燃气轮机联合循环发电技术gcc的优势

燃气轮机联合循环发电技术gcc的优势

与效率低下的大型蒸汽发电装置相比，联合高效能源装置（gtc）具有高度效率（系统清洁效率超过50%）、低污染、运营灵活、施工周期长、投资低等优点，在世界能源行业中得到了广泛广泛应用。特别是在欧洲和美国的一些工业化国家，除了使用新装置和励磁联合装置外，还使用了联合节能技术对旧装置的容量和效率进行了改善和改造。此外,由于燃气轮机运行的可用率高达85%～95%,有利于在电力系统的调峰运行,这对于解决我国现阶段严峻的结构性缺电问题,提高现有和新增机组的调峰能力,意义重大。因此在新一轮的电力建设高潮中,燃气轮机及其联合循环电站将面临重要的发展机遇。利用燃气轮机联合循环改造燃煤电厂,主要的改造方案有:常规的不补燃余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环方案、排气再燃型燃气一蒸汽联合循环方案、并列动力布置型燃气一蒸汽联合循环方案、给水加热型燃气一蒸汽联合循环方案。本文主要研究常规不补燃型燃气-蒸汽联合循环改造燃煤电厂的方案,并通过理论分析计算论证其在技术上和经济上的可行性。1不补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环u3000燃气轮机联合循环发电技术是将燃气轮机发电技术与蒸汽轮机发电技术有机结合起来的一种新型发电技术。燃气循环系统由燃气轮机组成,主要包括空气进气系统,多级轴流式压气机和燃烧系统、燃气透平和排气室。蒸汽循环系统主要由余热锅炉和汽轮机组成。其中,燃气循环的过程是燃气轮机从大气中抽取大量的空气经过滤器过滤后,进入压气机进行压缩,压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧,产生的高温烟气再经燃气透平膨胀做功,从而带动发电机发电。燃气透平排出的烟气温度还很高(一般温度高达500～600℃),还有相当大的热量可以利用(占燃料总热能的60%以上),对于常规不补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环系统,就是将燃气透平排出的高温烟气送入余热锅炉加以利用,产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。由于利用联合循环能够实现能源的梯级利用——即燃气轮机的排烟所含能量被用于余热锅炉来产生蒸汽以驱动汽轮机做功,从而提高了能源的综合利用率,也使整个系统能够达到很高的效率。对于常规不补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环改造方案,需要在现有蒸汽轮机电站的基础上,用一台或多台燃气轮机和余热锅炉来取代原有的燃煤锅炉。燃气轮机的排气进入余热锅炉后不再补充其它燃料,因而称为不补燃型燃气-蒸汽联合循环。在改造单台大功率的蒸汽轮机时,宜采用多台燃气轮机和余热锅炉的组合方案,这将有利于提高电站部分负荷工况下的效率。图1和图2为典型的不补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环原理示意图及相应的焓熵图。热力循环主要由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机完成。其中,燃气轮机完成顶循环,高温排气进入余热锅炉,产生高温高压的蒸汽,进入汽轮机做功,完成底循环。目前,在常规不补燃联合循环中,与燃气轮机相配的蒸汽轮机参数一般都不超过超高压参数,即压力最高为13.5MPa左右,因而只有对于超高压参数及其以下的蒸汽轮机电站才有可能改造成为常规不补燃联合循环方案。它能在燃机排气参数较高的条件下用三压再热余热锅炉方案,使电站的供电效率很容易地增长到52%左右,即大约增加15%。2机组性能参数本文以某燃煤电厂采用常规余热锅炉型联合循环改造方案进行分析和计算,并得出改造成燃气-蒸汽联合循环后机组的主要性能参数。该电厂目前有6台125MW的燃煤发电机组,锅炉采用的是国产420t/h超高压,中间再热单汽包自然循环锅炉,设计煤种为贫煤,主要性能参数如表1所示:汽机是国产的三缸再热凝汽式汽轮机,并带有抽汽回热系统,额定工况下的主要参数如表2所示。(1)发电机容量的确定在常规不补燃的余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环中,燃气轮机的效率和排气参数对联合循环效率的影响最为重要,为了尽可能提高改造后联合循环的效率和热力性能,在选择燃气轮机时,一方面要求燃气轮机具有高的效率,另一方面,要求燃气轮机排气有足够的余热来产生底循环作功所需要的高参数过热蒸汽。另外,还需要考虑燃气轮机功率与蒸汽轮机功率的匹配,在实施改造时,应按照燃气轮机功率与蒸汽轮机功率的比值为1.5～2.0比1的配比关系来选择燃气轮机的容量。基于以上原则,本方案选用美国GE公司的PG9351FA型燃气轮机,蒸汽循环系统采用三压再热方式,该燃气轮机简单循环性能参数及排烟烟气成分如表3、4所示:(2)方案3:热平衡方程燃气轮机选定后,顶循环效率和排气温度以及排气流量等参数就定了。接下来需要根据燃机的排气温度和质量流量确定底循环蒸汽系统的一些主要参数以及选择汽水循环的型式。因为余热锅炉的排气温度高达609℃,因此为了更有效地利用排气中的余热,决定选择三压再热式的余热锅炉,三压再热余热锅炉的汽水系统和蒸汽循环的典型布置如图3所示。高压缸的排汽与中压过热蒸汽混合后进入再热器加热,再进入中压缸作功,然后再与低压蒸汽一起在低压缸内膨胀作功。余热锅炉中各段换热量Q与燃气和汽水温度t关系如图4所示,整个换热区域分为4个温区,在确定蒸洗系统主要参数时逐次按这4个温区进行计算,各温区的热平衡方程为:温区1:G(h1-h2)ϕ=mHΔhH,SH-EVAP+mRΔhR,RH式中,mR=(1-a)mH+mI,a为高压缸的漏汽系统温区2:G(h2-h3)ϕ=mHΔhH,ECON1+mIΔhI,SH-EVAP温区3:温区4:G(h4-h5)ϕ=(mH+mI+mL)ΔhCOND以上式子中,G为进入余热锅炉的燃气轮机排气质量流量;h为蒸汽工质的比焓;Δh为蒸汽工质的焓差;ϕ为余热锅炉的保温系数;下标SH表示过热器,EVAP表示蒸发器,ECON表示省煤器,COND表示凝水加热器,H、I、L分别表示高、中、低压;R表示再热。计算的主要依据为四个温区的热平衡方程以及水蒸汽和烟气的热力性质参数,部分参数由初始设定。燃气轮机燃用西气东输进入上海的天然气,其低位热值为48686.3kJ/kg。根据上面的计算步骤和初始条件,经计算可得改造后余热锅炉和蒸汽轮机的主要性能参数值,表1、2对改造后余热锅炉和汽机的性能参数与改造前机组的参数进行了比较。通过比较发现,改造后高压缸和中压缸的蒸汽流量均比改造前要少,一方面主要是因为改造前燃煤锅炉所产生的主蒸汽全部通过高压缸作功,而三压再热式余热锅炉中的中压和低压蒸汽都不通过高压缸而直接进入中压缸和低压缸作功,进入高压缸作功的只有高压蒸汽;另一方面,余热锅炉的产汽量也较改造前燃煤锅炉的产汽量低。因此改造后高压缸的工质流量会少于改造前,中压缸的工质流量也会小于改造前。改造后低压缸进汽流量比改造前的大,总作功量也有所增加。这是由于在改造后,主要是利用燃气轮机排气来加热给水,提供蒸汽,抽汽量大大减少,因此改造前被抽去用于加热给水的蒸汽就能进入低压缸作功。(3)余热锅炉与原电厂的联合循环原电厂经过改造后,一台PG93511FA燃气轮机和一台三压再热式余热锅炉与原电厂的蒸汽轮机组成不补燃的常规余热锅