燃气-蒸汽联合循环装置的技术特点及应用研究

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

0 引言

与单一的燃气轮机及蒸汽动力装置相比，燃气-蒸汽联合循环装置具有较高的工作效率。早在1929 年，瑞士BBC 公司已实现了采用增压锅炉的联合循环装置，但由于当时燃气轮机尚不具备足够高的效率，而汽轮机的效率却有较大的提高［1］，所以联合循环的优越性并未得以充分体现。自20 世纪60 年代以后，由于冶金工业和燃气轮机冷却技术的发展，燃气轮机的初温、效率和单机功率都有了显著提升，燃气轮机和联合循环发电装置才逐步得到应用［2-5］。

1 燃气-蒸汽联合循环装置的技术优势

燃气-蒸汽联合循环装置得到了广泛应用，其技术优势主要如下：

（1）热效率高，目前以石油或天然气为燃料的联合循环发电装置，热效率可达47%［6］，是成熟的火力发电装置中效率最高的；

（2）与常规火力发电站相比，基建周期短，占地面积少，投资降低15%～20%；

（3）联合循环电站比汽轮机发电站用水少一半以上，对于缺水地区有重要意义；

（4）环境污染小，排气中的粉尘、SOx、NOx 等均较常规锅炉少；

（5）起动性能好，而且多台燃气轮机组成的联合循环电站部分负荷时，可停运1 台或数台燃气轮机，从而保持较高的效率。

2 燃气-蒸汽联合循环装置在电站中的应用

2.1 燃煤联合循环发电装置的优势

以石油或天然气为燃料的联合循环发电装置已显示了其独到的技术优越性。但石油和天然气的蕴藏量远不及煤炭丰富。燃煤目前依然是火力发电的主要发展方向。因此国内外都在重点发展高效率的燃煤发电方式。许多分析表明，燃煤的联合循环发电设备与常规燃煤电站相比有许多重要优势。

（1）热效率比常规燃煤电站高。目前先进的燃煤汽轮机电站热效率约为37%～38%，为满足环保要求而加装烟道脱硫装置后，会使系统效率降低约3%～4%，所以其热效率约为34%～35%。采用技术成熟的煤气化设备和燃气轮机组成的联合循环电站，净发电效率可达39%，进一步发展先进的煤气化和高温净化技术及更高初温的燃气轮机，可使总发电效率进一步提高，这是常规燃煤电站所难以实现的。

（2）排气污染小。燃煤联合循环电站的最重要的优点之一是其在沸腾燃煤过程中，以及煤的气化和净化过程中更易于去除硫分，从而达到环保排放要求。常规燃煤电站的烟道脱硫设备体积庞大，热损失大，且投资约占电站总投资的1/4～1/3。

（3）燃煤联合循环电站的耗水量、固体排渣量及有害排放物均比常规燃煤电站少。

（4）燃煤联合循环电站的投资略低于带烟道脱硫设备的常规燃煤电站。

2.2 燃煤联合循环发电设备的形式

目前发展中的燃煤联合循环发电设备总体上有2 种形式：

一是采用煤气化联合循环发电，煤经气化净化后送入燃气轮机燃烧。这种发电方式的优点是，煤在气化净化过程中可以较容易地除去硫分及其他有害成分，对燃气轮机的腐蚀和磨蚀作用小。同时，燃气轮机初温的提高会受高温材料和冷却技术的限制，采用新型高温材料和先进冷却技术可大幅提高燃气轮机初温，从而提高发电效率［7］。为此可将煤气化净化设备与合循环系统结合在一起，充分地利用热能，称之为整体式煤气化联合循环（IGCC），其缺点是系统较为复杂。

另一种是沸腾燃烧型联合循环，煤在沸腾炉中直接燃烧并用石灰石脱硫，压缩空气在沸腾床内加热后进入燃气涡轮作功。按工作压力不同，可分为常压沸腾炉和增压沸腾炉联合循环2 种形式。这种类型的联合循环装置优点是系统比较简单，对燃气轮机的要求较低。但因燃气温度受限，联合循环的效率相应受到了制约。

发展燃煤联合循环发电装置的关键技术有：煤的沸腾燃烧和床内脱硫；高效大容量煤气化技术；高温净化技术；高温燃气轮机技术以及整体联合循环的调节控制技术等。多年来，世界相关国家开展了大量的研究工作，已完成了关键技术的研究及中间试验，并将其投入商业应用。

2.3 燃煤联合循环发电装置中的燃气轮机

在燃煤联合循环发电装置中，燃气轮机是决定效率和功率的关键性设备。为了提高循环的效率和功率，必须发展高温燃气轮机。除了采用高温材料之外，国外许多公司已致力于研究冷却技术。燃煤联合循环发电装置中应尽可能利用一般联合循环装置中的标准燃气轮机，当以燃油或天然气为燃料的燃气轮机改用低发热量煤气时，应对其进行一定程度的改装，主要如下：

（1）低发热量煤气的发热量较低，约为天然气发热量的1/10左右。在燃气轮机功率不变的情况下，燃料量增加较多，燃气涡轮的通流面积应适当增加，否则可能使压气机发生喘振。以空气为气化剂的整体煤气化联合循环装置抽取一部分压气机中的空气作为气化剂，再从煤气系统回到燃气轮机循环，这样可以减少通过燃气涡轮的流量增量，一般仅增加总流量的5%左右，标准燃气轮机易于满足要求。

（2）必须将燃料系统改装为双燃料调节系统。

（3）由于煤气中的碳氢比较高，致使CO 含量较高，从而导致燃烧反应速率及燃烧温度均较低，燃烧速度同样较慢。燃料在燃烧室中需有较长的逗留时间，因此必须增大火焰管的尺寸并改进燃烧室结构。

3 燃气-蒸汽联合循环装置在舰船上的应用

燃气轮机由于重量轻、体积小、机动性能好，近年来在国外舰船上已被逐步采用。但由于其油耗较高，在使用上仍受到一定的限制。而燃气-蒸汽联合循环装置可以较有效地提高燃气轮机的经济性，节约能源，因而已受到广泛重视。

舰船联合循环装置大规模的研究工作始于20 世纪70 年代，由于可以较大幅地降低能耗，世界上多个国家都曾对此制订了研究规划和发展计划。

燃气-蒸汽联合循环装置应用于舰船的优势有：①提高效率。相比单一舰用燃气轮机动力装置，燃气-蒸汽联合循环装置有着较高的效率，从而降低燃料消耗，提升舰船续航里程。②改善经济效益。联合循环装置的耗油率比简单循环燃气轮机低20%～25%，有些可超过30%，总功率也可以提高30%以上。

4 应用于舰船与电站的区别

（1）燃气-蒸汽联合循环装置在舰船上主要用作主推进动力装置，所以燃气轮机与汽轮机要先并车，然后再驱动螺桨［8］。由于机舱空间限制，燃气轮机和汽轮机的体积应尽可能小一些，汽轮机也以单缸为宜。

（2）在电站中，燃气-蒸汽联合循环装置有增压锅炉、余热锅炉、排气助燃等多种形式［9-10］，而在舰船上大都只采余热锅炉这类形式。余热锅炉将布置在燃气轮机排气道中，锅炉的重量和体积均应小一些，效率则尽可能高一些。要有足够的强度，烟气阻力却不希望太大，有时为满足舰船总体要求，宁可牺牲一些经济性。

（3）根据相关能源政策，在电站中，燃气-蒸汽联合循环装置应该尽量烧以煤为代表的固体燃料。而舰用燃气-蒸汽联合循环装置通常优先使用液体燃料，多以重油为主。

（4）在电站中，燃气-蒸汽联合循环装置的经济效益是首要目标，因而余热锅炉的排烟温度在不产生低温腐蚀的前提下应尽量低一些。热力系统允许复杂一些，例如考虑中间再热等。对所使用的材料要求也可以低一些，以便可随时更换。而在舰船上，要求系统尽量简单些，排烟温度不可太低，设备不能随时更换，对所用的材料要求也应更高一些。虽然经济效益很重要，但对于舰船而言，动力装置的安全可靠和机动性比电站更高。

（5）在发电用燃气-蒸汽联合循环装置中，汽轮机的功率选择应和燃气轮机在全工况运行时余热锅炉所能提供的蒸汽量相匹配。但在舰用燃气-蒸汽联合循环装置中，要根据舰船的性质和用途而定。民用船舶的情况和电站比较相似，但在军用舰艇上就明显不同。由于舰艇绝大部分时间运行在巡航工况，此时燃气轮机运行在低工况，为减少联合循环装置的体积和重量，汽轮机功率应与在巡航工况时余热锅炉所能提供的蒸汽量相匹配。当联合循环运行在高负荷时，宁可将多余部分的烟气旁通余热锅炉而直接排出。

（6）舰用燃气-蒸汽联合循环装置主要用于主推进动力。当燃气轮机在低工况运行时，热效率也随之降低，耗油率相应提高。余热锅炉的热能回收率也在逐步提高。这两个因素共同作用的结果是汽轮机功率在联合循环总功率中所占的比率不断增加，从而改善了燃气轮机的低工况性能。如燃气轮机继续在低工况下运行，负荷率持续降低，联合循环装置的总输出功率也会有所降低。当燃气轮机运行在低工况时，虽然其本身输出的功率较小，但燃气-蒸汽联合循环装置的总输出功率会明显更高，因而有可能高于舰船进出港口和特种作业时所需要的功率。这是在舰船上燃气-蒸汽联合循环装置在非设计工况下运行时所出现的特有问题。可以有多种途径解决上述问题，例如让汽轮机退出运行，并将余热锅炉产生的蒸汽迅速转入冷却减压装置然后通入热力系统中。还可以使蒸汽回路停止工作，使余热锅炉处于“干烧”状态。但一般情况下不建议余热锅炉长期干烧。

（7）由于在舰用燃气-蒸汽联合循环装置中，燃气轮机与汽轮机是通过机械系统联合在一起的，但其机动性和动态特性却不完全一致，因而在调节控制系统和传动装置的设计和操作运行中应作充分考虑。务必使联合循环装置在确保安全可运行的前提下，不降低或尽量少降低燃气轮机的机动性。对于军用舰艇而言，该点尤为重要。

（8）通常而言，燃气轮机是无法实现反向旋转的。对于发电站而言，该点并不构成问题。但对于舰用燃气-蒸汽联合循环装置，必须对该问题进行详尽考虑。该问题可通过变距桨、正倒车齿轮箱或倒顺液力偶合器等方式来解决。必须对两机间的运行方式进行周密考虑，以确保整个装置的可靠性和操纵性。

5 结论与展望

燃气-蒸汽联合循环装置以其较好的起动性、经济性，环保性，从而在火力发电及军用舰艇动力装置领域均有应用。考虑到其独到的优势，针对其开展的技术研究及试验验证仍有较为深远的意义。