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摘要：随着社会的发展和科技的进步，我国的燃气蒸汽联合循环发电技术不断发展，燃气轮机制造国产化率进一步提高，同时，气电的发展对能源结构调整意义重大。本文详细阐述了燃气蒸汽联合循环发电技术和效率影响因素，并结合实例进行了探讨，值得相关技术人员借鉴与学习。
关键词：燃气蒸汽联合循环；发电技术；应用
前言
随着我国天然气资源的大规模开发利用以及越来越严格的环保标准，我国陆续建成投产了多台燃气轮机发电机组，在满足电力需求的同时，创造了良好的社会效益和经济效益。目前就世界范围而言，燃气轮机发电已是电力结构中的重要组成部分，对推动经济和社会可持续发展发挥着重要作用。
1 燃气轮机发电的优点
与常规燃煤发电相比，燃气轮机发电具有以下优势：
1.1 燃气轮机发电机组系统简单，结构紧凑，体积小，重量轻。因此，运输、安装、维修方便；工程总造价低，投资省。
1.2 燃气蒸汽联合循环热效率高，大大超过常规燃煤电厂。
1.3 污染排放量小，无论燃用天然气，还是燃用合成煤气，都能满足最严格的环保标准要求。燃气轮机的燃烧效率高，未燃烧的碳氢化合物、CO排放量低；我国管道天然气采用了脱硫措施，燃气轮机的S0x排放量极低；通过采用注水或蒸汽抑制燃烧、采用干式低NOx燃烧室、或者在排气管路中安装脱销装置等技术措施，可使NOx的排放满足环保要求；同时，燃气轮机的碳排放也较常规燃煤电厂低很多。
1.4 用地较少。燃气电厂无需煤场、输煤系统、除灰渣系统等，所以，燃气电厂占地只有同容量常规燃煤电厂的20%-40%，建筑面积也只有常规燃煤电厂的20%。
1.5 用水量较少。燃气轮机仅需要少量冷却水，其用水量仅为同容量常规燃煤电厂的2%-10%的，联合循环也只需同容量常规燃煤电厂的1/2左右。
1.6启动迅速，运行自动化程度高，燃气轮机可实现一键启停。燃气轮机从启动到带满负荷运行，一般只需要30分钟左右即可并网发电，如果包括后面的蒸汽轮机的热态启动，总需时间只有60分钟左右。因此，燃气电厂是城市电网紧急备用及调峰的最佳选择。
1.7 建厂周期短，项目可分期投产。先进的燃气轮机已普遍采用模块化结构，便于运输、安装和维修。还可分单循环和联合循环两期建设，建厂周期短。
2 燃气轮机装置的工作过程
燃气轮机是以连续流动的燃气为工质、将燃料的化学能转变为转子机械能的内燃式动力机械，是一种旋转式热力发动机。燃气轮机装置主要由压气机、燃烧室、透平三大部件及控制系统、辅助设备组成。压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩；压缩空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧，产生高温燃气；然后燃气进入透平膨胀做功；透平排气可直接排到大气，对外界环境放热，也可通过换热设备放热以回收利用部分余热。工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热四个工作过程完成一个热力循环，进行能量转换。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平来带动的，它是透平的负载，在简单循环中，透平的机械能有1/2左右用来带动压气机，其余的1/2左右的机械能用来驱动发电机。
3 影响燃气轮机组热效率的因素
除了燃气轮机组本身设备的设计制造水平能够影响燃气轮机组的热效率之外，采用燃气蒸汽联合循环运行方式是提高循环效率的最有效途径。
联合循环运行技术起初是由美国科技人员研发出来的。联合循环的主要原理就是采用了两套独立工作的动力系统——燃气和蒸汽循环系统进行能量的转换，具体的工作状态就是燃气机首先进行工作，在运行过程中高温燃气推动燃气轮机转子转动带动发电机发电；产生的高温排气送入余热锅炉，产生的高温高压蒸汽驱动汽轮机做功，带动发电机发电。较之燃气的简单循环，通过联合循环，蒸汽循环系统利用了燃气机组高温排气余热，使得机组热效率大大提高。
同时，在燃气轮机组透平入口温度一定的情况下，联合循环中还存在着一个系统参数优化的问题，优化的主要方面就是对机组循环温度的选择（如透平排气温度、蒸汽初温以及再热温度），温度是影响燃气循环和蒸汽循环效率的主要因素，而联合循环机组的综合效率又和联合循环运行模式结合在一起，三者的关系必须处在一个动态平衡的状态，才能保证联合循环机组运行效率和经济性的最大化。
在蒸汽循环中，采用三压、再热循环，以及热电联产的方式，是提高循环效率的有效途径。
4 燃气蒸汽联合循环机组举例分析
工业重型燃气轮机厂家主要有：西门子、GE、三菱以及安萨尔多。鉴于其各自的发展历程，安萨尔多与西门子燃气轮机、GE与三菱燃气轮机分别为一个技术路线。本文就燃气轮机两个不同技术路线，分别举例。
4.1 三菱J系列燃气轮机
三菱J系列燃气轮机是世界首台透平进气温度达1600℃的燃气轮机，联合循环效率超过61.5%。燃气轮机冷端驱动、轴排气、双轴承支撑、环管型燃烧室、气缸水平中分、现场拆卸叶片无需移出转子。
压气机15级，压比23:1。除了使用进气可调导叶（IGV）调节进气流量外，压气机前3级静叶也可调（VSV）。部分负荷运行时，前三级VSV与IGV联动，可降低压气机进气量使透平保持相对较高的排气温度以提高HRSG的蒸汽流量，提高部分负荷时联合循环效率。
燃烧器使用空气冷却，冷却空气在燃烧器内助燃。尽管透平进气温度达1600℃， J型燃气轮机的超低NOx燃烧室仍有效限制排放量，且影响可靠性的燃烧振动、内筒和尾筒的金属温度都在上限值以下。不使用催化剂情况下，NOx低于25ppm，CO低于9ppm。
J型燃气轮机的透平有4级叶片。基于费效比，第1级动静叶片仍使用定向结晶合金而非1600℃下常用的单晶合金。透平第一级叶片的冷却，经过试验和评估后选出的最佳形状的空气冷却孔，效率比传统几何形状的冷却孔高出25%左右。
4.2 安萨尔多-上海电气F型燃气轮机
由安萨尔多-上海电气生产的F型燃气轮机采用冷端驱动，它包括一个15级、压比20:1压气机， 4级透平，环形燃烧室和24个干式低NOX燃烧器及相关辅助设备组成。在ISO工况下机组联合循环出力480MW，效率59.5%；简单循环出力325MW，效率40.1%。
压气机前两级静叶可调。
燃烧器采用了一种完全对称和紧凑的设计，可以很好地降低压损。为了达到低NOX排放，采用预混燃烧器。燃气预混模式下，燃气被加入以供燃烧并且和进入到燃烧区域的空气马上混合。预混模式期间通过一小股扩散值班火焰来提高预混火焰的稳定性。NOx排放(15%O2,干式) <50mg/Nm3。
透平进口温度约1300°C，除了最后一级动叶，其他所有的透平动静叶都采用了空气冷却，冷却空气是从压气机侧不同温度和压力的抽气点抽取的。为了在不增加外部空冷系统的情况下提高冷却效果，广泛采用了气膜冷却。
燃气轮机后面的蒸汽循环，主要包括余热锅炉、蒸汽轮机及发电机，技术与常规火电机组基本类似。
结束语
综上所述，随着天然气资源的不断开发、燃气发电技术的逐步成熟，为不断提高我国的综合实力，必须重视燃气蒸汽联合循环发电技术在国民经济发展中的作用，适度发展气电，推动经济和社会可持续发展。
参考文献：
[1]王如房.浅谈燃气轮机发电机组的现状及发展趋势[J].能源与节能，2012（10）.
[2]孙喜春．关于发展燃气-蒸汽联合循环发电的探讨[J]．企业技术开发，2012，（14）
论文作者:朱本岱
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/16
标签：燃气轮机论文; 燃气论文; 蒸汽论文; 机组论文; 电厂论文; 燃烧室论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第32期论文;