρe+QΗBQ.p(1)ηtp=3600Pe+QHBQ.p(1)式中Pe—輸出的電功率,kW;B—燃料的消耗量,kg/h;Q.p—燃料的低位發(fā)熱量,kJ/kg;QH—對外輸出的凈熱量,kJ/h;而QH=ΣGHiHHi-ΣGrihri(2)其中GHi—對外輸出的第i種蒸汽或高溫熱水的質量流率,kg/h;HHi—對外輸出的第i種蒸汽或高溫熱水的比焓值,kJ/kg;Gri—返回機組的第i種回水的質量流率,kg/h;hri—返回機組的第i種回水的比焓值,kJ/kg。嚴格地講,在計算ηtp時,并未考慮到電和熱這兩種能量在能質品位上的差異,它是一個只能被用來在“燃料利用程度”方面與純發(fā)電的凝汽式電站進行比較的純數量指標。ηtp值越高正表示同量燃料釋放出的能量中,轉化成為電能和熱能的份額比例越大,即燃料的利用程度越高。(2)電熱比它表示熱電聯(lián)產機組在對外界每小時供應每單位熱能時(通常以1.055GJ/h計),機組對應地發(fā)出的凈功率,其單位為kW/(1.055GJ/h)。顯然,電熱比越高的機組能在供應同量熱能的同時,對外供應更多數量的高品位電能。(3)發(fā)電所增耗的燃料熱能(FCP)通常,熱電聯(lián)產機組優(yōu)越性的比較對象是:把熱電聯(lián)產機組的供電和供熱情況與從公用電力公司購買電,同時在供熱現場建立供熱鍋爐的情況進行比較。這種對比關系如圖1所示。根據圖1的對比關系,人們定義:在兩者凈供熱量(kJ/h)彼此相同的前提下:FCΡ=[燃料耗量(2)-燃料耗量(1)]×Q.pΚW(2)-廠用電功率(2)+廠用電功率(1)?kJ/kWhFCP=[燃料耗量(2)?燃料耗量(1)]×Q.pKW(2)?廠用電功率(2)+廠用電功率(1)?kJ/kWh式中:KW(2)—熱電聯(lián)產機組所發(fā)的電功率(kW),當然,燃料耗量的單位均為kg/h。由此可見,FCP是指熱電聯(lián)產系統(tǒng)比相應的單純供熱系統(tǒng)所多消耗的燃料熱能,除以熱電聯(lián)產系統(tǒng)的凈增電出力(kW)。顯然,FCP值較小是有利的。當然,目前人們還研究如何把熱電聯(lián)產所帶來的好處合理地分配到熱和電這兩種不同品位的能量上去,以便用熱量法、焓降法或火用值法把熱電站的總熱耗量BQ.p合理地分攤為發(fā)電用熱耗量Qtpe和供熱用熱耗量Qtph,進而分別求出熱電聯(lián)產機組的發(fā)電凈效率ηΝtpeNtpe=3600Pe/Qtpe和供熱凈效率ηΝtphNtph=QH/Qtph。這種方法要比籠統(tǒng)地計算熱電聯(lián)產機組的總熱效率ηtp合理。(4)運行方式的靈活性它是指熱電聯(lián)產機組運行時,是否能夠實現電負荷和熱負荷獨立可調,還是必須按“以熱定電”方式運行。前者的運行靈活性好。3部分補燃型余熱鍋爐“熱電聯(lián)產”型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組是由燃氣輪機、余熱鍋爐和汽輪機三大裝置組成的。由于余熱鍋爐和汽輪機型式的不同,它們彼此之間可以組合成為許多配置方案,具有不同的特性,可以滿足不同類型熱電負荷的要求。通常,為了提高熱電聯(lián)產機組的性能,應該盡可能選擇有效循環(huán)效率較高的簡單循環(huán)燃氣輪機作為配置熱電聯(lián)產聯(lián)合循環(huán)的基礎,其功率則應根據電負荷的要求來選擇。當然,在此電負荷條件下所組成的聯(lián)產機組同時應能夠滿足熱負荷的要求。有的時候可能出現這樣的情況,即:當聯(lián)產機組的配置方式選定后,為了滿足熱負荷的要求,機組的總電功率會超過原設計的電負荷的要求,那時,應根據熱負荷的要求來選擇燃氣輪機的功率,所多余的電功率則可以輸向電網。在組成熱電聯(lián)產型的聯(lián)合循環(huán)時,余熱鍋爐有三種設計方案可循,即:①采用非補燃型的余熱鍋爐;②采用部分補燃型的余熱鍋爐;③采用完全補燃型的余熱鍋爐。在這三種余熱鍋爐中產生的蒸汽,可以完全作為供熱蒸汽輸給熱用戶(那時,聯(lián)產機組中不再設置汽輪機),也可以完全輸送給位于其后的蒸汽輪機,在汽輪機中完成部分膨脹作功發(fā)電的同時,以背壓排汽方式或抽汽方式,把蒸汽供向熱用戶。非補燃型余熱鍋爐可以設計成為單壓、雙壓甚至三壓型式的汽水系統(tǒng)(用作熱電聯(lián)產時,多半采用單壓或雙壓型式)。采用雙壓或三壓型式時,有利于提高余熱鍋爐的當量效率,使余熱鍋爐的排氣溫度下降,從而能從燃氣輪機的排氣中多回收一部分熱能,使ηtp增高,而FCP下降。部分補燃型或完全補燃型余熱鍋爐一般都采用單壓型式的汽水系統(tǒng),因為經補燃后進入余熱鍋爐受熱面的燃氣溫度很高,在節(jié)點溫差恒定的情況下,即使采用單壓型式的汽水系統(tǒng),也能把余熱鍋爐的排氣溫度降得足夠低,使燃氣的熱量被充分回收。所謂部分補燃型余熱鍋爐是指在余熱鍋爐的入口處,向由燃氣輪機送來的高溫燃氣噴入少量燃料,使進入余熱鍋爐受熱面的燃氣溫度被提高到700～1000℃。在這種溫度水平下,余熱鍋爐中無需設置輻射受熱面,像非補型余熱鍋爐那樣,只需采用對流受熱面結構設計即可。部分補燃型余熱鍋爐的蒸汽產量將比非補燃型余熱鍋爐者多一倍左右。所謂完全補燃型余熱鍋爐是指向余熱鍋爐內噴入大量燃料量,在余氣系數α=1.10的條件下,把從燃氣輪機送來的高溫燃氣中的剩余O2氣幾乎完全燒完。那時,余熱鍋爐中需要敷設輻射受熱面。它的蒸汽產量可以達到非補燃型余熱鍋爐者6～7倍。應該注意:隨著高溫高效燃氣輪機的使用,排向余熱鍋爐的燃氣中所含的氧氣量將越來越少,這將增大余熱鍋爐補燃火焰起燃的困難。圖2中給出了根據試驗測得的:在燃氣透平的排氣中補燃燃料得以穩(wěn)定起燃時,排氣中所含的O2氣容積成分νo2與透平溫度t4的對應關系。由圖2可知:在燃氣透平的排氣中要想補燃燃料,必須保證一定的溫度t4和含O2濃度νO2的起燃條件,否則燃燒火焰無法穩(wěn)定地建立。例如:倘若燃氣透平的排氣中含有12%的O2氣容積成分,只有當排氣的溫度t4高于600℃時,補燃過程才能實現。顯然,排氣中的含O2濃度越高時,能保證火焰穩(wěn)定起燃的排氣溫度t4就越低。因而,在使用高溫高效燃氣輪機作為聯(lián)合循環(huán)的基礎時,必須要余熱鍋爐制造廠家確認余熱鍋爐點火和保持火焰穩(wěn)定燃燒的可靠性。此外,還需注意,在采用不同的余熱鍋爐方案時,由余熱鍋爐進口到煙囪排出口之間的流阻損失值是有所差異的,它對于燃氣輪機的發(fā)電功率略有影響,必須作修正?？晒﹨⒖嫉臄祿?單壓非補燃型余熱鍋爐為254mm-H2O;雙壓非補燃型余熱鍋爐為305mm-H2O;單壓部分補燃型余熱鍋爐(補燃后的燃氣溫度達871℃)為356mm-H2O;單壓完全補燃型余熱鍋爐為508mm-H2O。在組成熱電聯(lián)產型的聯(lián)合循環(huán)時,可以選用的汽輪機類型有:①背壓式汽輪機(也可并行地供高壓主蒸汽),其高壓主蒸汽和排汽均可直接用作工業(yè)工藝流程的蒸汽,排汽壓力一般為pb=0.4～1.4MPa(絕對);也可直接作為住房采暖系統(tǒng)用蒸汽,其壓力為pb=0.15～0.35MPa(絕對)。這種汽輪機的結構簡單、操作方便、運行可靠,但發(fā)電量完全取決于供熱量的大小,即聯(lián)合循環(huán)機組必須按“以熱定電”方式運行。顯然,這種機組不適宜于在熱負荷波動很大的情況下選用,否則機組無法經濟運行,甚至在低負荷工況下無法正常運行;②抽汽背壓式汽輪機。這種機組可以向熱用戶提供多種參數的熱負荷。為了能夠同時滿足多種熱用戶的蒸汽量需求,必須安裝一套特殊的調節(jié)系統(tǒng),它由一個離心調速器和多個壓力調節(jié)器組成。它們可以根據汽輪機的轉速和多種壓力參數的變化來進行綜合調節(jié)。但這種汽輪機也是按“以熱定電”方式運行的,也希望負荷比較穩(wěn)定;③可調節(jié)的抽汽供熱的凝汽式汽輪機。它是一種從汽輪機中抽取一級或兩級不同參數的、已經部分做過功的蒸汽供熱用戶使用的凝汽式機組。通過對主蒸汽量以及抽汽級導汽到低壓透平級中去的排汽流量的分別控制,可以協(xié)調電負荷和熱負荷的變化,使機組能較大幅度地同時滿足熱、電兩種負荷變化的需要,即該機組可以實現電負荷和熱負荷獨立可調的運行方式;④純凝汽式汽輪機。它可以在以下兩種情況下實現熱電聯(lián)產的要求,即:(a)從余熱鍋爐輸來的主蒸汽一部分直接作為工業(yè)工藝流程的用汽輸給熱用戶,另一部分送往凝汽式汽輪機做功發(fā)電。這種配置方案也能實現電負荷和熱負荷獨立可調的運行方試;(b)凝汽式汽輪機在惡化真空度的條件下運行,把凝汽器當作熱網水的加熱器來使用。那時,凝汽器的壓力應升高到50～60kPa(相應的飽和溫度為81.2～85.9℃)。熱網的供熱水溫大的被控制在70～75℃范圍之內。這種機組也能滿足熱電聯(lián)供的要求,但必須按“以熱定電”方式運行。但由于熱網供水溫度比較低,故供熱距離不能很遠,一般限定在1～2公里范圍之內。綜上所述,熱電聯(lián)產型燃氣-蒸汽聯(lián)合的組合方案可概括如表1所示。當然,還可以有其他熱電聯(lián)產型的組合方案。此外,程氏循環(huán)方式的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)也該屬于“熱電聯(lián)產”型聯(lián)合循環(huán)之例,在此不予討論。4熱電聯(lián)產型聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電成本在文獻和中,GE公司提出了燃氣輪機熱電聯(lián)產系統(tǒng)的特性圖,如圖3所示。用該圖可以來綜合描述:以該燃氣輪機為基礎,配置不同型式的余熱鍋爐和蒸汽輪機而組成各種方案的聯(lián)合循環(huán)時,它們的發(fā)電能力和供熱能力的變化關系。通過對圖中所示的各特征點的討論,來揭示該特性圖的物理意義,以及在各種組合方案情況下,熱電聯(lián)產機組的發(fā)電凈功率、供熱能量和總熱效率ηtp的變化趨勢。這些特性均表述于表2中。顯然,在ACDHGBA區(qū)域內發(fā)電和供熱需要用部分補燃式余熱鍋爐加背壓式汽輪機加平行供主蒸汽的方案,或者用部分補燃式余熱鍋爐加抽汽背壓式汽輪機來完成。在CDHIFEC區(qū)域內發(fā)電和供熱則需要用部分補燃式余熱鍋爐加可調節(jié)的抽汽供熱的凝汽式汽輪機來完成。由此可見,圖3非常清楚地把熱電聯(lián)產型聯(lián)合循環(huán)(包括簡單循環(huán)和純發(fā)電的聯(lián)合循環(huán))的發(fā)電能力和供電能力,以及為實現這些能力必需配置的余熱鍋爐型式和汽輪機型式的組合方案綜合地概括了。但是由于結構復雜,成本很高,目前很少采用完全補燃型的余熱鍋爐,通常只使用部分補燃型余熱鍋爐,其補燃后的燃氣溫度一般控制在700～1000℃之間。因而,在熱電聯(lián)產型的聯(lián)合循環(huán)中,令人感興趣的是圖3中陰影區(qū)的非補燃和部分補燃余熱鍋爐配置的組合方案,甚至只是ECABDC這個區(qū)域。GE公司把50Hz的燃氣輪機熱電聯(lián)產系統(tǒng)的特性圖綜合在一起,如圖4所示,以便于根據擬設計的聯(lián)合循環(huán)的電負荷和熱負荷,來合理地選擇燃氣輪機型號以及與之匹配的余熱鍋爐的型式和汽輪機的型式。據GE公司計算得知:上述A、B、C、D、E、F諸方案的發(fā)電成本的比較關系如圖5所示。由圖可知熱電聯(lián)產聯(lián)合循環(huán)(C、A、D、B)的發(fā)電成本要比純發(fā)電不供熱的常規(guī)聯(lián)合循環(huán)者低廉,特別是部分補燃或非補燃式的余熱鍋爐,不設置汽輪機而直接對外供給低壓蒸汽的方案比較經濟(發(fā)電成本可降低20%～30%),而且貼現回報率也較高。5汽的凝結和冷水機床為了使讀者對“熱電聯(lián)產”型聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)具有形象概念,圖6中給出了一個為地區(qū)供給工業(yè)用汽和熱水的熱電聯(lián)產型聯(lián)合循環(huán)熱電站的系統(tǒng)圖。該電站采用3臺燃氣輪機,其后各自配備一臺有兩級補燃設備的余熱鍋爐。由3臺余熱鍋爐產生的8.0MPa/500℃主蒸汽匯集在一起,供給一臺功率為70MW的背壓式汽輪機使用。在余熱鍋爐的低溫段則產生溫度恒定為150℃的熱水,供恒定熱網系統(tǒng)使用。工業(yè)用汽則是從背壓式汽輪機的前兩級抽汽經減壓設備后供給的。當然也可以用余熱鍋爐產生的主蒸汽作為備用汽源,它的參數是1.5MPa/210～240℃。工業(yè)用汽的凝結給水回到電站內的啟動用凝結水箱9中去,參與電站的汽水循環(huán)過程。電站中還設有溫度可以在100～130℃范圍內變化的熱水網。該熱水網的水溫是通過背壓蒸汽、汽輪機的第3級抽汽以及余熱鍋爐的主蒸汽旁路,在3個地區(qū)供熱預熱器14中加熱和調節(jié)的。由于采用了有補燃設備的余熱鍋爐,因而熱和電都可以獨立調節(jié),運行的機動性很高。在余熱鍋爐中第1級補燃設備放置在過熱器之前,它能把燃氣溫度從526℃增高到600℃。其設計熱容量為25MJ/s,但是最大可以達到43MJ/s,這樣可以保證在3臺余熱鍋爐中,即使有一臺因故障