燃气轮机及其联合循环发电技术介绍

燃气轮机及其联合循环发电技术介绍发电事业部机务室2014.7.11一、燃气轮机发展状况•燃气轮机（GasTurbine）是20世纪40年代兴起的一种新型动力机械，具有功率大、重量轻、尺寸小、起动快等优点。它先广泛应用于航空和宇航领域，随后迅速向能源（发电）、石化、冶金以及海陆交通等诸多领域发展。•先进的燃气轮机已普遍应用模块化结构。运输、安装、维修和更换都比较方便，而且广泛地应用了孔探仪，振动和温度监控、焰火保护等措施，其可靠性和可用率大为提高，指标已超过了蒸汽轮机电站的相应指标。•9E、9F级重型燃气轮机已在发电领域得到广泛地应用。GE和西门子公司都已研发了H级燃气轮机。其中GE公司基于空气冷却透平技术的9H级燃气轮机其联合循环效率约61%，联合循环出力可达到592MW。西门子公司全内空冷H级燃机单机出力约400MW，联合循环出力约600MW，效率也在60%以上，自2011年以来全球已投产9台，首台投产于德国巴伐利亚州。燃气轮机发展状况燃气轮机发展状况•在环保方面，由于燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净，未燃烧的碳氢化合物，CO、S0x，等排放物一般的都能够达到严格的环保标准，再结合应用注水或注蒸汽抑制燃烧、干式低NOX燃烧室，或者在排气管路中安装选择性催化还原装置(SCR)等技术措施，可使NOx的排放低至9ppm,满足最严格的环保要求。因此，燃气轮机发电机组，特别是燃气-蒸汽联合循环机组已作为基本负荷机组或备用机组得到了迅速的应用。燃气轮机发展状况•燃气轮机的应用发展现已提高到降低总能耗的高度，它是当前世界节能技术的主要发展方向之一。能量的分级利用与综合利用的全能量系统工程的概念被普遍重视，以热电联产及热动联供为核心的总能系统同样有广阔的前景，今后在能量转换过程的系统中，燃气轮机将占更重要的位置，并将大量采用燃气轮机总能系统。•现在世界上已有廿多个国家，一百多个企业生产近千种型号的燃气轮机，国内主要引进通用（GE）、西门子、三菱技术。二、燃气轮机组成及原理燃气轮机组成•1－压气机2－燃烧室3－透平4－轴承5－发电机燃机组成•燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。•附属系统和设备，包括：启动装置、燃料系统、润滑油系统、进气系统、排气系统等。•燃气轮机的主要优点是小而轻。单位功率的质量，重型燃气轮机一般为2～5千克/千瓦，而航机一般低于0.2千克/千瓦。9燃气轮机的结构燃气轮机转子结构11燃气轮机整体结构燃气轮机主要辅助模块•启动装置，指启动电机；•压气机清洗装置；•燃料前置模块，指天然气前置模块或燃油前置模块；•DLN模块；•润滑油辅助模块；•燃气轮机控制模块；•二氧化碳消防模块。燃气轮机简单循环原理（布雷登循环）•温比：涡轮前进口燃气温度与压气机进口气流温度的比值。•压比：压气机出口的气流压力与其进口的气流压力的比值。温度、压力对燃机出力及效率的影响温度、压力对燃机出力及效率的影响温度、压力对燃机出力及效率的影响•效率随温比升高而升高；对应温比有一个最佳压比；在提高燃气温度的同时，必须提高压比；•燃气轮机会在1650~1700℃而终止燃气初温的增长。•在转速、压比、燃气初温等条件均保持不变的情况下，大气压力对燃气轮机效率没有影响，但是影响到燃气轮机的功率。因为燃气轮机的功率与空气流量成正比，在温度不变的条件下，空气密度与大气压力成正比，因此燃气轮机功率与大气压力成正比。燃气轮机标准工况定义（ISO11086:1996）•燃气轮机的标准额定出力指燃气轮机在透平温度、转速、燃料、进气温度、压力和相对湿度、排气压力为标准参考条件，且处于新的和清洁状态下运行时的标准或保证的出力。•ISO工况定义：压气机进口压力为101.3kPa，温度15℃，相对湿度60%；用来冷却工质的冷却水或空气温度为15℃；标准气体燃料的H/C重量比为0.333，净比能为50000kJ/kg；标准燃料油的H/C重量比为0.1417，净比能为42000kJ/kg。燃机订货四工况•1.ISO工况：标况•2.性能考核工况（年均工况）•3.夏季工况：考核最小出力•4.冬季工况：选电机。•简单循环：依次由压缩、燃烧、膨胀过程组成的热力循环；•联合循环：燃气轮机循环与蒸汽或其他流体的朗肯循环相联合的热力循环；•燃料比能(热值)：总比能是单位质量的燃料燃烧时所释放的总热量，用kJ/kg表示，净比能是总比能减去燃烧过程中水分蒸发所吸收的热量，也用kJ/kg表示；•热耗率：每单位时间消耗的净燃料能量与输出的净功率的比值，单位是kJ/kWh；•热效率：净输出功率与基于燃料净比能的热消耗量之比。名词定义燃气轮机性能影响参数一览表单位基准值出力热耗率排气流量排气温度热耗压气机进口温度℃15√√√√√压气机进口相对湿度%60√√√√√转速rpm3000√√√√√燃料温度℃26.67√√--√进口压损mmH2O88.9√√√√√排气压损mmH2O127√√-√√大气压mbar1014√√√√√燃料成分-100%CH4√√√√√负荷比例--√√√-注：“√”表示有相应的修正曲线，“-”表示不适用，该表及以下性能曲线均是以GE9171E型燃机为例。主要性能修正曲线（环境温度-出力）主要性能修正曲线（环境温度-热耗率）主要性能修正曲线（环境湿度-出力）主要性能修正曲线（环境湿度-热耗率）主要性能修正曲线（进气压损-出力）主要性能修正曲线（进气压损-热耗率）主要性能修正曲线（排气压损-出力）主要性能修正曲线（排气压损-热耗率）主要性能修正曲线（大气压-出力）主要性能修正曲线（大气压-热耗率）三、燃气轮机主要制造厂商、型号及参数燃机主要生产厂商及型号•世界上能生产大容量、高效率并体现当今工业燃气轮机制造水平的厂家主要有GE公司、西门子公司、三菱公司和阿尔斯通。•当前国内主要有三种E级燃气轮机可生产，分别是南京汽轮电机有限公司引进GE技术生产的GEPG9171E型，上海电气集团引进西门子技术生产的SGT5-2000E型燃机和东方电气集团引进三菱技术生产的M701DA型燃机。•当前国内主要有三种F级燃气轮机可生产，分别是东方电气集团引进三菱公司的M701F3，F4机型；哈尔滨电气集团引进GE公司的PG9351FA机型；上海电气集团引进西门子公司的SGT5-4000F机型。燃机命名规则•GE公司可提供重型和航机改型燃气轮机以作发电和工业应用。重型燃气轮机有简单循环和回热循环，由五个系列组成:MS3002，MS5000，MS6001，MS7001和MS9000。有单轴和双轴结构，用于带动发电机发电或机械驱动。•机组中各代号的含义如下：•M5322•-----•(1)(2)(3)(4)•(1)用途:M-机械驱动;GD-发电设备;PG-箱装式发电设备•(2)系列号:3,5,6,7,9等相应表MS3002,MS5000,MS6001等的系列号•(3)输出功率:大致为几百、几千、或几万马力•(4)轴数:是单轴还是双轴(即1或2)燃机命名规则•西门子燃气轮机主要有3种系列:V64、V84、V94。•1)V表示燃气轮机;•2)V后的第一个数字表示转速,其中:6表示后带齿轮箱,可以拖动3000r/min或3600r/min的发电机;8表示直接拖动3600r/min的发电机;9表示直接拖动3000r/min的发电机。•3)V后的第二个数字代表压气机型号;•4)小数点之后数为产品改进的代数,其中:1表示•第一代改进产品;2表示第二代改进产品;3表示第三代改进产品。•5)A表示环形燃烧室。燃机命名规则•三菱生产M501D,M701F系•M50160HZ;M701,50HZ•D,F为E型,F型代号燃机命名规则•燃气-蒸汽联合循环产品系列的设备配置中，各种代号的含义规定如下。•以S2O9E为例:•S:联合循环,蒸汽与燃气的缩写•2：燃气轮机的台数•0：没有意义•9：燃气轮机系列号•E：燃气轮机型号•因此，S2O9E就表示配备2台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环电站；S109E就表示配备1台9000系列E型燃气轮机的燃气-蒸汽联合循环电站9E级燃气轮机主要技术条件GEPG9171E西门子SGT5-2000E三菱M701DA燃机标准热耗，kJ/kWh106411031411314燃机标准出力，MW126.75166.7140.3压气机级数及压比17级压比12.7516级压比约11.719级压比14透平级数344单循环发电效率，%31.1732.7929.89ISO工况排气流量，kg/s417.8525.5473.8排烟温度，℃543545542排气方向侧向排气轴向排气轴向排气SGT5-2000E剖面图GEPG9171E三菱M701DA9F级燃气轮机主要技术条件GEPG9351FA9FB.03西门子SGT5-4000F三菱M701F4燃机标准热耗，kJ/kWh9651934291149065燃机标准出力，MW261299MW~300MW318.30压气机级数及压比18级16.518级18.515级压比18.917级压比18透平级数3344透平入口温度~13271370~13201350~1400ISO工况排气流量，kg/s641667719727.1排烟温度，℃602634571597排气方向轴向排气轴向排气轴向排气轴向排气GEPG9351FAGEPG9371FB西门子SGT5-4000F四、联合循环发电技术联合循环发电技术联合循环发电技术的优点•较低的单位千瓦造价，金陵2882元/KW•建设周期短；•低排放，NOx25ppm；SO2及烟尘量与天然气成分有关，但很小，无需脱硫、除尘；•可靠性高；•联合循环热效率高，金陵工程纯凝工况51.12%。联合循环的型式一：燃气-蒸汽联合循环发电联合循环的型式二：燃气-蒸汽联合循环热电联产联合循环的型式三：燃气轮机+低压余热锅炉这种型式虽然配置了余热锅炉，但由于没有完整的朗肯循环，也被称为“简单循环”。联合循环机组热平衡图（GTPRO计算结果）余热锅炉型式余热锅炉岛构成•余热锅炉由省煤器（凝结水加热器）、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管簇和容器等组成。在省煤器中锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近于饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；•卧式余热锅炉：燃气水平地流过过热器、蒸发器、省煤器等，燃气呈“横向流动”,而与其相配的传热管束为垂直布置，并通常采用自然循环。•立式余热锅炉：锅炉中燃气由下向上顺序流过过热器、蒸发器、省煤器等，燃气呈“纵向流动”,与其相配的传热管束为水平布置。在蒸发段，借助循环泵把水压入蒸发器管束，形成了强制循环。余热锅炉岛构成•汽包•一体式除氧器•高、低压电动给水泵、凝结水再循环泵•烟囱，旁路烟囱•进出口消音器•烟囱出口挡板余热锅炉的参数•热端温差：热端温差是指过热器出口汽温与过热器入口烟温之间的温差。降低热端温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差，同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是说增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。•窄点温差：窄点温差是烟气与饱和水蒸汽温度差的最小点。窄点温差的选择对蒸发量的影响较大，它反映了余热锅炉的热能利用程度。窄点温差从经济性角度有一个基本选取原则，即存在一个受热面与窄点温差之间的平衡点。为了减少投资费用，窄点温差应取得大些；为了提高余热锅炉的热效率，窄点温差应取得小些。当窄点温差取得较小时，由于余热锅炉传热面积的增加幅度较大，锅炉的总投资费用就会增大很多。联合循环设备采购国际标准规定，单压(即只产生一种压力等级的蒸汽供汽轮机)余热锅炉的窄点温差为15℃；双压和三压(即产生2种或3种压力等级的蒸汽供汽轮机)余热锅炉为10℃。•接近点温差：接近点温差是省煤器出口水压下饱和温度和出口水温