天然气联合循环发电技术PPT课件

1、.,第五章、天然气的能源利用,2020/11/20,1,天然气产业链下游：分配应用,天然气的应用有两种方向：属于能源种类的气体燃料和作为化工基本原料。 天然气的能源利用： 热电联产和联合循环发电 城市燃气 分布式能源天然气最高效率的利用途径 天然气作为交通能源,.,第一节、热电联产和联合循环发电,2020/11/20,3,前言：天然气在发电业中的利用,世界用天然气生产电力的概况 1、电力生产、消费和燃料构成 电力是人类社会消费能源的高级形式，全世界生产的一次能源中约1/3用于电力生产。 2、天然气在电力生产中的消费量及比例 未来，天然气增长的消费量中，有50以上将消费在电力市场。,2020/1

2、1/20,4,第一节、热电联产和联合循环发电,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,2020/11/20,5,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,传统的发电和供热方式是分别实施，电、热分开生产。 发电：天然气燃烧产生的高温烟气的热能(高品位的能量)用传统的蒸汽轮机无法直接利用，只能通过发生温度在500左右的高压蒸汽来推动蒸汽轮机做功，产生电力。 供热：工厂中需要的中、低温热能由另外设置的锅炉发生的蒸汽取得 缺点：天然气燃烧产生的高品位优质热能被降级使用，造成能量大材小用。利用天然气热、电分开生产方式燃料利用率较低，浪费能源。同时，这样安排使用燃料也加重了环境负荷，增加了C02等大气污

3、染物的排量。,1.1、 原理,2020/11/20,6,热电联产系统效率,热电联产系统CO2排放量,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,2020/11/20,7,“总能系统”：为了节约能源，提高天然气等能源的利用率，依据工程热力学理论，借助系统工程的方法，综合研究整个工厂中能量传递、转化；利用和回收的全过程，按能量的品位高低，安排用于发电(或做动力)和供热，不同温度的热能按应用要求进行合理分配，做到热电结合，实现不同品位的能量梯级利用，达到最大限度地提高能源利用率。,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,1.2、意义,2020/11/20,8,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义

4、,2020/11/20,9,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,“总能系统”具体应用有多种形式，如热电联产、燃气蒸汽联合循环发电、先热利用、注蒸汽燃气轮机和湿空气燃气轮机等，但基本形式仍是热电联产和联合循环发电。,2020/11/20,10,1、热电联产和联合循环发电系统原理和意义,热电联产：是指从一个能源顺序取得电和热两种以上的有效能量供实际利用的技术。 燃气蒸汽联合循环发电：是指一个能源经燃气轮机输出动力发电后，排出的较高温度烟气在排气余热锅炉中发生蒸汽，再以此蒸汽送入蒸汽轮机发电。,1.3、 概念,2020/11/20,11,2、热电联产系统,天然气在热电联产中的利用有三种型式：蒸

5、汽轮机型、燃料电池型和燃气轮机型。,2020/11/20,12,2、热电联产系统,2.1、蒸汽轮机型 以锅炉产生的高温、高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功，输出动力发电，做功后的背压蒸汽供热；或者由蒸汽轮机中间抽出部分高压蒸汽供热。 *该形式未利用燃料燃烧高温烟气。,2020/11/20,13,2020/11/20,14,2.1、蒸汽轮机型,2.1.1 、几种汽轮机形式,2020/11/20,15,2.1、蒸汽轮机型,2020/11/20,16,2.1、蒸汽轮机型,2020/11/20,17,2.1、蒸汽轮机型,2020/11/20,18,2.1、蒸汽轮机型,2.1.2、理想蒸汽轮机循环 蒸汽轮机循

6、环是以水和水蒸气为工质的热机，在理想状况下，由给水泵、锅炉、汽轮机和凝汽器四个主要设备组成的理想蒸汽循环（也称朗肯循环）的热力系统。 工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质，如空气,2020/11/20,19,理想蒸汽轮机循环热力系统,2.1、蒸汽轮机型,2020/11/20,20,理想蒸汽轮机循环热力系统,2.1、蒸汽轮机型,2020/11/20,21,2、热电联产系统,2.2、燃料电池型： 由一种燃料经电化学反应产生电能和热能供实际利用。 2.3、燃气轮机型： 是燃料燃烧后的高温气体作工质，直接在燃机内膨胀做功，输出动力发电。做功后甚高温度的烟气在排气锅炉中回收热能或直接利用高温烟气热能

7、。,2020/11/20,22,2.3、燃气轮机型,燃气轮机循环 把燃料燃烧时释放出来的热量转变为有用功的动力机械。由压气机、燃烧室、燃气透平等部件组成。,2020/11/20,23,现在所用的燃气轮机都是等压燃烧加热的开式循环燃气轮机。 工质来自大气，又排至大气,2020/11/20,24,2.3、燃气轮机循环,2.3.1、理想简单循环,简单循环是指由压气机、燃烧室、燃气透平三个基本部件组成的按照图中的方式构成的燃气轮机循环，这种热力循环也称布雷顿循环。,2020/11/20,25,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,理想循环是指燃气轮机中的工质是理想气体，气体的热力性质和流量不变，以及循环过

8、程无损耗。,2020/11/20,26,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.1、燃气轮机循环的性能 燃气轮机循环的性能主要取决于压缩比和温度比两个热力参数。,2020/11/20,27,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.1、燃气轮机循环的性能 压缩比： 压气机出口与进口压力之比 膨胀机入口与出口压力比 温比： 透平进口处与 压气机进口处的 温度之比,2020/11/20,28,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.2、燃气轮机循环性能指标 燃气轮机循环的性能的主要指标是比功、循环热效率和有用功系数。,2020/11/20,29,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2

9、.3.1.2、燃气轮机循环性能指标 比功：工质经过工作循环，单位质量工质（空气）对外界所做的工，燃气轮机向外界输出的净功。比功的大小反映了工质对外做功能力的大小。(忽略燃气与空气在流量上的差异) WT 透平的比功，J/kg , Wc压气机的比功，J/kg,2020/11/20,30,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,燃气轮机的循环比功大，说明在做功量相同时，工质的流量小，机组的尺寸就可能较小；或者在同样的工质流量和装置尺寸下，燃气轮机的功率大。,2020/11/20,31,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,燃气轮机循环热效率：工质经过工作循环时，把加入到循环中的热量转变为输出功的百分数，即输入

10、的热量中转化为输出功的部分所占的百分数。 f燃料的质量流量与空气的质量流量之比 Hu燃料的热值， J/kg qB单位质量空气在燃烧室中吸收的热量, J/kg,2020/11/20,32,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.2、燃气轮机循环性能指标 有用功效率：是循环中膨胀功在扣除压缩功后转变为输出功的份额，也等于循环比功与膨胀功的比值。,2020/11/20,33,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.3、 理想简单循环的特性： 1、工质为理想气体，其定压比热Cp和等熵过程指数k不随气体的温度和压力变化； 2、压气机中的压缩过程和透平中的膨胀过程均为等熵过程； 3、循环过程无

11、损耗（压力、燃料不完全燃烧、散热损失）。,2020/11/20,34,2.3.1.4、理想简单循环四个工作过程,等熵压缩 k为绝热过程方程式的指数 等压加热 等熵膨胀 等压放热,2020/11/20,35,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2020/11/20,36,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,2.3.1.5、比功与压比和温比的关系： k为绝热过程方程式的指数,2020/11/20,37,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,比功WT的大小同时取决于压比和温比。 1、压比一定时，温比越高，比功WT越大， 2、温比一定时，改变压比 ，可使比功WT取得最大值，压比存在着最佳值。,2020/11/

12、20,38,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,温比不变时比功WT随着压比的变化有一最大值，称为最佳压比,2020/11/20,39,2.3.1、燃气轮机理想简单循环,效率与压比和温比的关系： 燃气轮机的热效率 仅与压比有关，压比越大，效率 越高,2020/11/20,40,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环,实际的燃气轮机循环与理想循环存在着差别，如实际的压缩和膨胀过程均为有损耗、不可逆的绝热过程，而不是等熵过程。使得实际压缩功大于等熵压缩功，实际膨胀功小于等熵膨胀功，即压气机效率和透平效率都小于1；燃烧室中燃烧不完全损失，工质流动的压力损失、流量差别，传动的机械损失，工质热力性质

13、的不同等。,2020/11/20,41,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环 1、压气机和透平效率的影响 一般在0.800.92 之间 一般在0.870.94 之间,2020/11/20,42,2.3.2、实际简单循环,1、压气机和透平效率的影响 压气机的实际压缩功为： 一般在0.800.92 之间,2020/11/20,43,2.3.2、实际简单循环,1、压气机和透平效率的影响 透平的实际膨胀功为： 一般在0.870.94 之间,2020/11/20,44,2.3.2、实际简单循环,1、压气机和透平效率对实际简单循环热效率的影响 由于c 和T 对循环效率的影响，we小于理想循环的w

14、n , e小于理想循环的效率t,2020/11/20,45,2.3.2、实际简单循环,一、实际简单循环,压气机和透平效率对实际简单循环比功的影响,2020/11/20,46,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环,2、燃烧室效率的影响 燃料不完全燃烧损失和燃烧室的散热损失均导致空气吸收的热量小于所加入燃料的理论燃烧热量。 一般在0.960.99之间,2020/11/20,47,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环,3、压力损失的影响 对于简单循环，存在的压力损失有进气压力损失P*1 ，燃烧室压力损失P*2，排气压力损失P*4,2020/11/20,48,2.3、燃气轮机循环,

15、2.3.2、实际简单循环,3、压力损失的影响 用压力损失系数和压力保持系数来描述压力损失。 由于压力损失使T,透平出功减少，导致循环的比功和效率下降。,2020/11/20,49,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环,3、压力损失的影响 一般，压力损失系数 1 ：0.010.015 2 : 0.030.06 3 : 0.0250.07 压力保持系数约为0.920.96 导致较大的比功和效率下降,2020/11/20,50,2.3、燃气轮机循环,2.3.2、实际简单循环,4、工质流量差别的影响 压气机与透平之间的工质流量由于漏气、抽气冷却。喷入燃料等原因造成工质流量差别 G：空气流量k

16、g/s， Gf：燃气流量kg/s， Gcl：漏气与冷却空气等流量之和。,2020/11/20,51,2.3、燃气轮机循环,4、工质流量差别的影响 实际循环中，进入透平的燃气流量要比压气机的空气流量小，减少了透平中的工质流量，透平总的出工减少。,2020/11/20,52,2.3、燃气轮机循环,5、机械损失的影响 实际燃气轮机中存在轴承摩擦等外部机械损失。一般可取0.99。 6、工质热力性质差别的影响 空气、燃气的定压比热Cp 和等熵过程指数K不等于常数。,2020/11/20,53,2.3、燃气轮机循环,7、实际循环的比功和有效效率,2020/11/20,54,2.3、燃气轮机循环,2.3.3

17、、复杂循环 复杂循环包括间冷循环、再热循环、间冷再热循环和回热循环4种。,2020/11/20,55,2.3.3、复杂循环,2.3.3.1、间冷循环 在压缩过程中，把工质引至冷却器冷却后，再回到压气机中继续压缩以完成压缩过程。即将燃气轮机的压气机分成高、低压两个部分，在高、低压压气机之间增加一个中间冷却器，利用水或其他介质对从低压压气机中流出的空气进行冷却，然后将冷却后的空气送入高压压气机。,2020/11/20,56,2.3.3.1、间冷循环,2020/11/20,57,2.3.3、复杂循环,2.3.3.1、间冷循环 一般来说，在简单循环中，压气机要消耗透平膨胀功的2/3左右，间冷循环可以减

18、少压气机的耗功，并增加工质的吸热量，这样可增加比功。 由于采用间冷，使T2（空气进燃烧室温度）温度降低，q1值增大，需加入更多的燃料。,2020/11/20,58,2.3.3.1、间冷循环,工质被引出冷却时压力高低不同，即存在着使比功增加的LC与HC 之间的最佳压比分配。 ：总压比 一般按各段压比相等分配以获得最大的比功增加，也可采用适当降低低压段压比，适当提高高压段压比(HC:LC=6:4 ,7:3)，来提高比功和效率。,2020/11/20,59,2.3.3.1、间冷循环,2020/11/20,60,2.3.3、复杂循环,2.3.3.2、再热循环 在膨胀过程中，把工质引出至再热燃烧室中加热

19、后，再回到透平中继续膨胀以完成膨胀过程。将燃气轮机的透平分成高、低压两个部分，在高、低压透平之间增加一个燃烧室，使燃气在流出高压透平、进入低压透平之前再次与燃料混合燃烧，此即再热循环。,2020/11/20,61,2.3.3.2、再热循环,2020/11/20,62,2.3.3、复杂循环,2.3.3.2、再热循环 工质被引出再热时压力高低的不同，比功的增大值不同，同样与间冷循环一样，存在着两透平之间膨胀比的最佳分配。 ：透平的总膨胀比,2020/11/20,63,2.3.3、复杂循环,2.3.3.2、再热循环 再热循环的加热量q1对于理想循环，加热量是增加的。,2020/11/20,64,2.

20、3.3.2、再热循环,2020/11/20,65,2.3.3、复杂循环,2.3.3.3、回热循环 采用高温排气来加热压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高效率。,2020/11/20,66,2.3.3.3、回热循环,2020/11/20,67,2.3.3、复杂循环,2.3.3.3、回热循环 在理想循环状态下，可使压缩空气被加热到与透平排气相同的温度，即在回热器中，透平出口温度与压气机出口温度之间温差范围内的热量全部被回收。 理想回热循环的效率：,2020/11/20,68,2.3.3.3、回热循环,理想回热循环的效率不仅与有关，还与有关。,2020/1

21、1/20,69,2.3.3.4、间冷再热循环,采用这样的循环，由于比功大，使在相同的输出功率下燃气轮机的空气流量比简单循环的小很多。,2020/11/20,70,2.3.3.4、间冷再热循环,2020/11/20,71,2.3.3.5、间冷、再热和回热的联合使用,单独采用间冷循环或中间再热循环可增大比功，而单独采用回热循环可提高效率，若将这几种措施结合起来可达到更理想的效果。在该循环中，外界加给单位质量空气的燃料热为阴影面积A，而循环排向外界的热量仅为阴影面积B。,2020/11/20,72,2、热电联产系统,2.4、天然气燃气轮机型在热电联产系统中应用的特点 天然气燃气轮机热电联产系统由燃气

22、轮机与排气锅炉组成。系统运行时，燃气轮机带动空气压缩机吸入外界空气。压缩一定压力（一般0.82MPa），T升高，空气与天然气混合、燃烧生成高温烟气。带压力的高温气体流经涡轮时就膨胀做功，在推动涡轮转动的同时带动空气压缩机转动，天然气所含的化学能转化为机械功。,2020/11/20,73,2、热电联产系统,2.4、天然气燃气轮机型在热电联产系统中应用的特点 燃气轮机是靠涡轮旋转产生的动力带动发电机发电。从燃气轮机排出500600的甚高温度的烟气，经排气锅炉产生蒸汽。根据工艺需要，可获得1MPa以下或56MPa，甚至更高压力的饱和蒸汽和过热蒸汽。,2020/11/20,74,热电联产系统结构和操作

23、特征,2020/11/20,75,2、热电联产系统,2.5、蒸汽轮机循环和燃气轮机循环的局限性 蒸汽轮机和燃气轮机所采用的热力学循环的特点完全不同，蒸汽轮机循环利用了蒸汽可在常温下凝结的特性，可以实现较低的工质平均放热温度（40），却不能实现较高的工质平均吸热温度（550）。而燃气轮机循环的工质平均吸热温度很高（1500），但工质平均放热温度（600）不低。,2020/11/20,76,3、联合循环发电系统,联合循环发电系统 联合循环：凡是将两个或两个以上的热机循环耦合在一起的循环。 应用最广泛的联合循环是燃气蒸汽联合循环,2020/11/20,77,3、联合循环发电系统,3.1、 联合循环发

24、电系统发展概况 联合循环发电系统：由燃气轮机、排气锅炉、蒸汽轮机和发电机等设备构成。天然气燃烧生成的高温气流在燃气轮机做功并发电后，排出500600的烟气进入排气锅炉回收余热并产生蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功再发出电力。这样两级产生动力的热力循环系统是热工上布雷顿(Brayton)循环和朗肯(Rankine)循环相结合的系统。,2020/11/20,78,3、联合循环发电系统,3.2、联合循环发电系统特点： 在燃气蒸汽联合循环的发电系统中，燃气轮机在527-1327温度区间工作，单独发电，排气热损失大；蒸汽轮机一般在接近环境温度到627温度区间工作，单独用锅炉蒸汽轮机方式发电，未能充分利用高

25、温位热能，把高品位能量降级使用，如果它们各自单独运行发电，热效率仅40以下，按“总能系统”的能量梯级利用概念，把这两个在不同温度区间的热力循环联合在一起，各在自己合适的温度范围工作，利用燃气轮机循环平均吸热温度高和蒸汽轮机循环平均放热温度低的优点，就能取得超过50的效率，最高效率已突破60。,2020/11/20,79,F级单轴燃气蒸汽联合循环发电机组,发电机,汽轮机,压气机,燃气轮机,2020/11/20,80,3、联合循环发电系统,发 电 效 率 提 高 状 况,2020/11/20,81,3、联合循环发电系统,2020/11/20,82,3、联合循环发电系统,3.3、联合循环发电型式 联

26、合循环有余热锅炉型、排气补燃型、增压燃烧锅炉型和加热锅炉给水型。,2020/11/20,83,3、联合循环发电系统,3.3、联合循环发电型式 3.3.1、余热锅炉型联合循环 用余热锅炉吸收燃气轮机排气的热量加热锅炉中的水产生蒸汽，然后用汽轮机将蒸汽的热量转换为机械功。利用了燃气轮机排气温度较高，而汽轮机循环能够利用的蒸汽温度又较低的原理。 循环中汽轮机输出功率约为燃气轮机的3050,。联合循环的效率比燃气轮机原来高3050。,2020/11/20,84,2020/11/20,85,2020/11/20,86,余 热 锅 炉,2020/11/20,87,2020/11/20,88,余 热 锅 炉

27、,为了使燃气轮机的烟气余热能够在余热锅炉中被充分利用，因尽可能降低烟气离开余热锅炉时的温度。 在余热锅炉的设计中，要保证锅炉给水的饱和蒸汽段的起始点与烟气侧之间有一定的温差，通称“节点温差”。 通常取节点温差为：1020 对排烟温度的选取还要受烟气酸露点温度的限制。 在燃烧含硫量极少的天然气燃料的联合循环中，余热锅炉的排烟温度一般取为100以下。,2020/11/20,89,PG9351FA燃机,2020/11/20,90,PG6111FA燃机,2020/11/20,91,LM2500+G4燃机,2020/11/20,92,LM6000PD燃机,2020/11/20,93,3、联合循环发电系统

28、,3.3.2、排气补燃型联合循环 在余热锅炉前加一补燃室或在锅炉中加入燃料燃烧。 由于补燃，锅炉中的蒸发量增大，汽轮机的功率明显增加。,2020/11/20,94,3、联合循环发电系统,3.3.2、排气补燃型联合循环 与余热锅炉比较： 优点：蒸汽的参数不受燃气轮机排气温度的限制，在部分负荷下，可在较大或很大的输出功率变化范围内，不改变燃气轮机的工况而只改变补燃燃料，即只改变汽轮机的功率来改变联合循环的输出功率。 缺点：由于补燃燃料的能量仅在蒸汽部分的循环中被利用，未实现能源的梯级利用，使得联合循环的效率一般低于余热锅炉型。,2020/11/20,95,3、联合循环发电系统,3.3.3、增压燃烧

29、锅炉型联合循环,把燃气轮机的燃烧室与锅炉合为一体，形成在压力下燃烧的锅炉。,2020/11/20,96,3、联合循环发电系统,由于增压燃烧，整个锅炉是一个尺寸很大的密闭压力容器，为设计和安全运行等带来了困难。,2020/11/20,97,3、联合循环发电系统,3.3.4、加热锅炉给水型联合循环 燃气轮机的排气仅用来加热锅炉给水，这种联合循环以汽轮机输出功率为主。联合循环的效率提高较少。,2020/11/20,98,带天然气预热的组合式三级压力再热循环联合循环发电装置,2020/11/20,99,天然气联合循环发电比燃煤蒸汽发电效率高。前者目前达到5557，有的已突破60，后者目前可达4044，

30、个别在开发中的可达45。 天然气联合循环发电电站投资较低，单位发电能力投资500-700$kW；燃煤锅炉蒸汽发电电站为1100$kW。 天然气联合循环发电电站建设周期较短，2-3年，燃煤锅炉蒸汽电站4-5年，核电站610年。天然气联合循环发电系统的燃气轮机发电部分可先期运行，所以联合循环电站可实行模块式建设和操作。,3.4、天然气联合循环发电和燃煤锅炉蒸汽发电的比较,2020/11/20,100,3.4、天然气联合循环发电和燃煤锅炉蒸汽发电的比较 天然气联合循环发电成本构成中，投资成本、操作成本均低于燃煤锅炉蒸汽发电。 天然气联合循环发电对环境污染小。 天然气联合循环发电占地省，仅为同等规模燃煤电站的15；用水量少，仅为同等规模燃料电站40；环境相容性好，有利于厂址选择，尤其是中等规模的天然气联合循环独立分散发电装置，可设置在用户附近，减少输配电设施和线路损失。,3、联合循环发电系统,2020/11/20,101,3.4、天然气联合循环发电和燃煤锅炉蒸汽发电的比较 天然气联合循环发电操作控制简单，开停工迅速方便，适用多种气、液燃料，有利于作为紧急需要的发电装置如调峰、救灾等。 天然气联合循环发电虽有诸多优点，但这类装置必须建设在天然气来源丰富、长期供气有保