摘要：从工程热力学出发，建立了大容量燃气-蒸汽联合循环机组热力学理论模型。以此为基础，提出了运用线性小偏差法与机组运行数据相结合的方法研究联合循环机组特性。并计算各参数变化对机组性能的影响系数，分析了机组性能与热力参数的依变关系，为联合循环机组出力和热效率的提高提供了理论依据。
关键词：燃气轮机；蒸汽轮机；联合循环机组
燃气－蒸汽联合循环发电具有热效率高、三废排放少、占地面积小、水资源消耗少、运行维护方便、适于调峰等优点。近年来，节能环保、低碳发展、PM2.5监测治理等问题受到社会广泛关注，大中城市投产了越来越多的供热联合循环 机组，以缓解环境污染的问题。本文以F级燃气－蒸汽联合循环机组为研究对象，通过运行试验和数学建模等方法得到了联合循环机组在各种运行模式下的供热能力及调峰性能，为电网和热网更好的协调调控提供了数据支撑。
一、联合循环机组的重要性
燃气-蒸汽联合循环发电装置的主要设备由三大主要部分组成，即燃气轮发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机组。其中燃气轮机是联合循环中的关键部件，其性能对联 合循环的热效率十分关键。余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数主要取决于燃气轮机的排气参数，受到燃机排气条件的限制，要使联合循环具有较高的效率，首先要在机组配置上达到最佳。燃气-蒸汽联合循环电站的机组选型工作，首先要确定燃气轮机，在选定燃机的情况下，对蒸汽系统进行合理选择和优化，最大限度利用燃气轮机的排气余热，使蒸汽系统取得较高的效率，从而使整个电站的性能更好。
二、联合循环机组配置分析
1、轴系布置
联合循环装置的轴系布置可分为单轴和多轴联合循环。单轴是指燃气轮机和汽轮机共同拖动一台发电机运行。多轴是指燃气轮机和汽轮机分 别拖动发电机运行。单轴布置机组从工艺系统到厂房布置，都完全独立自成系统，控制简单、运行操作简单。但是部分负荷效率大幅度下降，NOx 排放物大幅增加，适合于带基本负荷。主轴较长，轴系统复杂。多轴配置的联合循环电厂，燃气轮机可快速 启动，调峰能力强。但设备和系统较复杂，全厂的调节控制也较复杂，占地也较多。联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置与占地面积、运行操作以及热力性能有很大影响，是决定电厂结构和机组效率及灵活性的重要因素。根据已建联合循环项目看，当燃气轮机单 机容量在150MW 级及以下，一般考虑燃气轮机 与蒸汽轮机不同轴，即采用多轴布置；燃气轮机容量在200 MW及以上时，可考虑与蒸汽轮机同轴 布置，即单轴联合循环。
2、动力岛布置模式
动力岛布置是指燃气轮机、余热锅炉与蒸汽轮机的组合方式。有“1 +1”、“2 +1”的方案可供选择。“1+1”是指1台燃气轮机、1台余热锅炉、1 台蒸汽轮机组成 联合循环。“2+1”是指2台燃气轮机、2台余热锅炉、1台蒸汽轮机组成联合循环。其中“1+1”方案的主要优点在于其系统相对简单独立，运行控制方便灵活，可靠性高。“2+1”方案的特点在于其全负荷时整体效率要略高于“1+1”机组，在半负荷以下运行时，整体效率不及“1+ 1”。但是由于其多台燃机共用一台 汽轮机，当其中一台燃气轮机出现问题解列或者低负荷运行时，蒸汽轮发电机组经济性较差，同时 余热锅炉需要并汽运行，各燃机之间需要协调参数运行等问题，控制及运行相对复杂。
三、联合循环机组选型分析
1、燃气轮机
在联合循环电站中，蒸汽轮机的出力与燃机出力比例一般为 1/3～1/2，因此，提高燃气轮机效率比同等程度提高蒸汽轮机效率对于整个联合循环效率的提高更加明显。燃气轮机的热力性能是机组选型时的关键因素，在设计联合循环时，应优先考虑满足燃气轮机要求。燃气轮机热效率随比功的增大而增加，而燃机的燃烧温度是决定比功的主要因素。从热力学角度讲，提高联合循环电厂热效率的首要途径是选择透平初温较高的燃气轮机。此外，还应具有对联合循环最佳的压比和较高的排气温度。这样才能做到燃气循环和蒸汽循环效率的最佳配比，使联合循环效率最大。
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2、余热锅炉
余热锅炉是能量交换设备，同时连接着燃气轮机和蒸汽轮机，在系统中起承上启下的作用。其设备选型、参数设定对于整个联合循环的效率会产生重要影响。余热锅炉在设计选型时主要考虑以下几个因素：一是，余热锅炉的效率高；二是，余热锅炉的烟气侧阻力低，以防止燃气轮机的功率和效率下降较多；三是，启动过程中，允许快速升压。
3、蒸汽轮机
联合循环中的蒸汽轮机不同于常规火电厂的蒸汽轮机。燃气轮机是定型产品，具有相对明确的排气参数。而供热量是通过汽轮机抽汽供应的，因此余热锅炉设计参数，炉型结构必须与汽轮机组相匹配，同时还受到汽轮机制造厂设计模块组合的制约。与燃气轮机相比，蒸汽轮机的生产和运行技术在国内要成熟许多，但是联合循环中的蒸汽轮机也具有一定的特殊性，与常规蒸汽轮机相比，主要有以下特点：一是，采用滑压调节方式，无调节级，全周进汽。通常，当蒸汽轮机的负荷由 100% 降低至 45%时，采用滑压运行，如果继续降低功率，为了保证运行安全，则采用定压调节方式；二是，一般不设置给水加热器，且无回热抽气系统。为了提高效率，系统中利用余热锅炉所产生的低压蒸汽进行除氧，使汽水系统和汽轮机结 构简化；三是，当与多压余热锅炉配合工作时，汽轮机为补汽式汽轮机，所以排汽面积增大很多，相应的排汽量也增大很多，排汽量比常规汽轮机大30%左右；四是，为了配合燃气轮机快速启动，蒸汽轮机的启动速度也要有一定要求，在尽量不影响机组效率的前提下，能够实现快速启停。
4、主要附属设备选型
4.1凝汽器
凝汽器应具有足够的容量接受可能产生的最大工况时汽机的排汽、旁路蒸汽、轴封供汽站 疏水、汽机汽缸疏水、轴封冷却器疏水、高低压 蒸汽疏水以及其他各项疏水。凝汽器还能根据汽轮机旁路系统的要求，容纳汽轮机旁路系统 的排汽而又不产生较大的热应力和真空跳闸等现象，同时，联合循环电站一般选用具有除氧功能的凝汽器，通过凝汽器喉部的喷嘴将水喷入凝汽器蒸汽空间，利用汽轮机排汽加热除氧。
4.2给水泵
给水泵的容量应满足余热锅炉最大蒸发量并考虑至少10%的裕量。同时，入口流量还应考虑高压过热器及密封水的泄漏量。
4.3凝结水泵
凝结水流量应为联合循环机组年平均工况旁路开启时的最大凝结水量、经常疏水量、正常补水量之和，并考虑 10%裕量。
4.4脱硝装置
降低NOx 主要是从两方面入手，一是采用低 NOx 燃烧技术，二是对已经生成的 NOx 进行处理后再排入大气。尽管目前的燃气轮机都配有低 NOx 燃烧器，排放标准一般都能达到 50 mg/m3，但是由于燃气-蒸汽联合循环电站一般都建设在市区或距离市区非常近的位置，所以为了缓解环保压力，脱硝装置也成为一些联合循环项目需要考虑的设备。
4.4调压装置
调压站包括过滤器、分离器、计量器等主要设备，应每台机组设置一条调压支路，以便于控制气量。只有当厂外天然气压力小于燃气轮机的进气要求时，才需设置增压站。由于增压站多为进口设备，投资较大，所以在项目前期选择厂址、以及天然气进厂门站时需考虑这一因素。
结束语：综上所述，我国天然气价格相对较高，同时燃气轮机目前主要依靠国外技术，价格也相对较高，为使建成后的联合循环电厂单位投资最省、热效率最高、投产后具有较好的效益，对天然气联合循环发电站机组配置、选型工作全面而系统的研究和优化至关重要。
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论文作者:邢龙,黎锡祥
论文发表刊物:《基层建设》2016年23期
论文发表时间:2016/12/9
标签：燃气轮机论文; 蒸汽论文; 机组论文; 轮机论文; 余热论文; 汽轮机论文; 锅炉论文; 《基层建设》2016年23期论文;