联合循环用燃气轮机的发展

联合循环用燃气轮机的发展如前所述，到目前为止，燃气-蒸汽联合循环已在世界电力工业中获得了很大发展，它的单机功率已超过300MW，供电效率已达到56%以上，它的发展势头仍很强劲，发展潜力仍未穷尽。总的来说，对于燃烧天然气和液体燃料的机组来说，今后燃气轮机将沿着进一步提高它的单机容量和供电效率的方向发展。本节就以上问题进行研讨和论述，以便对联合循环的发展前景有一个清晰的认识。众所周知，联合循环是以燃气轮机为基础的，因而它的发展必然以燃气轮机的发展为前提。为了把燃气轮机联合循环的性能提高到一个新的水平，国际上正在制定一系列计划以加速燃气轮机的发展，其中有代表性计划是美国制定的ATS计划和CAGT计划。ATS的研究和开发计划于1992年到2000年之间实施。计划的总设想如下：(1)目标：①把发电用联合循环的供电效率提高到60%以上。计划分两步来实施，即：在2000年前，维持燃气初温t3=1288℃左右，依靠改造联合循环的系统来使供电效率达到58%；此后，把t3提高到1427℃，以最终实现供电效率大于或等于60%的要求；②使供电价格降低10%；③把工业燃气轮机的效率在现有基础上相对提高15%；④把NOx的排放量比现有标准减少10%，即达到5*10-6(体积分数)的水平，把CO、CxHy的排放量控制在20*10-6(体积分数)以下；⑤把上述技术用于燃煤的燃气-蒸汽联合循环(IGCC)；⑥要求以天然气为燃料，分别在一台发电机组上和一台工业用机组上做示范试验；⑦使上述成果于2002年进入市场。(2)技术措施：①在改造系统方面考虑采用压气机的中间冷却方法：采用多转子压缩系统，以提高其压缩比，使循环设计达到最佳效率点；采用高流量的燃气透平设计，以增大机组的功率；研究湿空气透平(HAT循环)；②采用冷却燃气透平通流部分的新方法，其中包括采用陶瓷材料的叶片和先进的喷涂技术。要建立一台3~6MW的用陶瓷叶片的燃气轮机，运行1000h。(3)在燃煤技术方面：考虑试验以上五种方案，即：IGCC、PFBC-CC，第二代PFBC-CC，采用高温陶瓷管的外燃式联合循环(EFCC)，以及直接在燃气轮机中燃用水煤浆(Allison公司曾在一台4MW的燃气轮机上运行过一段时间)。(4)最终得益的估计：①比现有燃气轮机系统的效率提高15%，比现有工业用能系统的平均效率提高50%，从而使CO2的排放量大大降低；②大大地减少NOx、CO和CxHy的排放量；③为燃煤的IGCC提供技术；④在2006-2010年之间预期获利20亿美元。(5)市场估计：预期在2000~2010年期间每年要用新的燃气-蒸汽联合循环更新旧电厂10000MW，新增发电容量10000MW。CAGT计划是针对航空改型机组的研究和开发工作而拟订的。它想在压气机之间采用中间冷却器、在透平之间采用再热燃烧室，并在燃烧室中喷注蒸汽，以实现程氏循环或湿空气透平(HAT)循环等措施，来提高机组的热效率和比功。预期到2002年时，能够把烧天然气的简单循环机组的供电效率提高到45%~47%，联合循环机组的供电效率提高到60%~62%。研究中选择推力高达266717~444528N(27216~45360kgf)的航空发动机为对象，以便提高机组的功率，满足发电设备的要求。以航空发动机改型为对象的好处在于：可以选用高压比的双转子压气机，并尽可能地提高透平前的燃气温度t3。目前，t3=1343℃的发动机已经正式运行；t3=1480℃的发动机正在制造；t3=1590℃的发动机则正在开发之中。美国GE公司是燃气轮机和联合循环制造业的先驱。几年前，它已经推出了燃气初温t3=1288℃的FA型燃气轮机及其联合循环机组，燃气轮机单机功率达到250.4MW，供电效率为36.49%；联合循环的单机功率为376.2MW，供电效率为56.3%。配合ATS计划的执行，最近，正在研制两种燃气轮机新型号，即9G和9H，以适应21世纪初发展的需要。9FA、9G和9H这三种燃气轮机及其联合循环的性能对比，如表1-6所示。表1-69331FA、9G和9H机组的性能对比型号项目9331FA9G9H燃气初温/℃空气流量/kg·s-1压缩比比功/[MW/(kg·s-1)]简单循环的功率/MW供电效率(%)联合效率的净功率/MW供电效率(%)Nox的排放量(体积分数15%O2含量)(10-6)1288602150.58226.536348.554.8251430685230.6128239.542058251430685230.70-4806025由表1-6知，9H型机组的性能要比9332FA型有相当程度的改进，效率提高了，单机的功率也增大了，而且机组更加紧凑了，有利于减少比投资费。相对于9331FA型机组，9H型机组有以下几方面改进，即：(1)提高压气机的压缩比。整个压气机是从航空发动机CF680C2的压气机模化放大3倍而得到的，其压缩比增至23，压缩效率也有所提高。(2)把燃气温度提高到1430℃的高水平。(3)燃气轮机的第一级和第二级静叶是用封闭式的蒸汽冷却的，如图1-3所示。冷却用蒸汽是从蒸汽轮机高压缸的排汽中抽取的。当蒸汽冷却叶片后，并不掺入到燃气流道中去，而是循环回流到蒸汽轮机中压缸的入口，进到蒸汽轮机中去继续作功，如图1-4所示。a)开式空气冷却叶片b)封闭式蒸汽冷却叶片图1-3开式空气冷却叶片和封闭式蒸汽冷却叶片回路之对比采用封闭式蒸汽冷却的优点是：可以减少因叶片冷却而导致的燃气温度下降的程度。例如：在9FA型燃气轮机中，冷却空气在以气膜冷却方式冷却叶片后，是从静叶的出气口混到高温燃气中去的，这将导致燃气温度下降155℃。当在9H中改用冷却效果很好的蒸汽来冷却叶片时，在获得同样冷却效果的前提下，蒸汽并不掺混到燃气中去，其结果是因冷却而导致的燃气温度之下降只有44℃。它的作用就相当于提高了燃气的作功温度，有利于改善燃气轮机的效率。图1-4蒸汽冷却系统与蒸汽轮机的配合关系(4)采用干式低NOx的燃烧室来控制排气中的NOx含量，而不再像一般烧天然气的燃烧室中那样，需要喷入一定数量的蒸汽，来帮助控制NOx排放量。这样，就能减少燃气轮机排气中的水蒸气含量，也有利于提高燃气轮机的热效率。(5)当用9H型燃气轮机组合联合循环时，采用有再热的三压式蒸汽循环系统。蒸汽的初参数提高到亚临界参数的水平，即16.5MPa/565℃/3.44MPa/565℃/0.28MPa/277℃。这也有利于提高联合循环的效率。从表1-7中已知：9G的燃气初温与9H是相同的，但是由于它仍然采用9FA机组中那样的空气冷却静叶的方案，致使燃气轮机及其联合循环的效率都要比9H者略低2个百分点。当然，9H机组只能在联合循环系统中使用，而不能按简单循环方式运行，否则，燃气轮机高温部件因无蒸汽冷却而无法正常工作。美国西屋公司开发的501G机组，与501F机组的性能对比如表1-7所示。对比表1-7和表1-8可知：501G机组是与GE公司的9G机组(但转速为3000r/min)相当的。相对于501F机组来说，501G机组之所以能够提高性能是由于采取了以下一些措施的缘故，即：压气机改用日本三菱公司(MHI)MF221压气机的模拟放大件，使其压缩比由15提高到19.2，它采用了先进的压气机叶型和喷涂技术，来减少压气机的间隙，以求改善压气机效率。燃烧室和过渡段不再采用常规的空气冷却方案，而改用蒸汽冷却方案，如图1-5所示。在501F机组中由于燃烧室和过渡段采用常规的空气冷却方案，冷却空气量大约为压气机进气量的10%~20%，这将使透平第一级导叶的入口温度降为1350℃，导叶的出口温度控制为1288℃。当改用蒸汽冷却方案后，冷却空气量将降为0，这样，就可以使透平第一级导叶的入口温度提高到1500℃，而导叶的出口温度被控制为1427℃。这将有利于提高机组的性能。透平叶型引进英国Rolls-Royce公司的技术，透平级数改成四级，把501G机组的功率增大到300MW。透平的叶片数将减少15%，又由于航空透平叶片的冷却设计性能良好，由此，可以减少透平部件冷却空气量的消耗。图1-5空气冷却放方案与蒸汽冷却方案的对比表1-7西屋公司的501F与501G机组性能的对比型号项目501F501G型号项目501F501GLSO基本功率/MW163.4230.0排气温度/℃580593LHV的热耗率/KJ/(kW·h-1)99899346透平转速/r/min36003600简单循环的净效率(%)3638.5联合循环效率(%)54.858压缩比15:119.2:1NOx含量<25×10-6(体积分数)空气流量/kg·s-1449544CO含量烧天然气时<10×10-6(体积分数)透平燃气温度/℃12881427UHC含量<10×10-6(体积分数)表1-8ABB公司的GT24和GT26型机组的性能型式项目GT24GT26频率/Hz燃料种类毛功率/MW毛效率(%)压缩比燃气初温/℃排气温度/℃排气流量/kg·s-1联合循环毛功率/MW联合循环的毛效率(%)NOx排放量(体积分数15%O2含量)60天然气165.037.530123561037625158<25×10-6(体积分数)50天然气240.037.8301235608542365.058.5<25×10-6(体积分数)当然，501G机组应该组成联合循环系统，这样，才能从蒸汽轮机系统中获得冷却燃烧室和过渡段的蒸汽，倘若501G机组要按简单循环方式单独运行时，就需在透平的排气口设置一台小型的余热锅炉，以便专门生产冷却所需要的蒸汽。ABB公司则正在开发GT24和GT26型新型燃气轮机及其联合循环。这两种机组的性能如表1-8所示。图1-6中给出了GT24燃气轮机的纵剖面图。为了提高机组的性能，采取了以下一些措施，即：采用22级亚音速流的压气机，具有3级可调的进口导叶，压缩比提高到30。叶型是根据“可⑴采用前后串联的两级燃烧室，因而它是再热式循环方案。两个燃烧室出口的燃气温度均取为1235℃。这两个燃烧室都是干法低NOx的EV型环行燃烧室结构。1-燃气透平1-燃气透平2-SEV型燃烧室3-燃料喷嘴4-EV型燃烧室5-EV型喷嘴6-压气机图1-6GT24燃气轮机的剖面图⑶由于压气机前三级进口导叶可以调节，加上再热循环的特点，可以使GT24和GT26机组具有非常良好的变工况性能。三级可调导叶可以使压气机的进气流量随负荷的降低而线性地减少40%。在这个负荷范围内，第一级燃烧室的出口温度略有下降，但整台机组的排气温度却也是恒定不变的。这些变化特性可以大大地提高低负荷工况下机组的效率。GT24机组已于1996年5月份投入商业运行，以后将进一步改造成为联合循环。德国Siemens公司则相应地推出了3A系列的燃气轮机及其联合循环，它们的性能如表1-9所示。表1-9Siemens公司3A系列机组的性能型号项目V64.3AV84.3AV94.3A型号项目V64.3AV84.3AV94.3A简单循环燃气初温(℃)131013101310ISO净功率/MW70.0170240排气温度(℃)565562562频率/Hz50/606050排气流量/kg·s-1194454640转速/r/min540036003000联合循环热耗率(LHV)/kJ·kW·h)-1878685108510ISO净功率/MW103.0254359供电效率(%)36.838.038.0热耗率(LHV)/kJ·(kW·h)-1623058905870压缩比16.316.416.4供电效率(%)54.857.958.1从机组的燃