电站燃气轮机总体概况.doc

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1、电站燃气轮机总体概况第1节 燃气轮机简介1.1 燃气轮机的工作原理燃气轮机是一种动力机械，它主要是由压气机、燃烧室和透平这三大部件组成的。图1-1中给出了简单循环燃气轮机的工作原理图。1-压气机 2-燃烧室 3-透平 4-轴承 5-负荷图1-1 简单循环燃气轮机的工作原理图结合图1-1可以初步看出：在燃气轮机正常工作时，压气机从外界大气中吸入空气，把它压缩到一定的压力(温度也随着升高)，然后送到燃烧室中与喷入的燃料相混合，并燃烧成为高温的燃气。这股高温高压的燃气具有作功的能力，当它流经透平时，就会膨胀作功，推动透平带着压气机一起作高速旋转运动。这样，就能把燃料中的化学能，部分地转化成为机械功。

2、在透平中经过膨胀作功后的燃气，其温度和压力都降低了，它可以直接排向大气；也可以引入废热锅炉回收部分余热后，再排入大气。通常，燃气在透平中所作的机械功，大约有2/3左右被用来带动压气机，消耗在空气的压缩耗功上；而所剩的那部分功，则通过机组的输出轴，去带动外界的各种负荷。只要在机组启动成功后，连续不断地向燃烧室喷入燃料，并维持正常燃烧，那么上述这些过程，即压气机的吸气和压缩过程、燃烧室中燃料的燃烧过程、透平中燃气的膨胀作功过程，以及高温排气在大气中的自然放热过程，就会连续不断地进行下去。与此同时，燃料中的化学能也将部分地、连续不断地转化成为机械功。1.2 燃气轮机发展简介人们对燃气轮机的向往以久，

3、例如公元690年左右我国张遂曾用燃气激动铜轮；公元959年前后，我国已有走马灯的创造；1550年达芬奇(Leonardo da Vinci)也曾设计过利用壁炉烟道中的烟气来转动叶轮等。至于有意识地根据热力循环知识来设计燃气轮机的活动，约在十八世纪末年才开始。1900年前后，司徒尔兹(FStolze)、拉马尔(CLamale)和阿尔芒哥(RArmengaud)等人分别试验了一些燃气轮机，可是都不能发出功率，未获成功。燃气轮机工业是蒸汽轮机和航空发动机两大工业发展而来的。燃气轮机对压气机的要求比通用的透平压气机高，对燃烧室的要求比锅炉高，对透平的要求比蒸汽轮机高，因此三十年代以前虽经试验，但仍未获

4、得实用。第二个阶段是从燃气轮机初步试验成功，发展到制造出有工业价值的装置，前后花了约40年时间。在这个阶段中，工业较先进的欧洲开始在冶炼工艺和空气动力知识方面有了提高，而具备了生产燃气轮机的条件。1907年左右，法国涡轮机协会制造的燃气轮机获得了3%的效率。同时，霍尔兹瓦斯(HHolzwarth)设计了50马力等容燃烧式燃气轮机，它是第一台在工业上长期运转的装置。到1939年，BBC公司制成了第一台功率较大的发电用燃气轮机，这台4000kW装置的效率达到18%。同年Heinkel工厂的第一台涡轮喷气式发动机试飞成功。1940年BBC又制成了第一台燃气轮机车，功率为2200马力，效率达16%。第

5、三阶段是生产了第一代工业上实用的燃气轮机和喷气发动机，并积累了运行经验。在这个阶段中，燃气轮机工业和科学系统开始形成。在40年代后期，航空上涡轮喷气发动机由于比活塞式轻小、功率大，所以得到迅速发展，在军用飞机方面已达到了广泛的程度。第四阶段中，工业用燃气轮机在上述许多机组的设计及运行经验上研制出来。喷气发动机在航空工业基本上取代了活塞式发动机，并且大量的航空结构设计经验被这些工厂用到运输式及固定式燃气轮机上去。它非但对陆海用燃气轮机的改革和发展起了决定性引导作用，而且对蒸汽轮机和透平式压气机工业也起了带动作用。这些轻型结构的燃气轮机在同根据燃气轮机传统设计的重型结构燃气轮机的竞争过程中，到50

6、年代后期，占了优势。同一时期，自1950年Rover公司第一辆燃气轮机汽车行驶后，小功率燃气轮机获得了很大发展。由于小功率装置的技术周期比较短，较成熟的小功率燃气轮机也在这个阶段的后半期制造出来。60年代，轻型结构燃气轮机的经济性和可靠性经受了考验，并被众所公认。喷气发动机被成批地改装成陆海用装置，单机功率已达10万kW，在这种情况下，苏美英三国决策更新海军，使舰艇燃气轮机化。1965年美国又遇到东北电网大停电事故，损失惨重，因此各国电业界决定添建大批燃气轮机峰载应急发电机组。再加上输气、输油管线的建设以及中小功率燃气轮机的推广，故在60年代这十年中，陆海用燃气轮机功率总容量猛增至13倍，其中

7、大都以发展简单循环单轴、分轴机型为主。1970年，全世界陆海用燃气轮机达到了9500万马力，其中4500万马力用于发电，800万马力用于舰船。70年代，指标更高的新一代燃气轮机问世，实现了用电子计算机监视的遥控全自动化。透平进气温度近400，压比近30:1，开式简单循环燃气轮机效率高达36%，回热式效率高达38%，单机功率达11万kW，多台喷气发动机燃气发生器组装，各配或合配一台动力透平，驱动一台发电机时，功率可达1635万马力。进入80年代，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，特别是燃气-蒸气联合循环渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，燃气轮机及其联合循环在世界电

8、力系统中的地位就发生了明显的变化，它们不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷。1.3 燃气轮机的类型燃气轮机的类型很多，可以有不同的分类方法。(1)按循环方式1)开式循环燃气轮机，指实施开口热力循环的燃气轮机。因燃气轮机是以从大气中吸入的空气作为工质，经压缩机压缩后进入燃烧室，并与燃料混合燃烧形成燃气，燃气在涡轮中膨胀作功后又排入大气，故名。与闭式循环燃气轮机相比，具有结构简单，无需配置加热器和预冷器等设备，整台机组重量轻、尺寸小等优点；但对燃料品种的适应性差，通常均需燃用价昂的液体燃料和气体燃料，提高单机功率受到较大的限制，且机组有效效率较低。目前所使用的大多

9、数燃气轮机基本上都采用各种不同型式的开口循环。2)闭式循环燃气轮机，指实施闭口热力循环的燃气轮机。其特点是：工质(一般是空气)经压缩机压缩后，并不参与燃料的燃烧过程，而是在加热器(表面式换热器)内接受燃气的间接加热；工质在涡轮中膨胀作功后并不排入大气，而是被送入预冷器(另一表面式换热器)内接受冷却水的冷却，使其温度降低至压缩机原来的进口温度，然后再进入压缩机，如此循环不已。就工质所经历的过程而言是在完成一个闭口循环。整台燃气轮机的设备大为复杂。这种燃气轮机目前还只有少数试验性的机组，尚未广泛应用。3)简单循环燃气轮机，指依次进行单级压缩(指压缩过程无中间冷却)、定压(或近似定压)加热、单级膨胀

10、(指膨胀过程无中间再热)和定压放热诸过程的燃气轮机。其热力循环是燃气轮机中最简单的。具有设备简单、重量轻、尺寸小和造价低等优点；但热效率和比功较低。为改进其性能，需提高涡轮进口燃气初温和合理地选取压缩机的增压性能以及结构形式。它是目前应用最广泛的燃气轮机类型，常用于移动式电站、应急备用电站、大容量电力网的调峰机组、舰船和运输式动力装置、油田及海上钻井平台动力设备以及某些小功率轻型动力装置。4)复杂循环燃气轮机，泛指采用“回热”、“间冷”和“再热”等措施的燃气轮机。可能仅采用其中任何一种措施，也可能同时采用其中的几种措施。回热循环燃气轮机利用热交换器(亦称“回热器”)回收涡轮排气中的一部分余热，

11、来加热进入燃烧室之前的工质(这一过程称为“回热”)的燃气轮机。采用回热措施可提高燃气轮机效率，降低燃料消耗量，例如简单循环燃气轮机的有效效率可因此而提高2030%左右。但采用回热后，燃气轮机的结构大为复杂，整机重量和尺寸也随之显著增大。再热循环燃气轮机采用由单级压缩、定压加热、在多级膨胀过程中再次加热和定压放热诸过程组成循环的燃气轮机。由于结构过于复杂，大大削弱了燃气轮机的基本优点，致使其应用范围深受限制。间冷循环燃气轮机全称“在压缩过程中带有中间冷却的燃气轮机”。采用由带有中间冷却(通常为一次或两次)的绝热压缩、定压加热、绝热膨胀和定压放热诸过程组成循环的燃气轮机。其压缩过程采用中间冷却的目

12、的在于减少压缩功消耗，以提高机组的比功输出。(2)按轴数分1-压气机 2-燃烧室 3-高压透平 4-低压透平 5-齿轮箱图1-2 分轴燃气轮机的示意图1)单轴燃气轮机指涡轮与压缩机(或包括涡轮所带动的工作机械一起)同轴配置的燃气轮机。结构简单，造价较低。较适于带动转速恒定的工作机械(如交流发电机)，但承担部分负荷时有效效率显著降低；不适用于带螺旋桨式负荷(如舰船)和机械传动牵引式负荷(如汽车、机车等)。由于工作机械转速与燃气轮机转速之间难于匹配，单轴燃气轮机与工作机械之间往往需采用较大减速比的齿轮箱。2)双轴燃气轮机指带有两根转轴的燃气轮机。其涡轮包括不同轴的高压涡轮和低压涡轮，高压涡轮专门用

13、来带动压缩机，低压涡轮则对外承担负荷(见图1-2)。其中，压缩机、燃烧室和高压涡轮所组成的部分称为“燃气发生器”，它不输出功率，仅向低压涡轮提供一定压力和温度的燃气；低压涡轮则依靠燃气在其中膨胀作功，对外输出有效功率，因此亦称“动力涡轮”。双轴燃气轮机具有以下特点：(1)可改善燃气轮机在低负荷工况下的性能，使压缩机不易发生喘振；(2)燃气发生器与工作机械之间无机械联系，高压涡轮和压缩机可选用较高的转速以减小整台燃气轮机的尺寸；(3)起动时只需带动燃气发生器，可降低起动机功率；(4)在动力涡轮低转速运转时可产生较大的扭矩，故能适应牵引式负荷的要求；(5)在甩负荷时，动力涡轮容易超速，故应采取一定

14、的保护措施。双轴燃气轮机能适应各种不同类型的负荷，可用于带动发电机、螺旋桨、各种泵和压缩机等。3)三轴燃气轮机指带有三根转轴的燃气轮机。其涡轮包括不同轴的高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮，压缩机包括不同轴的低压压缩机和高压压缩机，低压涡轮对外输出有效功率。其中，由高、低压压缩机，燃烧室及高、低压涡轮所组成的部分称为“双轴燃气发生器”，它不输出功率，仅向低压涡轮提供一定压力和温度的燃气；低压涡轮则依靠燃气在其中膨胀作功，对外输出有效功率，因此亦称“动力涡轮”。随着燃气初温的提高，这样才能提高燃气轮机的效率。压缩机采用上诉传动方式的目的在变工况时不至于发生喘振。三轴燃气轮机是目前高参数(高燃气初温、高

15、增压比)，大、中功率燃气轮机所广泛采用的型式，它能较好地满足各种不同类型负荷的要求。(3)按用途分1)航空燃气轮机用于飞机的燃气轮发动机，也称燃气涡轮式航空发动机。按结构和工作性能的不同，有涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等多种形式。涡轮喷气发动机利用由尾喷管喷出的高速气流所产生的反作用力来推动飞机前进。由进气道、压缩机、燃烧室、涡轮和尾喷管等组成，主要有普通涡轮喷气发动机、双轴式涡轮喷气发动机和加力式涡轮喷气发动机三种，用于跨音速和超音速飞机。涡轮风扇发动机也称：双路式喷气发动机、内外函喷气发动机，装有能提高经过进气管道吸入的风扇，将增加压力后的空气流分出一部分

16、，使在外函喷管中膨胀加速，借以获得推动飞机前进的部分推力，另一部分空气则进入内函，经压缩机、燃烧室、涡轮和内函喷管后喷出产生另一部分推力。按其风扇、压缩机和涡轮的匹配方式有单轴式、双轴式、三轴式。涡轮风扇发动机主要用于高亚音速客机、运输机和轰炸机等。涡轮螺旋桨发动机。利用燃气涡轮带动螺旋桨产生的推力，以及燃气在尾喷管内膨胀加速产生的推力(占较次要的地位)的共同作用以推动飞机向前飞行。按压缩机与涡轮的匹配方式，也有单轴与双轴两种，用于亚音速(马赫数小于0.8)飞行时具有较好的经济性能。涡轮轴发动机。特点是以动力轴往外输出功率，工作原理与双轴燃气轮机相同，主要用于驱动直升飞机的螺旋桨。2)船用燃气

17、轮机亦称“舰船用燃气轮机”。用来驱动船舶推进装置(螺旋桨)的燃气轮机。船用燃气轮机基本上采用航空燃气轮机改型，其基本型式为双轴或三轴简单循环燃气轮机，并且还在研制蒸汽-燃气联合循环船用燃气轮机。3)陆用运输式燃气轮机简称“运输式燃气轮机”。赖以驱动陆用交通运输机械的一种燃气轮机。基本构造、工作原里与普通简单循环燃气轮机无异。所采用的基本机型为单轴(采用电力传动)或双轴简单循环燃气轮机。目前仅被用作机车或汽车的动力装置；但从长远来看，它将具有相当广阔的发展前途。4)电站燃气轮机。赖以驱动交流发电机发电的一种燃气轮机。其基本构造和工作原理与普通移动式燃气轮机无异，但燃气初参数较高，单机功率大，油耗

18、率稍低，热力系统和所采用的循环大多较复杂。5)生产流程燃气轮机全称“工业生产流程节能型燃气轮机”。指利用工业生产流程中所产生的可燃气体作为燃料的燃气轮机，也指利用工业生产流程中所产生的具有一定压力的气体在涡轮中膨胀作功的机组。6)原子能气轮机以铀或钚原子核在反应堆内借裂变反应产生的热能作为热源来加热工质(气体)的旋转式发动机。有单回路和双回路两种类型。单回路式总是采用闭式循环，工质(氦、氮等气体)经压缩机压缩后，导入回热器和反应堆吸收热量，然后进入涡轮膨胀作功，再经过回热器和预冷器冷却至原来压缩机的进口温度。如此循环不已。由于工质兼作反应堆冷却剂(即载热剂)，在选择工质时应保证反应堆工作的可靠

19、性和机组在核辐射作用下的安全性。双回路式的工质需通过热交换器从反应堆的一回路获取热量，常用氦、氮等气体或液态金属钠和钾等作为一回路的冷却剂。单回路原子能气轮机比较简单，重量轻，尺寸小，效率也较高；双回路原子能气轮机在技术上较为安全。原子能气轮机目前尚处于研制阶段，根据分析，它在交通运输装置(特别是舰船)上的性能将优于目前所使用的原子能汽轮机。第2节 世界电站燃气轮机的快速发展世界电站燃气轮机的快速发展是与电力工业中燃气-蒸汽联合循环的快速发展分不开的。电力工业的发展标志着一个国家的发达程度。自1979年我国执行改革开放政策以来，国民经济一直持续发展，人民的生活水平明显改善。但就一次能源消费总量

20、和发电量而言，都无法满足国民经济飞速发展的需要，甚至已成为制约经济发展的重要因素。因此，把优先发展能源产业，其中包括电力工业，必将成为我国一项长期的战略任务。就世界电力工业发展的历程来看，以往，人们主要是依靠燃煤的蒸汽轮机电站来实现发电目标的。在这个领域内，人们一直环绕着以下两大问题进行着卓越的工作，即：不断的提高燃煤电站的单机容量和供电效率；解决日益严重的因燃煤而造成的污染问题，以满足环境保护的要求。显然，改善燃煤蒸汽轮机电站供电效率的主要方向是：提高蒸汽的初参数并改进其热力循环系统的设计，也就是说，使主蒸汽的参数向亚临界、超临界、甚至超超临界的方向发展，同时采用多级的再热循环系统和热电联产

21、方案。目前，亚临界参数电站的供电效率为38%41.9%左右，超临界参数电站的供电效率为40%44.5%左右，而超超临界参数电站，即使达到表1-1所示的高参数条件，供电效率也只能实现表中所示的水平。表1-1 超超临界参数蒸汽轮机电站供电效率的预估值蒸汽压力/温度供 电 效 率30.0Mpa/600/62045.2%31.5Mpa/620/62045.6%35.0Mpa/700/72047.7% 表中的供电效率都是在蒸汽参数为27.0Mpa/585/600时，供电效率已达到44.5%高水平的基础上估算的。显然，要实现超超临界参数的效率水平，尚需进行大量的科学研究，它决非是指日可待的，困难不少。在解

22、决因燃煤而带来的污染问题方面，人们首先致力于解决粉尘的排放问题，进而向解决NOx和SOx的方向发展。目前，粉尘的排放问题基本上已获得比较满意的解决； NOx的问题已能在锅炉中改用“低NOx燃烧器”的方法得以控制。但是，无论是在“燃烧前”“燃烧中”或是“燃烧后”处理SOx的排放问题，都是很花钱的，许多方案都还在研究之中。目前，世界上在解决SOx的排放问题上用得最普遍的方法是采用尾气脱硫装置(FGD)。以前这种装置的费用很高，它大约要占全电站总投资费用的20%25%。运行费用也很昂贵，例如：我国四川珞璜2360MW机组的FGD的年运行费用就高达4000万人民币，而且，FGD的使用还将使电站的供电效

23、率下降1个百分点左右。现在，FGD装置的投资费用已降低到350元/KW左右，国内已在迅速推广。燃汽轮机是从本世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时机组的单机容量小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。60年代时欧美的大电网都曾发生过电网瞬时解列的大事故，这些事故促使人们加深了对电网中必须配备一定数量的燃气轮机发电机组的认识，因为燃气轮机具有快速“黑起动”的特性，它能保证电网运行的安全性和可恢复性。欧美国家的经验表明：从安全和调峰的目的出发，在电网中安装功率份额为8%12%的燃气轮机发电机组是合适的。然而，从80年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热

24、效率都有很大程度的提高，特别是燃气-蒸气联合循环渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位就发生了明显的变化，它们不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还能携带基本负荷和中间负荷。表1-2和表1-3中给出了目前已经生产的燃气轮机及其联合循环的性能参数。由此可见，燃气轮机的单机功率则已超过200MW，热效率已达39%以上；而联合循环的单机功率已达到400MW，供电效率则已超过60%，显然，从热力性能的角度看，它们完全可以承担基本负荷，而且比超超临界参数的燃煤轮机电站优越得多。表1-2 某些典型的燃气轮机发电机组的性能参数公司名称机组型号IS

25、O基本功率/MW压 比燃气初温/供电效率(%)单位售价/(美元/KW)GE发电站PG9231(EC)169.014.234.93183PG9231(FA)226.515.0128835.66188ABBGT13E2164.315.0126035.71210GT26240.030.037.79204Siemens(KWU)V64.3A70.016.6131036.81319V84.3A170.016.6131038.00V94.3A240.016.6131038.00198西 屋501G235.219.2142739.00180701F236.715.6134936.77187GE船用与工业LM

26、6000-PA41.229.6116039.78296R-R公司Trent51.1935.041.57304普 惠FT825.4220.3112138.13362三 菱701F237.416142736.5富 士V94.3A24016.638.0总的来说，燃气-蒸汽联合循环具有以下一些优点，即：供电效率远远超过燃煤的蒸汽轮机电站；在国外，交钥匙工程的比费用大约为500600美元/kW，它要比带有FGD的燃煤蒸汽轮机电站(11001400美元/kW)低很多；建设周期短，可以按“分阶段建设方针”建厂，资金利用最有效；用地用水都比较少；运行高度自动化，每天都能起停；运行的可用率高达85%95%；便于

27、快速“黑起动”；由于采用天然气或液体燃料，污染排放问题解决得很彻底，一般来说，无飞尘，SOx和NOx都很少，特别是在燃烧天然气时，还可以大大地减少CO2的排放量，如表1-4所示。当然，解决污染问题的功劳应归于所用的洁净燃料的特性。表1-3 某些联合循环发电机组的性能参数公司名称机组型号ISO基本功率/MW供电效率(%)所配燃气轮机的情况单位售价/(美元/KW)GE发电S-109EC259.653.51台MS9001ECS-109FA348.554.81台MS9001FA255S-209FA700.855.12台MS9001FA238ABBKA13E2-1241.652.51台13E2，双压蒸汽

28、轮机KA13E2-1244.253.01台13E2，三压蒸汽轮机282KA13E2-2490.853.32台13E2， 三压蒸汽轮机KA13E2-3737.353.43台13E2， 三压蒸汽轮机255KA13E2-4983.553.54台13E2， 三压蒸汽轮机KA26-1361.556.91台GT26262KA26-2725.957.12台GT26Siemens/KWUGUD1.94.2235.051.91台V94.2255GUD1S.94.3A354.057.21台V94.3A西 屋11 501F250.554.81台501F11 501G248.858.01台501G21 501G697

29、.658.02台501G 该机组尚在研制中。表1-4 燃用不同燃料时热力发电厂的CO2的排放情况项目燃料种类所需燃料的含C量燃烧后产生的CO2量发电时CO2的排放量kg/GJ相对值kg/GJ相对值发电效率(%)Kg/(MWh)相对值木 材褐 煤烟 煤重 油原 油天然气27.326.224.520.019.013.8112%108%100%82%78%56%1009690747051112%108%100%82%78%56%35373945393940501030935829718753716507405124%113%100%87%91%87%61%49% 远期采用超超临界参数的汽轮机发电机组

30、时。 采用燃气-蒸汽联合循环机组发电时。综上所述可以看出：在燃烧天然气或液体燃烧的前提下，无论在供电效率、比投资费用、发电成本、污染排放量以及运行维护的可靠性方面，燃气-蒸汽联合循环发电方式都要比有FGD的燃煤蒸汽电站优越，因而它越来越受到人们的青睐。在世界的发电容量中其所占的份额是明显地快速增长的。事实也正是如此：自70年代的能源危机以来，美国和西欧的一些政府都开始鼓励电力工业使用天然气，据不完全统计，到1990年底，全世界已经投入运行的烧天然气的联合循环发电机组的总功率为14019MW，1991年到1996年之间，投入运行的这种新机组容量的总和不会低于27400MW。而烧油和烧天然气的燃气

31、轮机及其联合循环的装机容量则已高达4亿kW。又据报导：自1987年开始，美国发电用燃气机的年总功率数已经超过了发电用蒸汽轮机的年生产总功率数。目前，全世界每年增加的发电容量中，有35%36%系采用燃气-蒸汽联合循环机组，而美国则为48%。这正是世界电力工业中大量使用烧油和烧天然气的燃气-蒸汽联合循环发电设备的实证。应该说；这也正是世界发电设备生产过程中出现的一次重大的历史性转折，它预示着今后烧天然气的联合循环的美好发展前景。然而，燃气-蒸汽联合循环毕竟是以烧天然气或液体燃料为前提的，它是否也能燃用常规的固体燃料煤呢？为了实现这个理想，从70年代开始人们就致力于研究开发燃煤的燃气-蒸汽联合循环的

32、各种方案，其中有一个所谓的“整体煤气化燃气-蒸汽联合循环”方案(简称IGCC)。它的设计思想是：使煤在高压、高强度、高效率的气化炉中气化成为中热值煤气或低热值煤气，进而通过洗涤和脱硫过程，把煤气中的微尘、硫化物、碱金属等杂质清除干净，最后，把洁净的人造煤气输送到燃气-蒸汽联合循环中去燃烧作功。显然，这种方案的供电效率一定会比烧天然气的联合循环者低一些，因为在人造煤气的制备过程中必然要损失一部分热能，同时还会增大电站的厂用电消耗。但是，只要设计得当，IGCC的供电效率预计在2010年前可以提高到50%52%，即：远远地大于超超临界参数的燃煤蒸汽轮机电站尚未实现的效率指标。其污染排放量则是各种洁净

33、煤发电技术中最低者之一，它只有美国NSPS标准中规定的极限排放量的10%30%，完全能够满足下一实际日益严格的环保质量的要求。目前，IGCC的单机容量已经做到300MW等级，可以适应规模经济的需要，运行可用率则与常规的燃煤蒸汽轮机电站相仿。主要缺陷是比投资费尚比较高，预计到2010年左右有可能下降到1000美元/kW的水平，到时才能大规模地进入市场。通过以上的综述和分析，不难看清：在今后世界电力工业的发展历程中，不论是烧天然气、液体燃料还是固体燃料煤，开发大容量的高效率的燃气轮机及其联合循环是一个必然的趋势，它既能节省世界上日趋紧张的能源资源，又能保护环境。燃气轮机及其联合循环的发电机组必将成

34、为世界电力工业中的一个重要组成部分，它的作用也将日益增升。因而可以毫不夸张的说：在世界范围的电力工业中，燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环正在异军突起。第3节 我国电站燃气轮机及其联合循环的发展前景燃气轮机及其联合循环已经成为世界电力工业的一个重要组成部分，并将获得飞速发展。显然，这一现实是以燃气轮机技术的日益成熟以及天然气和石油资源的广泛应用为前提的。表1-5中给出了1994年世界主要国家中一次能源消费的构成情况。由此可见，多数工业发达国家的一次能源消费中，以石油和天然气为主则是一个显著的特点，这正是世界范围内燃气轮机及其联合循环发展的基础。 然而，我国却是一个在一次能源的消费中以煤为主的国家，如

35、表1-5所示，1994年煤炭占75%，石油占17.4%，天然气仅占1.9%。也就是说，在目前我国是否也存在一个急需发展燃气轮机及其联合循环的形势呢？而且我国是否具备向燃气轮机及其联合循环提供足够的天然气或液体燃料的条件呢？我国的电力工业急需燃气轮机及其联合循环的现实是肯定的，2000年以来，广东新建了4座百万级的燃天然气的燃气蒸汽联合循环电厂，9E联合循环发电机组30多套。目前，还有多座大型燃天然气的燃气蒸汽联合循环电厂在计划建设中，燃用天然气的分布式能源站也将会得到发展。表1-5 1994年世界主要国家中一次能源消费的构成项目国别总消费Mtce石 油(%)天然气(%)煤 炭(%)核 电(%)

36、水 电(%)美 国中 国俄罗斯日 本德 国法 国加拿大英 国印 度意大利世界总计2898.001227.37949.43683.57476.00331.43317.86311.14303.43214.4311319.7139.817.424.556.240.639.035.737.731.861.540.126.31.950.411.318.311.928.528.27.427.223.024.375.019.617.128.96.111.223.257.38.527.28.60.43.814.711.740.012.510.60.607.21.05.32.31.30.53.012.00.32

37、.82.72.5 万吨标准煤。环境保护政策的制订也为促进燃气轮机及其联合循环在我国的使用提供了机会。目前，因煤炭的燃烧而造成的严重污染已经引起我国各界的关注。1995年8月29日我国政府公布了新修订的中华人民共和国大气污染防治法，1996年3月7日则发布了火电厂大气污染排放标准。在有天然气资源的条件下，以燃气轮机及其联合循环来改造燃煤电站不仅是节约能源，更是改造中心城市环境污染最简捷的途径。例如：自陕甘宁地区的天然气进京以来，在北京地区合理地使用燃气轮机及其联合循环来改造燃煤旧电站的工作，其部分原因也寄予此。那么，我国能有这么多的液体燃料或天然气供这些燃气轮机及其联合循环使用吗？当然，我国液体

38、燃料和天然气的供应形势是相当紧张的，例如；1995年我国天然气的总开采量只有170亿m3左右，并不充裕。但是，这几年来随着改革开放形势的发展以及我国油气田资源的勘察，天然气资源的开发前景已有一定程度的改观。例如：据公开报导得知：我国已与俄罗斯签订了两国政府关于共同建设天然气管道的协定。该协定实施后，每年将有200250亿m3的天然气从西伯利亚输往我国。此外，我国还拟从土库曼斯坦等中亚国家获取250亿m3/年的天然气；南海崖城13-1气田投产，每年开采量为34亿m3。其中27亿m3/年供香港Black point的2400MW的燃气-蒸汽联合循环电站使用；我国南海共有4个油气田(包括崖城)，总储

39、气量预计达30000亿m3；在新疆发现9个油气田，其中天然气的储量不少于2000亿m3；青海某油田发现大量天然气，估计储量为77亿m3；渤海湾发现大气田，可供天津稳定使用20年；东海发现较大的油气田，2000年前可稳定地供应天然气80亿m3，原油1000万t；陕甘宁油气田开始建设，总储量大约为30000亿m3；塔里木油田中埋藏着大约100亿t石油和80000亿m3的天然气；我国南沙群岛含天然气储量80000100000亿m3；我国将增加液化石油气的使用量，1998年的需要量会增至526万t/年；外商拟在我国南方沿海地区合资兴建液化天然气码头和储仓，深圳液化天然气接收站项目已开工建设，一期接收量

40、为370万吨，二期为200万吨。从以上公开的资料中可以看出：今后几年内我国天然气资源的供应情况将有一定程度的改善，它有三个方面的供应渠道，即：以天然气输气管道的形式，从前苏联地区进口天然气，其年进口量将超过1995年我国自产的天然气的总数量；从国外进口液化天然气，其引进的速度在不断加快，而其中的70% 左右将用于燃气-蒸汽联合循环发电；由沿海一带新开发的油气田向邻近的工业发达地区供应天然气。此外，我国西北地区天然气的资源很丰富，开发工作正在启动。当然，这些天然气首先该用来作为化工工业的原料气以及民用能源(因为它是最清洁的燃料，可借以缓解城市污染问题)，即使如此，倘若按天然气量的1/10来考虑供

41、燃气-蒸汽联合循环发电机组使用，那么，对燃气轮机及其联合循环功率数的需求就相当可观了。国家能源中长期发展规划纲要20042020年草案指出：解决我国能源问题要切实抓好8方面的工作，其中第二方面的工作就是大力调整和优化能源结构。如果到2020年，我国的一次能源构成中有10%是天然气，则一年超过2亿吨。利用天然气的燃气-蒸汽联合循环电站将会得到比较广泛的使用。第4节 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

42、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：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

43、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；使供电价格降低10%；把工业燃气轮机的效率在现有基础上相对提高15%；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；把上述技术用于燃煤的燃气-蒸汽联合循环(IGCC)；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；使上述成果于2002年进入市场。(2)技术措施：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

44、机组的功率；研究湿空气透平(HAT循环)；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36MW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：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；大大地减少NOx、CO和CxHy的排放量；为燃煤的IGCC提

45、供技术；在2006-2010年之间预期获利20亿美元。(5)市场估计：预期在20002010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266717444528N(2721645360kgf)的航空发动机为

46、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1-6 9331FA、9G和9H机组的性能对比 型号项目9331FA9G9H燃气初温/空气流量/kgs-1压缩