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燃气-蒸汽联合循环装置

[拼音]:ranqi zhengqi lianhe xunhuan zhuangzhi

[外文]:gas and steam combined cycle installation

把燃气轮机和蒸汽动力装置联合成为一个整体的装置。根据热力学第二定律,对任何一种热力发动机,循环工作介质的加热温度越高、放热温度越低,热效率就越高。20世纪70年代末,燃气轮机中的燃气初温已过1200℃,加热温度是很高的,但它的放热温度也高,约为450~550℃,不少热量随排气进入大气,故热效率最高只达38%。现代的大型蒸汽动力装置因受结构和材料的限制,新蒸汽温度一般不超过 600℃,但它的放热温度也较低,热效率最高只达38~39%。燃气-蒸汽联合循环装置(简称联合循环装置)能把两者的优点结合起来。它的循环既具有燃气轮机的加热高温,又具有蒸汽动力装置的放热低温,从而有较高的热效率。

联合循环装置的设想在燃气轮机发展早期就已经提出,大约在60年代初便有了较成熟的、利用排气余热的联合循环装置。此后以石油和天然气为燃料的联合循环装置得到了广泛的应用。以煤为燃料的“整体”联合循环发电装置正在兴起,许多国家都很重视燃煤联合循环装置的研究工作。联合循环装置的排气余热利用、煤气化和沸腾燃烧等几种主要形式。

排气余热利用型联合循环装置

这是最简单而且已成熟的方案(图1)。燃气轮机的约为 500℃的排气被引向余热锅炉,后者产生的蒸汽进入汽轮机,总的输出功率约是原燃气轮机的1.3~1.5倍。70年代末,这类装置的热效率已达 42~46%。随着燃气初温的提高,热效率可望达到50%以上。此外,它的运行机动性好、耗水少、基本投资低和占地面积小。排气余热利用型除图中的无补燃的以外,还有一类是带补燃的。它们的区别在于:锅炉中除引入燃气轮机的排气外,还加入燃料燃烧,以提高进入汽轮机的蒸汽参数和增大流量,使汽轮机的输出功率增加。在补燃时可采用价格较低的燃料。这类装置还可用来改造已有的蒸汽动力发电站,以提高其热效率。

煤气化的燃煤联合循环装置

这种装置以煤为燃料,煤先在高压(2~3兆帕)的气化装置中气化为粗煤气,气化用的压缩空气引自压气机(即压缩机),气化用的蒸汽从汽轮机抽汽而来(图2)。粗煤气经净化后先至煤气膨胀透平作功,再作为燃气轮机的燃料进入燃烧室,其余部分原则上与图1的方案相同。这种装置能减少对环境的污染,随着燃气初温的提高,它在热效率方面的潜力也较大。主要问题是煤的气化和煤的净化还有待于解决,如气化效率、除尘和长期运行可靠性等。这种装置还处于中间工业试验阶段,热效率一般还低于常规蒸汽动力发电站。一些国家正研究用核能来提供煤的气化所需的热量和蒸汽。

沸腾燃烧的燃煤联合循环装置

这种联合循环装置分为用加压沸腾炉的和用常压沸腾炉的两类。

(1)用加压沸腾炉:从压气机出来的压缩空气通向加压沸腾炉,燃烧后排出温度为850~900℃的烟气进入燃气透平。加压沸腾炉中所产生的蒸汽引向汽轮机(图3)。在这种装置中燃烧是在高压下进行的,故结构紧凑,便于向大容量发展。对劣质燃料的应用和减少环境污染都有较好的效果。对70年代末,已有数兆瓦级的中间试验装置并正常运行千余小时。但是,这种装置的热效率受到沸腾床温的限制(低于900℃),最高只能达 40%。同时,还有一些技术问题,如高温除尘、大型加压沸腾炉和高温耐磨蚀的燃气透平等尚有待解决。

(2)用常压沸腾炉:为了避开用加压沸腾炉联合循环装置的一些技术困难,70年代中期以来一些国家建造常压沸腾燃烧的燃煤联合循环装置(图4)。从压气机出来的压缩空气,在埋于沸腾床中的管道内被加热到700~800℃,然后再向燃烧室中喷入附加燃料把温度进一步提高,高温、高压空气引向燃气透平。燃气轮机的排气分别通入沸腾床和常规煤粉锅炉。由于进入燃气透平的基本上是干净的空气,技术上难度较小,易于实现商业运行,但其热效率潜力不大。

参考书目
  1. 陈大燮著:《动力循环分析》,上海科学技术出版社,上海,1981。

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