华南理工大学天然气开采与综合利用技术51联合循环发电

华南理工大学天然气开采与综合利用技术51联合循环发电第1页/共101页第五章、天然气的能源利用第2页/共101页2023/3/223

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3页/共101页第一节、热电联产和联合循环发电第4页/共101页2023/3/225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。第5页/共101页2023/3/226

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

第6页/共101页2023/3/227

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等大气污染物的排量。

1.1、原理第7页/共101页2023/3/228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第8页/共101页2023/3/229

“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、转化和利用的全过程，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

第9页/共101页2023/3/22101、热电联产和联合循环发电系统原理和意义第10页/共101页2023/3/22111、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。第11页/共101页2023/3/22121、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

第12页/共101页2023/3/22132、热电联产系统

天然气在热电联产中的利用有三种型式：蒸汽轮机型、燃料电池型和燃气轮机。第13页/共101页2023/3/22142、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。第14页/共101页2023/3/22152.1、蒸汽轮机型2.1.1、几种汽轮机形式第15页/共101页2023/3/22162.1、蒸汽轮机型第16页/共101页2023/3/22172.1、蒸汽轮机型第17页/共101页2023/3/22182.1、蒸汽轮机型第18页/共101页2023/3/22192.1、蒸汽轮机型2.1.2、理想蒸汽轮机循环

蒸汽轮机循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，如空气第19页/共101页2023/3/2220蒸汽轮机循环热力系统第20页/共101页2023/3/2221蒸汽轮机循环第21页/共101页2023/3/22222、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。第22页/共101页2023/3/22232.3、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。第23页/共101页2023/3/2224

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，又排至大气第24页/共101页2023/3/2225燃气轮机第25页/共101页2023/3/22262.3、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。

第26页/共101页2023/3/22272.3.1、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，以及循环过程无损耗。第27页/共101页2023/3/22282.3.1、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。第28页/共101页2023/3/22292.3.1、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第29页/共101页2023/3/22302.3.1、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。第30页/共101页2023/3/22312.3.1、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第31页/共101页2023/3/22322.3.1、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。第32页/共101页2023/3/22332.3.1、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/kgqB—单位质量空气在燃烧室中吸收的热量,J/kg第33页/共101页2023/3/22342.3.1、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。第34页/共101页2023/3/22352.3.1、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、循环过程无损耗（压力、燃料不完全燃烧、散热损失）。第35页/共101页2023/3/22362.3.1.4、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第36页/共101页2023/3/2237

2.3.1、燃气轮机理想简单循环第37页/共101页2023/3/22382.3.1、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第38页/共101页2023/3/22392.3.1、燃气轮机理想简单循环

比功WT的大小同时取决于压比π和温比τ。1、压比π一定时，温比τ越高，比功WT越大，2、温比τ一定时，改变压比π，可使比功WT取得最大值，压比π存在着最佳值。

第39页/共101页2023/3/22402.3.1、燃气轮机理想简单循环

温比τ不变时比功WT随着压比π的变化有一最大值，称为最佳压比

第40页/共101页2023/3/22412.3.1、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π有关，压比π越大，效率越高第41页/共101页2023/3/22422.3、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，工质热力性质的不同等。

第42页/共101页2023/3/22432.3、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0.80～0.92之间

一般在0.87～0.94之间第43页/共101页2023/3/22442.3.2、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0.80～0.92之间

第44页/共101页2023/3/22452.3.2、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0.87～0.94之间

第45页/共101页2023/3/22462.3.2、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ηc和ηT对循环效率的影响，we小于理想循环的wn,ηe小于理想循环的效率ηt第46页/共101页2023/3/22472.3.2、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第47页/共101页2023/3/22482.3、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0.96～0.99之间第48页/共101页2023/3/22492.3、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ΔP*1，燃烧室压力损失ΔP*2，排气压力损失ΔP*4

第49页/共101页2023/3/22502.3、燃气轮机循环2.3.2、实际简单循环3、压力损失的影响用压力损失系数ε和压力保持系数φ来描述压力损失。

由于压力损失使πT<π,透平出功减少，导致循环的比功和效率下降。

第50页/共101页2023/3/22512.3、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

ε1：0.01～0.015ε2:0.03～0.06ε3:0.025～0.07

压力保持系数φ约为0.92～0.96

导致较大的比功和效率下降

第51页/共101页2023/3/22522.3、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kg/s，

Gf：燃气流量kg/s，

Gcl：漏气与冷却空气等流量之和。

第52页/共101页2023/3/22532.3、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。第53页/共101页2023/3/22542.3、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。

第54页/共101页2023/3/22552.3、燃气轮机循环2.3.3、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。

第55页/共101页2023/3/22562.3.3、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。

第56页/共101页2023/3/22572.3.3.1、间冷循环第57页/共101页2023/3/22582.3.3、复杂循环2.3.3.1、间冷循环一般来说，间冷可以减少压气机的耗功，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。

第58页/共101页2023/3/22592.3.3.1、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。

π：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。

第59页/共101页2023/3/22602.3.3.1、间冷循环第60页/共101页2023/3/22612.3.3、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。

第61页/共101页2023/3/22622.3.3.2、再热循环第62页/共101页2023/3/22632.3.3、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。

π：透平的总膨胀比

第63页/共101页2023/3/22642.3.3、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。

第64页/共101页2023/3/22652.3.3.2、再热循环第65页/共101页2023/3/22662.3.3、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。

第66页/共101页2023/3/22672.3.3.3、回热循环第67页/共101页2023/3/22682.3.3、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：第68页/共101页2023/3/22692.3.3.3、回热循环理想回热循环的效率不仅与π有关，还与τ有关。第69页/共101页2023/3/22702.3.3.4、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。第70页/共101页2023/3/22712.3.3.4、间冷再热循环第71页/共101页2023/3/22722.3.3.5、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。第72页/共101页2023/3/22732、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0.8～2MPa），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。第73页/共101页2023/3/22742、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500～600℃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5～6MPa，甚至更高压力的饱和蒸汽和过热蒸汽。

第74页/共101页2023/3/2275热电联产系统结构和操作特征第75页/共101页2023/3/22762、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。第76页/共101页2023/3/22773、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

第77页/共101页2023/3/22783、联合循环发电系统3.1、

联合循环发电系统发展概况

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500—600℃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(Bankine)循环相结合的系统。第78页/共101页2023/3/22793、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％。第79页/共101页2023/3/22803、联合循环发电系统项目60年代70年代80年代90年代90年代末天然气燃气轮机联合循环发电效率天然气燃气轮机单循环发电效率燃煤锅炉－蒸汽轮机发电效率27.5203841.527.5404531.541.5503541.555~573842~44发电效率提高状况第80页/共101页2023/3/22813、联合循环发电系统

3.3、联合循环发电型式

联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。

第81页/共101页2023/3/22823、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30％—50％,。联合循环的效率比燃气轮机原来高30％—50％。第82页/共101页2023/3/2283第83页/共101页2023/3/2284第84页/共101页2023/3/2285余热锅炉第85页/共101页2023/3/2286余热锅炉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：10～20℃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。第86页/共101页2023/3/22873、联合循环发电系统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。

第87页/共101页2023/3/22883、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。

第88页/共101页2023/3/22893、联合循环发电系统3.3.3、增压燃烧锅炉型联合循环

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。

第89页/共101页2023/3/22903、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。第90页/共101页2023/3/22913、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。第91页/共101页2023/3/2292

带天然气预热的组合式三级压力再热底循环联合循环发电装置第92页/共101页2023/3/2293①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55％—57％，有的已突破60％，后者目前可达40％—44％，个别在开发中的可达45％。②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。③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6~10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第93页/共101页2023/3/22943.4、天然气联合循环发电和燃煤锅炉蒸汽发电的比较④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