燃气—蒸汽联合循环发电简介

燃气—蒸汽联合循环发电简介天然气是绿色能源天然气的主要成分是甲烷（CH4），其分子由一个碳原子（C）与四个氢原子（H）组成。天然气无色、无味、无腐蚀性，天然气燃烧生成水（H2O）与二氧化碳（CO2），不产生灰、渣、二氧化硫等有害物质，天然气是世界公认的清洁能源。LNG就是液化天然气，液化后的天然气体积是气体形态的六百份之一，方便大量储存和远距离运输。采用LNG为原料，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术来发电的电厂称为燃气—蒸汽联合循环发电厂。采用天然气发电可大大减少对环境的污染，采用“燃气—蒸汽联合循环”技术发电，发电效率高达57%，燃煤电厂为40%左右，发同样的电能CO2排放量仅为燃煤电厂的40%左右。燃气—蒸汽联合循环发电系统的流程这是燃气—蒸汽联合循环发电系统设备与生产流程图，显示了天然气发电的主要流程。经过加热后的天然气进入燃气轮机的燃烧室，与压气机压入的高压空气混合燃烧，产生高温高压气流推动燃气轮机旋转做功。从燃气轮机排出的高温气体高达摄氏600度，进入余热锅炉把水加热成高温高压蒸汽。高温高压蒸汽推动蒸汽轮机旋转做功，将内能转换成机械能。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机的转轴相互连接，同轴旋转，实现燃气轮机、蒸汽轮机同时推动发电机旋转发电,这样的组合称为单轴系统。燃气轮机概述燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气叶轮旋转。下面是一台燃气轮机模型，通过它来了解燃气轮机的工作原理。模型的前端是空气进入口；环绕燃气轮机安装的是燃烧室；在燃烧室端面有天燃气的入口；燃气轮机的后面是燃烧后的高温气体排出口。把燃气轮机剖去1/4，可以看到内部的结构。燃气轮机由三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，内部一排排叶片是压气机叶片；中间部分是燃烧器段，围绕一圈的是燃烧室；右边部分是燃机透平，其中有透平叶片，右侧是燃气排出口。燃气轮机之压气机压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室。为了生成高压空气，压气机装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子,转子上的叶片称为动叶。在每两级动叶之间有一组静止的叶片（简称静叶），一组动叶与后面相邻的静叶，称为压气机的一个级。多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。燃气轮机启动时，先把发电机当作电动机带动压气机旋转，把空气压入燃烧区。燃机点火后，则逐渐转变至由透平带动压气机旋转压气。燃气轮机之燃烧室燃气轮机一般有十几个燃烧室，安装在燃机外围。下面展示一个燃烧室的剖面模型。燃烧室由外壳与火焰筒组成，在外壳端部有天然气入口，在火焰筒尾部联接过渡段，在燃烧室内装有燃料喷嘴。天然气通过燃烧室端部燃气入口进入燃烧室，喷入的天然气与压气机压入的空气在燃烧室火焰筒里混合燃烧。燃烧使气体体积剧烈膨胀，生成高温高压燃气从燃烧室过渡段喷出，进入透平做功。燃气轮机之透平燃气透平也称为燃气轮，从燃烧室喷出的高压燃气推动透平叶轮旋转，把燃气的内能转化为透平的机械能。燃气推动旋转的叶轮上的叶片称为动叶，在每级动叶的前方还安装一组静止的叶片（静叶），静叶起着喷嘴的作用，使气流以最佳方向喷向动叶。一组静叶加一组动叶为透平的一级。为了充分利用燃气的热能，透平一般为3级或4级。透平叶轮安装在透平转轴上构成透平转子。压气机转子与透平转子是安装在同一根转轴上，称为燃气轮机转子，透平旋转时也就带动压气机旋转工作。透平转子带动发电机发电，额定转速是每分钟3000转。下面是一台燃气轮机的剖面图。锅炉的基本原理下面是锅炉的原理模型图，模型包括上升管、汽包、下降管主要部件。上升管是由密集的管道排成的管簇，由上联箱、下联箱连成一体；上联箱通过汽水引入管连通汽包，汽包再通过下降管连到下联箱；上升管管簇、汽包、下降管构成了一个环路。上升管管簇在炉膛内，汽包与下降管在炉体外面。把水注入汽包，水便灌满上升管管簇与下降管，把水位控制在靠近汽包中部的位置。当高温燃气通过管簇外部时，管簇内的水被加热成汽水混合物。由于下降管中的水未受到加热，管簇内的汽水混合物密度比下降管中的水小，在下联箱形成压力差，推动上升管内的汽水混合物进入汽包，下降管中的水进入上升管，形成自然循环。上图是汽包（也称锅筒）结构示意图,汽包是水受热、蒸发、过热的重要枢纽，保证锅炉正常的水循环。上升管内的汽水混合物进入汽包后，通过汽水分离器分离成饱和蒸汽与水，饱和蒸汽通过汽包上方蒸汽出口输出；分离出的水与给水管注入的水再进入下降管。用来产生饱和蒸汽的上升管管簇称为蒸发器，电厂锅炉还有省煤器与过热器，它们都由管簇组成。进汽包的水先在省煤器加热，再通过汽包、下降管进入蒸发器，可以提高蒸发器的效率与锅炉的效率。蒸发器生成的饱和蒸汽经汽包输出，再进入过热器加热成过热蒸汽，用过热蒸汽推动蒸汽轮机运转能保证系统的高效与安全。余热锅炉的结构与流程从燃气轮机排出的气体温度高达摄氏600度，仍然具备很高的能量，把这些高温气体送到锅炉，把水加热成蒸汽去推动蒸汽轮机，带动发电机发电，可使发电容量与联合循环机组的热效率相对增高50%左右。这个靠燃气轮机排出气体的余热来产生蒸汽的锅炉称为余热锅炉。从外观上看锅炉主要有进口烟道、炉体、汽包、烟囱组成。炉体内有密集的管道，给水泵将要加热的水压进这些管道，燃气轮机排出的高温气体将管道内的水加热成高压蒸汽，下面就是余热锅炉的外观图。余热锅炉的结构余热锅炉本体采用模块化结构，以方便运输、安装。模块由管簇组成,是几十根管子组成的蛇形管组件,模块两端有上联箱与下联箱，是锅炉的受热部件，水在模块内被外部的高温气体加热。为了更好的传递热量，在管道外表焊上鳍片（也称肋片）来增大管道的传热面积，下图展示的是一小段焊有鳍片的管道。打开锅炉的侧壁，可看到内部装有多个模块，实际锅炉有近20个模块，其中多数是蒸发器、省煤器、过热器三类模块，除此还有再热器模块。余热锅炉汽水流程大型燃机电厂采用三压再热循环余热锅炉，汽水系统主要由低压、中压、高压三部分组成，可同时产生低压过热蒸汽、中压过热蒸汽、高压过热蒸汽，分别驱动低压汽轮机、中压汽轮机、高压汽轮机，可最充分的把燃气的热能转换成机械功。低压部分由低压省煤器、低压汽包、低压蒸发器、低压过热器组成。从凝结水泵来的冷水，通过低压省煤器预热后输入低压汽包，汽包下面连接着蒸发器，水在低压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到低压汽包。饱和蒸汽从低压汽包输出再通过低压过热器加热，产生低压过热蒸汽，用来驱动低压蒸汽轮机旋转做功。中压部分由中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器、中压过热器、再热器组成。通过低压汽包出来的水由中压给水泵注入中压省煤器继续加热，然后进入中压汽包，在中压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到中压汽包。从中压汽包输出的饱和蒸汽通过中压过热器加热，然后再与高压汽轮机排出来的蒸汽混合，一同经过再热器加热，产生中压再热蒸汽，用来驱动中压蒸汽轮机旋转做功。高压部分由高压省煤器、高压汽包、高压蒸发器、高压过热器组成。通过低压汽包出来的水由高压给水泵注入高压省煤器加热，然后进入高压汽包，在高压蒸发器内加热成饱和蒸汽上升到高压汽包。从高压汽包输出的饱和蒸汽通过高压过热器加热，产生高压过热蒸汽，用来驱动高压蒸汽轮机旋转做功。高中压汽轮机蒸汽轮机简称为汽轮机，也称为蒸汽透平机，蒸汽轮机的工作原理与燃机透平大体相同。大型燃机机组采用三压三缸双流式汽轮机，包含高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机。下面是一个高中压汽轮机模型，采用高中压合缸结构，在一个外缸内有高压汽缸（内缸）与中压汽缸（内缸），左边是高压汽缸，内装有高压汽轮机；右边是中压汽缸，内装有中压汽轮机，高压汽轮机与中压汽轮机共用同一根转轴。被蒸汽推动旋转的叶片是动叶,动叶安装在转轴上，构成转子。安装在汽缸内的叶片是静叶，起喷嘴的作用。一级动叶与一级静叶构成汽轮机的一个级。高压汽轮机由多级动叶与静叶组成，（本模型仅4级），中压汽轮机也由多级动叶与静叶组成（模型仅4级）。进入高压汽轮机的蒸汽压力约为每平方厘米100公斤，从高压蒸汽入口进入高压汽缸，推动动叶，使转子旋转，作功后的蒸气再从高压缸出口排出，通向再热器。进入中压汽轮机的蒸汽压力约为每平方厘米35公斤，从中压蒸汽入口进入中压汽缸，推动转子旋转，作功后的蒸气再从中压缸出口排出。低压汽轮机与凝汽器低压汽轮机与凝汽器组成一个整体，上方是低压汽轮机下方是凝汽器。低压汽轮机低压汽轮机采用双分流结构，在一个外壳（汽缸）内装有对称的两个低压汽轮机。每个汽轮机的转子有多级叶片（动叶加静叶），本模型仅4级。进入低压汽轮机的蒸汽压力为每平方厘米4.6公斤，从低压蒸汽入口进入后，分向两边汽缸，推动两个汽轮机的叶片轮旋转，作功后的蒸汽排到下方的凝汽器。凝汽器低压汽轮机排出的蒸汽已释放了绝大部分能量，但它来自高纯度的除盐水，不能排放浪费，在凝汽器把这些蒸汽冷却成凝结水，通过凝结水泵送往锅炉再利用。凝汽器就在蒸汽轮机下方，外壳与低压汽轮机汽缸连为一体。在凝汽器中排列着冷却水管，从一端到另一端，密集的冷却水管称为管束。管束的左端连通进口水室，右端连通出口水室。冷却水从进水管到进口水室，再进入管束，从管束中出来后通过出口水室的出水管流出。按一定规律排列的管束构成凝结区，低压汽轮机排出的蒸汽碰到管束凝结成水，流到下方热井，由凝结水泵送往锅炉。实际凝汽器的水室分布与管束排列并不都一样，管束非常密集，结构要复杂得多，管束要有良好的导热性能又要耐腐蚀。汽轮发电机结构发电机主要由转子与定子组成，由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。这是转子铁芯构造示意图，在铁芯圆周上开有一些槽，用来嵌放励磁绕组，在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿，就是磁极。由于转子圆周上没有凸出的磁极，称之为隐极式转子。在转子槽中嵌入励磁绕组，励磁绕组两端通过集电环（滑环）接到励磁电源，在转子圆周两侧就形成北极与南极，旋转时就产生旋转磁场。为嵌有励磁绕组的转子模型，为降低发电机的温度，在转子两端还装有风扇。定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽，用来嵌放定子绕组。在槽内嵌放定子的三相绕组。每相绕组由多个线圈组成，按一定规律对称排列。定子固定在发电机的机座（外壳）内，转子插在定子内部，转子由机座两端的轴承支撑，可在定子内自由旋转。集电环在机壳外侧，和碳刷架一同装在隔音罩内。在发电机外壳下方有发电机出线盒，发出的三相交流电从这里引出。主变压器为了远距离输送电力，电网的电压很高，一般在22万伏至50万伏。发电机输出的电压为2万伏，需通过变压器升高至电网电压才能并网输送。电厂里把发电机输出电压升高为电网电压的变压器称为主变压器。去掉变压器外壳可看到是一个三相变压器，由铁芯与绕组组成。左边是低压输入端，右边是高压输出端。输入端通过低压绝缘套管通往变压器外，输出端通过高压绝缘套管通往变压器外。因为高压端电压很高，为减小因灰尘与雨水引起的漏电，绝缘套管较长。在变压器油箱（即外壳）里灌满变压器油，铁芯与绕组就浸在油里。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕与之相通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油。为保证变压器的散热，大型变压器还装有变压器油冷却器。冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管，由风扇的冷风使其迅速降温。油泵将冷却的油再打入油箱内。每一台发电机配一台主变压器，安装在厂房外靠发电机一侧。系统布置燃气轮机、蒸汽轮机、发电机、余热锅炉四种主要设备组成了燃气—蒸汽联合循环发电系统，实际上这四种设备的组合布置有多种方式，但主要的分类方式是按轴系布置来分，一种是多轴布置方案，一种是单轴布置方案。多轴布置下面是一套多轴布置系统流程示意图，所谓