李崇祥主编-节能原理与技术-第5章

第5章联合循环

要求:

1、了解联合循环的基本概念；熟悉联合循环的循环特点。2、掌握整体煤气化和增压流化床联合循环的热效率计算5.1概述5.1.1联合循环的概念燃气轮机平均吸热温度较高，进气温度达到1150℃左右，而排气温度也较高，在450～600℃之间，使之大量的热量排入大气。该装置热效率在36%左右，蒸汽轮机进汽温度不可能很高，但是燃气动力循环具有一个明显的优点，那就是其循环放热的温度很低，一般为30～38℃，其装置热效率也不会超过42%。要提高动力循环的热效率，可以利用燃气轮机循环吸热平均温度高和蒸汽轮机循环放热平均温度低的特点，把这两种循环联合起来组成燃气-蒸汽联合循环，其热效率将大大提高。

第5章联合循环

5.1.2联合循环的优越性燃气-蒸汽联合循环的优点：1、可以提高电站热经济性。2、减少环境污染。3、投资和运行费用低。4、适用于少水与缺电地区。5、运行高度自动化、启停迅速。5.1.3联合循环的发展情况

1、国外燃气-蒸汽联合循环的发展。2、我国燃气-蒸汽联合循环发展情况。5.1.4燃气-蒸汽联合循环发展趋势

美国制订的ATS计划和GAGT计划的总体设想：1、目标2、技术措施3、在燃煤技术方面4、最终得益的估计第5章联合循环

5.2联合循环的基本型式燃气-蒸汽联合循环可分为：（1）余热锅炉联合循环；（2）补燃余热锅炉联合循环；（3）增压锅炉联合循环；

5.2.1不补燃的余热锅炉联合循环系统～～空气余热锅炉燃料压气机发电机发电机汽轮机凝汽器【原理】把燃气轮机排气送入余热锅炉加热水，生产过热水蒸汽；水蒸汽引入汽轮机中做功发电，汽轮机排气再进入凝汽器中放热。既增加了功率总输出，又利用了燃气轮机余热。燃气轮机第5章联合循环

不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环主要优点有：（1）热能转换效率高。（2）基本投资费用低，结构简单，锅炉和厂房都很小。（3）运行可靠性高。（4）起动快。图示为不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环温熵图。0sT11353212116498710【循环过程】1-2为空气在压气机中的压缩过程；2-3为空气和燃料在燃烧室内的燃烧过程；3-4为燃气在燃气轮机中的膨胀做功过程；4-5为煤气轮机T-s图第5章联合循环

5.2.2有补燃的余热锅炉型联合循环系统～～空气余热锅炉燃料压气机发电机发电机汽轮机凝汽器补燃燃烧器燃气轮机燃料【原理】除燃气轮机排气引入锅炉外，还可补充部分燃料引入燃烧，使之汽轮机的容量增大。排气放热过程；6-11为给水压缩过程；11-9为水及水蒸汽吸热过程；9-10为水蒸汽在汽轮机中做功过程；10-6为汽轮机排汽冷凝放热过程。显然，联合循环的实质就是把燃气轮机的“布雷顿循环”与蒸汽轮机的“朗肯循环”叠加一起，组合成一个总的循环系统。第5章联合循环

有补燃的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）部分负荷工况下的装置热效率比较高。（4）在余热锅炉中可以烧煤或其它劣质燃料。（5）蒸汽参数不受燃气轮机排气温度的限制。5.2.3增压锅炉型联合循环～～燃气轮机发电机汽轮机凝汽器发电机排气换热器空气压气机燃料增压锅炉【特点】以压气机取代送风机，空气经压缩为0.6～1MPa后，引入增压锅炉，将增压锅炉和燃气轮机的燃烧室后二为一。由于增压锅炉的排气需要通过燃气轮机，因而增压锅炉中只能燃烧液体燃烧或天然气，而不能直接烧煤。第5章联合循环

5.2.4程氏双流体循环

程氏双流体循环也是一种燃气-蒸汽联合循环。G空气15℃101kPa14.63kg/s燃料补给水15℃101kPa2.28kg/s504℃105kPa17.24kg/s354℃1159kPa14.63kg/s982℃1117kPa17.24kg/s水蒸汽477℃1276kPa2.28kg/s排气149℃101kPa17.24kg/s1654327该循环中燃气与蒸汽是在同一台燃气轮机中膨胀做功的。有两种流体----燃气和蒸汽一起流经燃气轮机，因此起名为双流体循环。程氏双流体循环的主体设备与余热锅炉型-蒸汽联合循环非常相近，但也有以下几点原则性的差别：(1)不再配置蒸汽轮机和凝汽器等设备。第5章联合循环

(2)由余热锅炉提供的全部或部分蒸汽还要在蒸汽轮机燃烧室中进一步加热到与燃气轮机前的初温相同的水平，即过热蒸汽的温度一定要比常规的蒸汽轮机中所承受的温度高的多。这种高温过热蒸汽的作功，为提高整个循环的热功转换效率提供了条件。(3)由于蒸汽膨胀后经余热锅炉直接排向大气的，即蒸汽的膨胀背压比采用凝汽器时高很多，这限定了蒸汽作功能力的充分发挥。(4)由于蒸汽连续不断地排向大气难于回收，这就需要向余热锅炉大量地补水，补充水的处理设备必然庞大，耗费是昂贵的。5.3联合循环性能的理论分析5.3.1联合循环热效率计算1、燃气轮机的能量平衡图示(5.11)为常规有有补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环系统。第5章联合循环

燃气轮机的能量平衡式为：GG104Qω1Pst57QA2QsuQc1Q0866108QA3Q1Qc2112134PGTQs2Qs1Qs3Qs4余热锅炉型联合循环系统图1-压气机；2-燃烧室；3-燃气透平；4-发电机；5-余热锅炉；6-蒸汽透平；7-凝汽器；8-给水加热器；9-除氧器；10-水泵；11-空气冷却器。燃气轮机的发电功率为：燃气轮机装置的循环效率为：2、余热锅炉能量平衡式：

而：第5章联合循环

3、蒸汽轮机的能量平衡蒸汽轮机的发电功率为：

蒸汽轮机的发电功率为：

4、联合循环热效率(1)有补燃的联合循环热效率：(2)无补燃的联合循环热效率：常规无补燃的联合循环的发电效率：常规无补燃的联合循环的供电效率：(3)联合循环的功率比：就是蒸汽轮机的发电功率与燃气轮机的发电功率的比值。即：第5章联合循环

5.3.2各种参数的选择

当Qc2=0，QA1=0时，有补燃时的功率比：无补燃时的功率比：联合循环的发电效率为：联合循环的供电效率为：1、ηr1与ηr2的选择：通常2、ηGT与ηST的选择：3、补燃比r值的选择：(1)补燃对效率的影响：第5章联合循环

无补燃时联合的发电效率：将式(5.14b)减去式(5.22)得到：结论：只有当ηr2ηST>ηeco时，补燃才是有利的，此时增大余热锅炉中补燃比r，△ηeco增加，发电效率提高。(2)最佳补燃比r的选择：采用补燃的燃气-蒸汽联合循环效率与r有关。假定燃气定压比热不变时，余热锅炉效率为：当r增加时，Tg1增加，而Tg4下降，因此ηr2将随着补燃比r的增加而增加。(3)补燃条件：余热锅炉中是否采用补燃，除了要考虑补燃对发电效率的影响外，还要考虑燃气轮机排气中所含的剩余氧气含量以及排气温度。第5章联合循环

4、ηGm与ηGg的选择：通常5、ηh的选择：可以近似认为：6、厂用电率φ值的确定：在大功率时，φ=1.5%~2.0%，较小功率时，

φ=3%~4%。6、功率比的确定：功率比是指燃气轮机的汽轮机容量的比例。燃气锅炉功率大于汽轮机功率，用余热锅炉，反之用助燃锅炉。5.3.3小结5.4整体煤气化联合循环(IGCC)5.4.1概述

IGCC：先将煤变成干净的煤气，然后进行燃气-蒸汽联合循环。第5章联合循环

5.4.2IGCC热力发电系统

IGCC组成：(1)煤的贮运、预处理、制备和供给系统；(2)煤的气化系统；(3)粗煤气的除灰系统；(4)粗煤气的脱硫系统；(5)粗煤气显热的利用系统；(6)燃气-蒸汽发电系统；(7)空分制氧系统；(8)煤渣的处理系统以及废水的处理系统。图5.13为整体煤气化联合循环(IGCC)系统简图。

5.4.3IGCC热效率计算燃气轮机功率为：

汽轮机功率有两部分，一部分是燃气轮机排气热能经余热锅炉产生蒸汽的做功部分，而另一部分是在正压炉中分产热能产生蒸汽的做功部分：因此，扣除厂用电率φ便可得到燃煤IGCC综合热效率的公式：第5章联合循环

5.4.4美国CoolWaterIGCC示范电站

图5.14为冷水电站IGCC方案的工艺流程图。这套系统中有两台以水煤浆为燃料的喷流床气化炉(Texaco-德士古炉)，一台为主气化炉，一台为备用的激冷式气化炉。工作过程：(1)60%的水煤浆→主气化炉→煤气；(2)煤气+灰渣→辐射冷却器→饱和蒸汽；(3)冷却的煤气→对流冷却器→水蒸汽；(4)两股饱和水蒸汽→余热锅炉→过热水蒸汽；(5)热煤气→气化炉底冷却水池→炭粒质点洗涤器；(6)煤气冷却降温→Selexol脱硫装置→脱硫。5.4.5IGCC系统的特点1、IGCC的优点：第5章联合循环

(1)具有提高供电效率的最大潜在能力。(2)单机容量可做到300-400MW，便于实现规模经济的效应。(3)基本技术已趋于成熟，已具备转入商业运行的条件。(4)污染问题彻底解决，能满足日益严格的环保标准的要求。(5)耗水较少，宜于缺水的地区和矿区建设坑口电站。(6)烧煤后的废物处理量小，副产品元素硫或硫酸可以出售，降低了IGCC的发电成本。(7)通过煤的气化，能生产甲醇、汽油、尿素等燃料和化学产品，使煤得以综合利用，有利于降低生产成本。2、IGCC的缺点：建厂的比投资费用较高。3、发展IGCC的技术关键：①煤的气化技术；②粗煤气的除灰脱硫净化技术；③高温、高效率的燃气-蒸汽联合循环技术。第5章联合循环

(1)提高IGCC发电设备的单机容量和供电效率。(2)采用新的气化炉型式。(3)高效除灰及脱硫。(4)开发新型空气分离系统。(5)降低比投资费用。5.4.6IGCC的发展趋势5.5增压流化床联合循环（PFBC-CC）5.5.1概述增压流化床锅炉燃烧，采用增压燃烧技术，同时控制燃烧温度，使燃料在增压与低温环境下燃烧，从而降低NO2的排放。增压流化床油燃煤联合循环的效率高，环保性能好，系统较简单，占地面积小，可以直接燃用原煤，且煤种适用范围广，燃烧与传热强度高且结构紧凑，运行方式与常规燃煤火电站接近。第5章联合循环

与常规发电技术比较，增压流化床联合循环不仅可提高发电效率3%-5%，节煤10%~15%，而且可显著减少燃煤污染物的排放，是未来洁净煤发电的重要发展方向之一。

5.5.2增压流化床联合循环(PFBC-CC)工作原理1、PFBC-CC工作原理：(1)在增压流化床锅炉燃烧室，煤燃烧产生的部分热量被锅炉受热面吸收，排出的高温烟气经高温分离器净化后，进入燃气轮机。(2)高温、高压烟气经过净化后，直接进入燃气轮机做功发电，并驱动压力机。(3)燃气轮机排出的烟气经省煤器对锅炉给水进行加热，被冷却到150℃后，经过除尘器进一步除尘，再排入大气。(4)过热蒸汽送到蒸汽轮机做功发电，燃气轮机的排气热量用于加热锅炉给水.

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2、PFBC-CC的主要系统构成：(1)增压流化床燃烧锅炉：PFBC-CC最重要的组成部分。(2)燃气轮机动力装置：与常规燃气-蒸汽联合循环和燃气轮机基本相同。(3)汽轮机动力装置：与传统燃煤电站所采用的汽轮机系统基本相同。蒸汽动力循环部分的发电量占总输出功率的75%-80%。3、PFBC-CC的基本型式：(1)空气埋管冷却系统。(2)水蒸汽埋管冷却系统。5.5.3PFBC-CC热效率计算综合热效率：如果，则，则综合热效率为：第5章联合循环

计算示例：(1)PFBC空气埋管COGAS系统燃气轮机电机端输出功率21.7MW、进气温度896℃、比压10MPa、压气机效率88%、透平效率88.5%、PFBC和净化热效率9.5%、总的压损5.5%、总的泄漏量3%、总的机械效率93%、辅机耗功约0.3MW、燃气轮机部分发电总效率ηGT=25.7%、汽轮机部分发电总效率ηST=23%、余热锅炉效率ηr2=80%。该系统循环综合热效率为：(2)PFBC蒸汽埋管联合循环系统燃气轮机进口气温923℃、排气温度472℃、功率23MW、燃气轮机部分发电总效率ηGT=27%、汽轮机部分发电总效率