第2章联合循环的概念和典型方案.ppt

1,燃气蒸汽联合循环 西安交通大学 能动学院叶轮机械研究所,2,内容提要 第1章 中国的能源状况与电力工业的发展方向 第2章 联合循环的概念和典型方案 第3章 燃气蒸汽联合性能分析 第4章 余热锅炉型联合循环的变工况 第5章 联合循环中使用的蒸汽轮机 第6章 余热锅炉与联合循环的汽水系统 第7章 整体煤气化联合循环 第8章 增压流化床联合循环,3,第2章 联合循环的概念和 典型方案,4,基本内容： 2.1 联合循环基本原理 2.2 常规燃气-蒸汽联合循环 2.3 注蒸汽循环（程式循环） 2.4 湿空气透平循环（HAT 循环） 2.5 其它联合循环,5,2.1 联合循环基本原理,F ——燃料能量 W ——电站产生功 QA —— 电站向冷源放出热量 （第一、第二章用以上符号）,2.1.1 研究电站热力学的目的,效率是经济性研究的最主要内容,,6,2.1.2 卡诺循环,循环？ 同一质量的同一工质从一个点经过一个循环回到原来的状态（闭循环） 正循环？逆循环？ 热能到机械能的转换称为正循环 卡诺循环？ 等熵压缩、高温热源温度恒定条件下等温吸热、等熵膨胀、低温热源温度恒定条件下等温放热 等熵？ 既无与外界热交换，本身也没有损失 换热过程有无温差影响？ 有温差传热过程必定带来损失,7,2.1.2 卡诺循环（续）,8,2.1.2 卡诺循环（续）,9,2.1.3 闭式循环电站,蒸汽轮机电站及朗肯循环T-S图,10,蒸汽轮机3条工质回路 1、烟气回路（非热力循环） 开循环 2、水、水蒸汽回路（热力循环） 3、冷却水循环，开循环 3个回路之间关系 回路1是回路2的高温热源，回路3是回路2 的低温热源,2.1.3 闭式循环电站（续）,11,两个热源？ 热力学第二定律：只有1个热源不可能连续产生机械功——开尔文1851，不可能从单一热源取热，并使之完全变成有用功而不引起其他变化 3个回路特点？ 只有热量交换，没有质量交换 特例：锅炉爆管，冷凝器漏管,2.1.3 闭式循环电站（续）,12,2.1.3 闭式循环电站（续）,13,2.1.3 闭式循环电站（续）,蒸汽轮机回热器,14,蒸汽轮机的朗肯循环：机组效率25~46% 蒸汽轮机循环技术成熟，单机功率大，效率较高； 存在燃煤的污染问题，如果加装尾气脱硫装置( FGD )，则成本较高； 蒸汽轮机蒸汽初参数不高，是限制其循环效率的主要 因素，提高蒸汽初参数是提高效率的有效手段 。

— 超临界、超超临界机组,2.1.3 闭式循环电站（续）,15,2.1.4 开式循环电站,燃汽轮机电站及Brayton循环T-S图,16,2.1.4 开式循环电站（续）,17,Siemens V64.3A_67MW_50Hz,2.1.4 开式循环电站（续）,18,附：燃机命名规则,19,附：燃机命名规则,20,附：环形燃烧室,21,2.1.4 开式循环电站（续）,22,2.1.4 开式循环电站（续）,23,燃气轮机是否为热力循环？ 工质？ 空气－－燃气 质量？ 透平中相比压气机中增加了燃料量 压缩﹑吸热﹑膨胀、放热四个热力过程没有构成一个封闭的回路，T-S图上的1点不闭合的——————开式循环（Brayton Cycle）,2.1.4 开式循环电站（续）,24,2.1.4 开式循环电站（续）,把开式循环燃气轮机电站作为闭式循环电站处理的等效图,开循环等效为循环本质差别，忽略空气和燃气的物性差别，忽略空气和燃气的质量差别（V94.3A空气流量645kg/s，燃气659kg/s)，主要用于定性分析 定量分析时不应当使用上述替换方法25,2.1.4 开式循环电站（续）,26,回热器,2.1.4 开式循环电站（续）,27,2.1.4 开式循环电站（续）,回热器,28,Brayton循环效率：20%-38% 燃气轮机具有快速“黑启动”的特性； 燃气轮机的排放很低； 燃气轮机的比投资费用较低； 燃气轮机单机功率较小，而且必须燃烧天然气或油； 燃气轮机初参数很高，但排气温度也很高； 排气温度是限制其效率的主要因素。

2.1.4 开式循环电站（续）,29,2.1.5 燃气-蒸汽联合循环,朗肯循环、Brayton循环、联合循环与卡诺循环的关系示意图,,前温利用技术,30,磁流体发电,31,2.1.5 燃气-蒸汽联合循环,32,燃气轮机排气温度高达400~600°C； 燃气工质流量大，300kg/s以上； 利用排气余热加热蒸汽轮机系统的给水，产生高温、高压的水蒸汽，送到蒸汽透平做功 燃气轮机排气余热得到利用，从而使循环效率得到提高（ 效率55% —60% ）——联合循环本质！,2.1.5 燃气-蒸汽联合循环（续）,33,循环中几个关键温度和效率 卡诺循环：最高温度 1650 ℃、最低温度取25 ℃时效率 84.5% 朗肯循环 超临界机组，温度566 ℃ ，压力25MPa，效率38～41.9％， 超超临界(26.25MPa/600℃/600℃)，设计效率43.8% 损失来源：汽化潜热，向冷源放热 锅炉中大的传热温差,2.1.5 燃气-蒸汽联合循环（续）,34,2.1.5 燃气-蒸汽联合循环（续）,布雷顿循环：F级机组，T3 1327度，效率37～38.7% 损失来源：吸热过程大的传热温差 放热过程温差大，有 火用 损失 燃气蒸汽联合循环（采用F级燃机）：效率54.8~57.2%。

35,2.2 常规燃气-蒸汽联合循环,不补燃的余热锅炉型 有补燃的余热锅炉型 增压锅炉型,36,PST=(1/2)PGT,,,2.2.1 不补燃余热锅炉型,37,2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),1）新蒸汽温度低于燃气轮机排气温度，新蒸汽压力也受到限制，因此下位循环效率较低； 2）汽轮机功率比较小，受限于燃气流量和参数，燃机负荷波动时，汽轮机将随之变化； 3）燃气可分两路，一路进入余热锅炉，一路直接排入烟囱，便于燃机单独运行或汽机负荷调节 4）燃料热能的流通路径：串行,38,2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),余热锅炉温差与吸热量之间的关系,1）节点温差：6-c 2）接近点温差：c-c* 3）进口温差：4-e 4）出口温差：s-b,比热容： 氢气：14.30kJ/(kg·K) 氦气：5.193kJ/(kg·K) 液氨：4.609kJ/(kg·K) 水：4.184kJ/(kg·K) 锂： 3.60kJ/(kg·K),39,多压余热锅炉,40,2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),说明： 1、表中多数是指15℃，0.1013MPa标准大气条件下，燃用轻油的“单 压汽水发生系统”的情况 2、括号中的数据则是指烧天然气时的“双压汽水发生系统” 的情况,原BBC公司提供的不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环电站的技术数据,41,Black Point电站中不补燃余热锅炉型联合循环的热力系统,1-除氧器 2-高压给水泵 3-除氧器储水箱 4-低压给水泵 5-低压锅筒 6-低压省煤器 7-低压蒸发器 8-低压蒸发器的循环泵 9-高压省煤器10-低压过热器 11-高压锅筒12-高压蒸发器循环泵13-高压蒸发器14-高压第一级过热器 15-减温器 16-高压第二级过热器17-燃气轮机 18-高压蒸汽透平19-低压蒸汽透平20-低压蒸汽旁通阀21-高压蒸汽旁通阀 22-由凝结水处理厂来 23-会凝结水处理厂 24-主冷却水(海水) 25-凝结水泵 26-凝汽器,2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),,,,42,联合循环台数 8台（109FA型） 每台联合循环的净功率： 312MW 供电效率： 52.9% 燃气轮机： 制造厂家：欧洲四台，GE四台 型号：PG93 FA 燃气初温 1288℃ 排气温度：613.l℃ 蒸汽轮机： 制造厂家：GEC Alsthom 型式：单流高压/单流低压 高压蒸汽进口压力：10.3MPa 高压蒸汽温度：534℃ 低压蒸汽进口压力：0.48MPa 低压蒸汽温度：286℃ 余热锅炉(HRSG): 制造厂家：Babcock Energy Ltd 型式 ：双压、强制循环 发电机： 制造厂家：GE公司 型式：氢冷,2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),43,不补燃的余热锅炉型燃气蒸汽联合循环的主要优点 1）热功转换效率高,当燃气初温提高到1200~1300°C后，效率很容易达到50%以上； 2）基本投资费用低，结构简单，锅炉厂房都很小； 3）运行可靠性高，可用率达90%~98%； 4）启动快: 18~20min便能发出2/3的功率，80min发出全部功率。

2.2.1 不补燃余热锅炉型(续),44,不补气补燃 补气补燃,2.2.2 补燃余热锅炉型,45,2.2.2 补燃余热锅炉型（续）,1）在余热锅炉中补充燃烧一定数量的燃料增大余热锅炉中产生的蒸汽量； 2）补气式：蒸汽流量和参数不再受限于燃气轮机参数， 一般PST=(2~6)PGT； 3）可以实现燃气轮机和蒸汽轮机分别单独运行； 4）燃料热能的流通路径：串-并行46,Gersteinwerk 电站有补燃的联合循环的热力系统 1-压气机 2-燃烧室 3-燃气透平 4-加压风机 5-强迫鼓风机 6-余热锅炉 7-高压给水加热器 8-高压排气换热器 9-给水泵 10-除氧器 11-低压给水加热器12-低压排气换热器 13-蒸汽透平14-凝汽器 15-凝结水泵 16-凝结水箱 17-凝结水净化器,,,,2.2.2 补燃余热锅炉型（续）,47,燃气轮机： 燃气初温 800℃ 排气温度 395℃ 净功率 55.6MW 蒸汽轮机： 主蒸汽参数 18MPa/530℃ 蒸汽量 1029 t/h 再热后蒸汽参数 4.6MPa/530℃ 背压 7kPa 补燃用燃料耗量 19.8kg/s 整个装置的净输出功率为418.5MW，供电效率为42%,2.2.2 补燃余热锅炉型（续）,48,有补燃的联合循环的供电效率随负荷而变化的关系曲线,49,2.2.2 补燃余热锅炉型（续）,补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环的主要优点,1）装置的尺寸小、占地少、投资低； 2）运行机动性好 ； 3）部分负荷工况下装置的热效率比较高 ； 4）在余热锅炉中可以烧煤或其他劣质燃料； 5）蒸汽参数不受燃气轮机排气温度的限制，可以采用效率较 高的蒸汽轮机低循环与之匹配，机组的总功率较大 。

50,,燃烧室与增压锅炉合二为一,2.2.3 增压锅炉型,1）炉内压力高，换热增强，锅炉体积小； 2）炉体选用昂贵的金属材料，成本很高； 3）新蒸汽温度大大提高，下位电站效率高； 4）机动灵活性差； 5）只能用气体或液体燃料； 6）排气换热器庞大； 7）燃料热能的流通路径：串-并行2.2.3 增压锅炉型（续）,串行-并行总结,1）燃料能量的串行使用是电站中严格意义上的联合循环成分，而并行不是； 2）由于系统构成以及一些关键技术尚未成熟，在联合循环电站中往往包含非联合循环成分，而非联合循环成分是使联合循环效率下降的因素；,3）纯并行电站不是联合循环； 4）串行和串-并行是燃气-蒸汽联合循环电站的两种主要形式53,增压锅炉型燃气-蒸汽联合循环方案的热力系统,1-压气机 2-增压锅炉 3-燃气透平 4-高压蒸汽透平 5-低压蒸汽透平 6-发电机 7-凝汽器 8-凝结水泵 9-低压给水加热器10-中压给水加热器 11-除氧器12-给水泵13-高压给水加热器 14-再热器（置于增压锅炉内）15-排气换热器,,,,,,,,54,当燃气轮机的初温提高到1300℃后，增压锅炉型联合循环的供电效率有望超过50％。

理论研究表明： 当燃气轮机初温低于1250℃时，增压锅炉型联合循环的热效率总是大于不补燃的余热锅炉型联合循环的效率可是由于增压锅炉很昂贵，目前很少应用，因而即使t31250℃时，人们仍愿选用不补燃的余热锅炉型方案2.2.3 增压锅炉型（续）,常规燃气－蒸汽联。