摘要：近年来，我国燃气一蒸汽联合循环技术日趋成熟，燃气轮机的热效率和单机功率不断提高，这使得燃气轮机及其联合循环在我国电力系统中发挥的作用日益凸显，相较于普通电厂，燃气轮机联合循环电厂具有明显的优势，因此探讨燃气轮机联合循环电厂的优化设计，具有十分重要的现实意义。
关键词：燃气轮机；余热锅炉；设计
发电效率高以及环境污染小是燃气- 蒸汽联合循环机组的明显优势与特征。近些年来我国不断投入中、小型燃气- 蒸汽联合循环机组，注意国产机组也在上述范围涵盖之内，这种机组的综合优势可在这一过程中得到直观体现，其中还包括余热锅炉。现在我国科研人员不断提高对余热锅炉的重视程度，并在原有的基础上对其进行不断的深入研究促使其实现不断优化与完善与目标，进而促使余热锅炉的性质得以保障。
一、余热锅炉的特点
余热锅炉就是一个热交换器，与常规锅炉相比较后我们可以发现无补燃的余热锅炉具有相对简化的系统，没有燃烧系统及伴随燃烧的辅助设备，没有辐射换热及辐射换热相应的结构要求是其系统较为简化的主要原因。这要求我们在实际进行设计工作时必须实现对余热锅炉特点的充分考虑。
1、余热锅炉的边界条件。余热锅炉具有相对较多的边界条件，因此与常规锅炉相比在实际进行设计工作时需要受到更多条件的限制，这对优化设计工作的顺利开展带来一定难度。燃气轮机余热锅炉热源的主要来源，燃气轮机和蒸汽轮机所具备的共同特征就是定型以及标准。烟气参数的输出是燃气轮机不可避免的一部分内容，注意这一参数具备一定的确定性。温度T，流量VG 和压力PG 都可对其进行直观体现，烟气特点是余热锅炉所必须适应的一部分内容。需要注意的是余热锅炉的蒸汽参数也由蒸汽轮机来接受，其中主要包括温度t，流量D 和压力P，这对余热锅炉有一定的制约作用。所以我们说在实际对余热锅炉进行设计工作时两端边界条件都会对其造成一定的限制。
2、余热锅炉在低温烟气下工作。燃机的型号及容量会对燃气轮机排出烟气的温度造成直接影响，其温度一般会维持在500-550°C 范围之内。温差工作环境远远超过余热锅炉的传热。这对余热锅炉传热结构的特殊性提出一定要求。
3、高烟气余热利用率和工质循环的高效率。余热锅炉设计中，既要求余热锅炉烟气余热利用的高效率，又要求余热锅炉工质循环的高效率。余热锅炉中，没有空气预热器；而常规锅炉通常包括空气预热器，空气预热器加热空气的功能除了提高炉膛温度和燃烧效率外，还能调整锅炉的排烟温度，使锅炉有较高的给水温度和较低的排烟温度。线段ecfc 表示了空气预热器吸热量，以降低排烟热损失。空气预热器是常规锅炉获得较高效率和锅炉与汽轮机系统工质循环热效率的不可缺少部件。余热锅炉中则没有这样的部件来调节总体性能，但却要求达到余热利用效率和工质循环效率的优化。这既是余热锅炉的特点，也是设计难点，在余热锅炉优化设计中为达到高效和快速启动的目标，会影响有关技术参数的选择。
二、燃气轮机联合循环电厂的优化设计
燃气轮机联合循环电厂的优化设计比较复杂，其中涉及的因素较多，设计人员要着眼于提高机组的整体性能，而不是单一地提高蒸汽系统或燃气系统的性能。
1、燃气轮机的优化设计。作为余热锅炉型联合循环的主要部件，燃气轮机是决定燃气轮机联合循环电厂发电成本、供电效率和运行可用率的关键，对其进行优化设计主要考虑以下几个方面的因素：
（1）燃气轮机的热力性能特性。热力性能是燃气轮机发展应用的前提，燃气轮机在出厂时通常都会由厂家给出规定条件下的额定值，便于电厂进行合理的选择：当燃气轮机用于尖峰负荷和备用尖峰负荷时，厂家在对额定工况、变工况、启动情况和备用待机状况等情况下的热力性能和燃料耗量进行充分考虑后，优选加载加速性能较好和热效率较高的机型；当燃气轮机用于中间负荷和基本负荷时，厂家在确定适合拟用燃料后，优选热效率高和可用性高的机型。
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（2）燃气轮机的经济性。市场化进程的不断深入，使得电厂在燃气轮机选型时必须考虑到燃气轮机的价格。对于型号相同的燃气轮机，同一功率等级的前提下，效率较高的燃气轮机通常价格也比较昂贵，但是电厂收回投资的年限会相应缩短，消耗的能量较少且对环境比较友好，这就要求电厂从自身需求和资金雄厚程度进行综合考虑，选用适合的机型。
（3）燃气轮机的可用性、可靠性和可维护性。作为机组的RAM性能，可用性、可靠性和可维护性能够反映燃气轮机的设计、制造和运行服务等综合质量。不同用途时各个性能指标的重要性有着很大的差别，连续基本负荷机组比较重视可用性，尖峰负荷机组比较重视启动可靠性，这就要求电厂对RAM性能本身及其影响因素进行掌握，特别重视燃料类型、运行模式、品质控制和维修实施等因素对RAM的影响。
2、余热锅炉的优化设计。作为联合循环发电机组的主要部分，余热锅炉是根据燃气轮机型号规范、厂址条件和用户需求，通过优化设计制造的主要设备。按照汽水循环方式可分为：
（1）自然循环。自然循环锅炉的烟气水平流过垂直的管束，下降管向蒸发器管束中灌水，部分水在蒸发器管束中吸热转化为蒸汽，水和蒸汽的混合物经上升管进入锅筒，其优点是结构比较简单。
（2）直流锅炉。直流锅炉的给水在蒸发器中没有再循环，直接由省煤器进入蒸发器蒸发成饱和蒸汽后，进入到过热器进行过热。
（3）强制循环锅炉。强制循环锅炉的烟气是垂直流过水平管束，其优点是热惯性较小且占地面积少。
3、蒸汽系统的优化设计。作为提高联合循环机组性能的关键，蒸汽系统的优化设计至关重要，需要对系统流程和参数进行合理确定。按照系统压力、温度和流量蒸汽的要求，可将蒸汽系统的流程分为三压、三压再热循环、双压、双压再热和单压方案。在对蒸汽系统流程进行优化设计时，设计人员需要重点考虑与之匹配的燃气形式和参数以及用户的实际需求。
4、轴系配置的优化设计。按照轴系的配置，联合循环装置可分为多轴联合循环和单轴联合循环，其中多轴联合循环即燃气轮机和汽轮机分别拖动发电机运行，一般可以由一台或多台燃气轮机和一台蒸汽轮机组成；单轴联合循环即燃气轮机和汽轮机共同拖动一台发电机运行。联合循环轴系配置是决定机组效率和电厂结构的重要因素，对其进行优化设计重点要考虑如下因素：
（1）电厂建设的周期和投资。相较于多轴联合循环，单轴联合循环只需要一台发电机和相关的输变电设备，余热锅炉通常不需要加装旁通烟囱和挡板，设备造价较低，土建成本较小，同时建设周期比多轴联合循环短2～3个月。
（2）效率和功能。目前我国天然气价格较高，此时联合循环电厂的效率对于电厂的经济性至关重要。当承担的负荷不同时，单轴机组和多轴机组的效率有较大差异。当机组承担部分负荷时，单轴机组的燃机不能够带满负荷运行，这时会导致效率下降；多轴机组可以让一部分燃机保持较高的透平温度，而另一部分燃机停运，从而不影响联合循环的效率。此外，将3s离合器加装到单轴机组后，可以实现机组的快速启动，能够在较短的时间内带满负荷，因此目前已在大容量和高参数的联合循环机组中广泛应用。
总之，要想使联合循环获得较高的效率，提高电厂的经济效益，就必须对燃机和蒸汽系统进行合理选择和设计。燃气轮机联合循环电厂的设计是一项复杂的系统工程，除了考虑经济效益外，建设周期等因素的影响，根据电厂的实际需求和投资情况等进行最优化的设计。
参考文献：
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[3]何语平．天然气联合循环电厂对余热锅炉蒸汽系统的选择[J].中国电力，2014（2）
论文作者:高德忠
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：燃气轮机论文; 余热论文; 锅炉论文; 电厂论文; 机组论文; 蒸汽论文; 优化设计论文; 《电力设备》2019年第4期论文;