1、第第5章章 聯合循環聯合循環 要求要求: 1、了解聯合循環的基本概念；熟悉聯合循環的循環特點。2、掌握整體煤氣化和增壓流化床聯合循環的熱效率計算5.1 概述概述5.1.1 聯合循環的概念聯合循環的概念 燃氣輪機平均吸熱溫度較高，進氣溫度達到1150左右，而排氣溫度也較高，在450600之間，使之大量的熱量排入大氣。該裝置熱效率在36%左右，蒸汽輪機進汽溫度不可能很高，但是燃氣動力循環具有一個明顯的優點，那就是其循環放熱的溫度很低，一般為3038，其裝置熱效率也不會超過42%。要提高動力循環的熱效率，可以利用燃氣輪機循環吸熱平均溫度高和蒸汽輪機循環放熱平均溫度低的特點，把這兩種循環聯合起來組成燃

2、氣燃氣-蒸汽聯合循環蒸汽聯合循環，其熱效率將大大提高。 第第5章章 聯合循環聯合循環 5.1.2 聯合循環的優越性聯合循環的優越性 燃氣-蒸汽聯合循環的優點：1、可以提高電站熱經濟性。 2、減少環境污染。3、投資和運行費用低。 4、適用于少水與缺電地區。5、運行高度自動化、啟停迅速。 5.1.3 聯合循環的發展情況聯合循環的發展情況 1、國外燃氣-蒸汽聯合循環的發展。2、我國燃氣-蒸汽聯合循環發展情況。5.1.4 燃氣燃氣- -蒸汽聯合循環發展趨勢蒸汽聯合循環發展趨勢 美國制訂的ATS計劃和GAGT計劃的總體設想：1、目標 2、技術措施3、在燃煤技術方面 4、最終得益的估計第第5章章 聯合循環

3、聯合循環 5.2 聯合循環的基本型式聯合循環的基本型式 燃氣-蒸汽聯合循環可分為：（1）余熱鍋爐聯合循環； （2）補燃余熱鍋爐聯合循環；（3）增壓鍋爐聯合循環； 5.2.1 不補燃的余熱鍋爐聯合循環系統不補燃的余熱鍋爐聯合循環系統空氣余熱鍋爐燃料壓氣機發電機發電機汽輪機凝汽器【原理】把燃氣輪機排氣送入余熱鍋爐加熱水，生產過熱水蒸汽；水蒸汽引入汽輪機中做功發電，汽輪機排氣再進入凝汽器中放熱。既增加了功率總輸出，又利用了燃氣輪機余熱。燃氣輪機第第5章章 聯合循環聯合循環 不補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯合循環主要優點有：（1）熱能轉換效率高。（2）基本投資費用低，結構簡單，鍋爐和廠房都很小。（3）運

4、行可靠性高。（4）起動快。圖示為不補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯合循環溫熵圖。0sT11353212116498710【循環過程】1-2為空氣在壓氣機中的壓縮過程；2-3為空氣和燃料在燃燒室內的燃燒過程；3-4為燃氣在燃氣輪機中的膨脹做功過程；4-5為煤氣輪機T-s圖第第5章章 聯合循環聯合循環 5.2.2 有補燃的余熱鍋爐型聯合循環系統有補燃的余熱鍋爐型聯合循環系統空氣余熱鍋爐燃料壓氣機發電機發電機汽輪機凝汽器補燃燃燒器燃氣輪機燃料【原理】除燃氣輪機排氣引入鍋爐外，還可補充部分燃料引入燃燒，使之汽輪機的容量增大。排氣放熱過程；6-11為給水壓縮過程；11-9為水及水蒸汽吸熱過程；9-10為水蒸

5、汽在汽輪機中做功過程；10-6為汽輪機排汽冷凝放熱過程。顯然，聯合循環的實質就是把燃氣輪機的“布雷頓循環”與蒸汽輪機的“朗肯循環”疊加一起，組合成一個總的循環系統。第第5章章 聯合循環聯合循環 有補燃的聯合循環的主要優點：（1）裝置的尺寸小、占地少、投資低。（2）運行機動性好。（3）部分負荷工況下的裝置熱效率比較高。（4）在余熱鍋爐中可以燒煤或其它劣質燃料。（5）蒸汽參數不受燃氣輪機排氣溫度的限制。 5.2.3 增壓鍋爐型聯合循環增壓鍋爐型聯合循環燃氣輪機發電機汽輪機凝汽器發電機排氣換熱器空氣壓氣機燃料增壓鍋爐【特點】以壓氣機取代送風機，空氣經壓縮為0.61MPa后，引入增壓鍋爐，將增壓鍋爐和

6、燃氣輪機的燃燒室后二為一。由于增壓鍋爐的排氣需要通過燃氣輪機，因而增壓鍋爐中只能燃燒液體燃燒或天然氣，而不能直接燒煤。 第第5章章 聯合循環聯合循環 5.2.4 程氏雙流體循環程氏雙流體循環 程氏雙流體循環也是一種燃氣-蒸汽聯合循環。 G空氣 15101kPa14.63kg/s燃料補給水15101kPa2.28kg/s504105kPa17.24kg/s3541159kPa14.63kg/s9821117kPa17.24kg/s水蒸汽4771276kPa2.28kg/s排氣149101kPa17.24kg/s1654327該循環中燃氣與蒸汽是在同一臺燃氣輪機中膨脹做功的。有兩種流體-燃氣和蒸汽

7、一起流經燃氣輪機，因此起名為雙流體循環。 程氏雙流體循環的主體設備與余熱鍋爐型-蒸汽聯合循環非常相近，但也有以下幾點原則性的差別：幾點原則性的差別：(1)不再配置蒸汽輪機和凝汽器等設備。第第5章章 聯合循環聯合循環 (2)由余熱鍋爐提供的全部或部分蒸汽還要在蒸汽輪機燃燒室中進一步加熱到與燃氣輪機前的初溫相同的水平，即過熱蒸汽的溫度一定要比常規的蒸汽輪機中所承受的溫度高的多。這種高溫過熱蒸汽的作功，為提高整個循環的熱功轉換效率提供了條件。(3)由于蒸汽膨脹后經余熱鍋爐直接排向大氣的，即蒸汽的膨脹背壓比采用凝汽器時高很多，這限定了蒸汽作功能力的充分發揮。(4)由于蒸汽連續不斷地排向大氣難于回收，這

8、就需要向余熱鍋爐大量地補水，補充水的處理設備必然龐大，耗費是昂貴的。 5.3 聯合循環性能的理論分析聯合循環性能的理論分析5.3.1 聯合循環熱效率計算聯合循環熱效率計算 1、燃氣輪機的能量平衡圖示(5.11)為常規有有補燃的余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯合循環系統。第第5章章 聯合循環聯合循環 燃氣輪機的能量平衡式為：GG104Q1Pst57QA2QsuQc1Q0866108QA3Q1Qc2112134PGTQs2Qs1Qs3Qs4余熱鍋爐型聯合循環系統圖 1-壓氣機；2-燃燒室；3-燃氣透平；4-發電機；5-余熱鍋爐；6-蒸汽透平；7-凝汽器；8-給水加熱器；9-除氧器；10-水泵；11-空氣冷卻

9、器。2c1c1A0GT1r01QQQPQQ+=+燃氣輪機的發電功率為：GgGm0GTGTPP=燃氣輪機裝置的循環效率為： 00GT0GTQP=2、余熱鍋爐能量平衡式： 2A4srh1s1wsu1cQQQQQQQ+=+2s3srhQQQ=而： 第第5章章 聯合循環聯合循環 3、蒸汽輪機的能量平衡3A1w0st4srh1sQQPQQQ+=+蒸汽輪機的發電功率為： SgSm0STSTPP=蒸汽輪機的發電功率為： rh1w4s1s0ST0STQQQQP+=4、聯合循環熱效率(1)有補燃的聯合循環熱效率：(2)無補燃的聯合循環熱效率：常規無補燃的聯合循環的發電效率：常規無補燃的聯合循環的供電效率：(3)

10、聯合循環的功率比：就是蒸汽輪機的發電功率與燃氣輪機的發電功率的比值。 即：A1C)A1(Q)QQQQ(Q)A1(QPP0ST0GT00STrh1w4s1s0GT000ST0GTcof+=+=+=STGTecoC+=)C)(-1(STGTeco+=0GT0ST0GT0ST/CP/P=第第5章章 聯合循環聯合循環 5.3.2 各種參數的選擇各種參數的選擇 當Qc2=0，QA1=0時，有補燃時的功率比：GTSTh0GT2r2rGTST)-(APP+=無補燃時的功率比：GTSTh0GT2rGTST)-(PP=聯合循環的發電效率為：A1)P/P1(GTGTSTecof+=聯合循環的供電效率為：A1)P/

11、P1( )-1(GTGTSTecof+=1、r1與r2的選擇：通常99.095.0995.096.02r1r=，2、GT與ST的選擇：3、補燃比r值的選擇：(1)補燃對效率的影響：第第5章章 聯合循環聯合循環 無補燃時聯合的發電效率：將式(5.14b)減去式(5.22)得到：STh0GT1rGTeco)-(+=結論：只有當r2STeco時，補燃才是有利的，此時增大余熱鍋爐中補燃比r，eco增加，發電效率提高。(2)最佳補燃比r的選擇：采用補燃的燃氣-蒸汽聯合循環效率與r有關。假定燃氣定壓比熱不變時，余熱鍋爐效率為：1g4g1rTT-1=當r增加時，Tg1增加，而Tg4下降，因此r2將隨著補燃比

12、r的增加而增加。(3)補燃條件：余熱鍋爐中是否采用補燃，除了要考慮補燃對發電效率的影響外，還要考慮燃氣輪機排氣中所含的剩余氧氣含量以及排氣溫度。第第5章章 聯合循環聯合循環 4、Gm與Gg的選擇：通常，995.097.0Gm=98. 095. 0Gg。98.095.0Gg=5、h的選擇：可以近似認為：en1g4g1ghT-TT-T =范圍內變化?？稍?，則一般可取%90%60K453353Th4g=6、廠用電率值的確定：在大功率時，=1.5%2.0%，較小功率時， =3%4%。6、功率比的確定：功率比是指燃氣輪機的汽輪機容量的比例。燃氣鍋爐功率大于汽輪機功率，用余熱鍋爐，反之用助燃鍋爐。5.3.

13、3 小結小結5.4 整體煤氣化聯合循環整體煤氣化聯合循環(IGCC)5.4.1 概述概述 IGCC：先將煤變成干凈的煤氣，然后進行燃氣-蒸汽聯合循環。第第5章章 聯合循環聯合循環 98. 095. 0Gg5.4.2 IGCC熱力發電系統熱力發電系統 IGCC組成：(1)煤的貯運、預處理、制備和供給系統；(2)煤的氣化系統；(3)粗煤氣的除灰系統；(4)粗煤氣的脫硫系統；(5)粗煤氣顯熱的利用系統；(6)燃氣-蒸汽發電系統；(7)空分制氧系統；(8)煤渣的處理系統以及廢水的處理系統。 圖5.13為整體煤氣化聯合循環(IGCC)系統簡圖。 5.4.3 IGCC熱效率計算熱效率計算 燃氣輪機功率為：

14、 3600/QPGTGTGT=汽輪機功率有兩部分，一部分是燃氣輪機排氣熱能經余熱鍋爐產生蒸汽的做功部分，而另一部分是在正壓爐中分產熱能產生蒸汽的做功部分：因此，扣除廠用電率便可得到燃煤IGCC綜合熱效率的公式：3600/QQ)-1(PSTST2rGTGTST+=第第5章章 聯合循環聯合循環 98. 095. 0GgdwSTST2rGTGTGTtBQ)-1(Q)-1(Q+=5.4.4 美國美國Cool Water IGCC 示范電站示范電站 圖5.14為冷水電站IGCC方案的工藝流程圖。這套系統中有兩臺以水煤漿為燃料的噴流床氣化爐(Texaco-德士古爐)，一臺為主氣化爐，一臺為備用的激冷式氣化

15、爐。工作過程工作過程：(1)60%的水煤漿主氣化爐煤氣；(2)煤氣+灰渣輻射冷卻器飽和蒸汽；(3)冷卻的煤氣對流冷卻器水蒸汽；(4)兩股飽和水蒸汽余熱鍋爐過熱水蒸汽；(5)熱煤氣氣化爐底冷卻水池炭粒質點洗滌器；(6)煤氣冷卻降溫Selexol脫硫裝置脫硫。5.4.5 IGCC系統的特點系統的特點1、IGCC的優點：的優點：第第5章章 聯合循環聯合循環 98. 095. 0Gg(1)具有提高供電效率的最大潛在能力。(2)單機容量可做到300-400MW，便于實現規模經濟的效應。(3)基本技術已趨于成熟，已具備轉入商業運行的條件。(4)污染問題徹底解決，能滿足日益嚴格的環保標準的要求。(5)耗水較

16、少，宜于缺水的地區和礦區建設坑口電站。(6)燒煤后的廢物處理量小，副產品元素硫或硫酸可以出售，降低了IGCC的發電成本。(7)通過煤的氣化，能生產甲醇、汽油、尿素等燃料和化學產品，使煤得以綜合利用，有利于降低生產成本。2、IGCC的缺點：的缺點：建廠的比投資費用較高。3、發展、發展IGCC的技術關鍵：的技術關鍵：煤的氣化技術；粗煤氣的除灰脫硫凈化技術；高溫、高效率的燃氣-蒸汽聯合循環技術。第第5章章 聯合循環聯合循環 98. 095. 0Gg(1)提高IGCC發電設備的單機容量和供電效率。(2)采用新的氣化爐型式。(3)高效除灰及脫硫。(4)開發新型空氣分離系統。(5)降低比投資費用。 5.4

17、.6 IGCC的發展趨勢的發展趨勢5.5 增壓流化床聯合循環（增壓流化床聯合循環（PFBC-CC）5.5.1 概述概述增壓流化床鍋爐燃燒，采用增壓燃燒技術，同時控制燃燒溫度，使燃料在增壓與低溫環境下燃燒，從而降低NO2的排放。增壓流化床油燃煤聯合循環的效率高，環保性能好，系統較簡單，占地面積小，可以直接燃用原煤，且煤種適用范圍廣，燃燒與傳熱強度高且結構緊湊，運行方式與常規燃煤火電站接近。第第5章章 聯合循環聯合循環 98. 095. 0Gg與常規發電技術比較，增壓流化床聯合循環不僅可提高發電效率3%-5%，節煤10%15%，而且可顯著減少燃煤污染物的排放，是未來潔凈煤發電的重要發展方向之一。

18、5.5.2 增壓流化床聯合循環增壓流化床聯合循環(PFBC-CC)工作原理工作原理1、PFBC-CC工作原理：工作原理：(1)在增壓流化床鍋爐燃燒室，煤燃燒產生的部分熱量被鍋爐受熱面吸收，排出的高溫煙氣經高溫分離器凈化后，進入燃氣輪機。(2)高溫、高壓煙氣經過凈化后，直接進入燃氣輪機做功發電，并驅動壓力機。(3)燃氣輪機排出的煙氣經省煤器對鍋爐給水進行加熱，被冷卻到150后，經過除塵器進一步除塵，再排入大氣。(4)過熱蒸汽送到蒸汽輪機做功發電，燃氣輪機的排氣熱量用于加熱鍋爐給水. 第第5章章 聯合循環聯合循環 2、PFBC-CC的主要系統構成：的主要系統構成：(1)增壓流化床燃燒鍋爐：PFBC

19、-CC最重要的組成部分。(2)燃氣輪機動力裝置：與常規燃氣-蒸汽聯合循環和燃氣輪機基本相同。(3)汽輪機動力裝置：與傳統燃煤電站所采用的汽輪機系統基本相同。蒸汽動力循環部分的發電量占總輸出功率的75%-80%。3、PFBC-CC的基本型式：的基本型式：(1)空氣埋管冷卻系統。(2)水蒸汽埋管冷卻系統。5.5.3 PFBC-CC熱效率計算熱效率計算綜合熱效率：STCOSTSTSTCOCOST2rGTGTtPPPPPP)-1(+=如果 ，則 ，則綜合熱效率為：0PST=STST=ST2rGTGTt)-1(+=第第5章章 聯合循環聯合循環 計算示例：計算示例：(1)PFBC空氣埋管COGAS系統 燃氣輪機電機端輸出功率21.7MW、進氣溫度896、比壓10MPa、壓氣機效率88%、透平效率88.5%、PFBC和凈化熱效率9.5%、總的壓損5.5%、總的泄漏量3%、總的機械效率93%、輔機耗功約0.3MW、燃氣輪機部分發電總效率GT=25.7%、汽輪機部分發電總效率ST=23%、余熱鍋爐效率r2=80%。該系統循環綜合熱效率為：ST2rGTGTt)-1(+=%4.39%3712.39%23%80)5.7%2-1(%7.25=+= (2)PFBC蒸汽埋管聯合循環系統燃氣輪機進口氣溫923、排氣溫度472 、功率23MW、燃氣輪機部分發電總效率GT=27%、汽輪機部分發電總效率ST=