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【摘 要】近年来燃气发电特别是燃气蒸汽联合循环发电机组项目发展迅速，从机组热力学特性、配置选型、性能比较等方面进行了分析，并对其未来应用前景进行了展望。
【关键词】燃气蒸汽联合循环；发电机组；应用；研究
近年来随着国内天然气消费的快速增长，特别是随着西气东输、川气东送、大鹏 LNG、莆田 LNG等天然气储运基础设施项目的建成投产，促使广东、福建、浙江、上海等省市一批燃气发电项目陆续建成投产，在满足电力需求增长的同时，创造了较好的经济效益和社会效益。燃气蒸汽联合循环发电由于具备高效、低耗、环保等优势，其推广应用进程在逐步加快。
1.机组热力学特性
燃气蒸汽联合循环发电机组主要由三部分构成，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。其中燃气轮机作为联合循环的核心部件，其性能直接影响联合循环热效率。余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数也主要取决于燃气轮机的排气参数。从热力学基本定律可知，联合循环的热效率主要取决于循环的吸热平均温度和放热平均温度。提高吸热平均温度或降低放热平均温度，均可提高机组联合循环热效率。燃气蒸汽联合循环将具有较高吸热平均温度的燃气轮机与具有较低放热平均温度的蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加热热源，使整个联合循环热能利用率较单独的燃气轮机循环或蒸汽轮机循环得到明显提升。
2.机组配置选型
一般为了充分利用天然气资源，并尽量降低供热供电价格，应尽可能选用高效率的燃气蒸汽联合循环机组。联合循环机组的轴系配置有两种形式：一是单轴配置，即燃气轮机和蒸汽轮机同轴驱动发电机运行；二是多轴配置，即燃气轮机和蒸汽轮机分别拖动发电机运行。单轴配置适宜带基本负荷，多轴配置则适宜热电联供，蒸汽轮机的变负荷运行不影响燃气轮机。系统应用中常见的多轴配置有“一拖一”、“二拖一”两种方案。
“一拖一”配置 1台燃气轮机、1台余热锅炉和 1台蒸汽轮机。“二拖一”配置 2台燃气轮机、2 台余热锅炉和 1台蒸汽轮机。“一拖一”由于系统构成相对简单独立，因此运行控制方便灵活，可靠性更高。“二拖一”在较高负荷时整体效率要高于“一拖一”，在半负荷以下运行时，整体效率低于“一拖一”，但由于 2台燃气轮机共用 1台蒸汽轮机，当其中 1台燃气轮机出现问题或者低负荷运行时，各机组之间需要协调参数运行等问题，控制及运行相对复杂。一般热电联供机组需带供热负荷时，出于供热可靠性考虑，可考虑选用多轴“一拖一”方案。
燃气蒸汽联合循环机组常用系列按照容量由小到大依次为 6B、9E 和 9F。在选择燃气轮机设备时，应考察其技术的先进性、产品的成熟性和稳定性。目前美国 GE、法国阿尔斯通、德国西门子、日本三菱等公司的燃气轮机均已在国内相关行业内投入使用。
3.机组性能比较
燃气蒸汽联合循环发电机组具备频繁启停能力，启动速度快，目前单循环机组冷启动至满负荷只需8min～9min，联合循环机组启动只需30min～40min，因此相比其他类型发电机组在调峰方面具备明显优势。同时燃气机组效率更高、排放更低，能较好地满足当前节能减排的需要，例如单循环效率为43%～45%，联合循环效率为58%～60%，SO2排放量接近于零，NOx排放约为0.0015%，CO2排放低于燃煤发电 50%以上。
4.9F级燃气蒸汽联合循环发电机组的性能
4.1高压主蒸汽出口压力对机组性能的影响
当余热锅炉的各项参数性质确定下来后，将主蒸汽出口压力增大会使得高压汽包压力也随之相应增多，使之温度趋干饱和。当其参数突点温度不发生变化，会致使烟气在经过高压气包后温度增加。如高压部分的窄点温度不变，导致经过高压汽包后的烟气温度升高，经过中压蒸发段及过热段的烟气温差增大。温差变化将导致高压主蒸汽流量降低，中压蒸汽流量增加，综合因素的影响导致低压蒸汽流量增加。如中、低压蒸汽流量增加部分大于高压蒸汽流量减少部分，汽机输出功率增加。
4.2高压主蒸汽出口温度对机组性能的影响
当压力和窄点温度一定时，汽包的饱和温度一定，则通过蒸发器出口的烟温一定，如果提高主蒸汽温度将引起热端温差减小，则高压段总吸热量增加。因而随着主蒸汽温度的增加，汽机功率增加。
4.3高压部分窄点温差对机组性能的影响
当高压部分窄点温差在一定范围内变化时，由于汽侧各换热器前、后压力和温度不变，因此，随高压部分窄点温差增加，主蒸汽流量大量减少，导致中、低压蒸汽吸热量增加，会对中、低压蒸汽流量及换热面积有一定的影响。由于高压主蒸汽是进汽膨胀做功的重要部分，其流量大量减少，导致汽机功率大幅降低。
4.4高压部分接近点温差对机组性能的影响
当高压部分接近点温差增大时，省煤器出口水温减小，导致高压省煤器受热面积减小，高压蒸发器受热面积有较大增加，高压过热器受热面积略减小，因而高压主蒸汽的流量略减小，汽机做功能力略减小，进而导致机组功率和效率的略降低。
燃机电厂和常规火电厂以及9F级电厂设计各有特点，发电机出口断路器、滤波器、隔离变、SFC盘柜、电气包等设备的选择和布置、抑制谐波污染是9F级燃机电厂相对火电厂必须面对的电气问题，应根据具体工程特点特别关注。汽机冷端优化是提高机组性能和经济效益的有效手段，但该项优化与机组冷却方式和当地水文、气象条件紧密相关，建议结合机组特性、冷却方式及环境条件，对增加机组出力与一次性投资及运行成本进行综合比较，以取得最佳经济效益。对采用燃机进气冷却，机组的出力增加非常明显，但投资较大，并与现场的气象条件直接相关，建议结合当地的气象条件、机组可能的运行小时数进行技术经济分析后确定。
5.应用前景展望
因此预计在“十二五”及远期，长三角和东南沿海将大量建设高效环保的燃气蒸汽联合循环发电机组来满足其新增电力需求，而在环渤海地区燃气机组也将大量代替燃煤机组，在国内其他具备条件的地区也将布局发展燃气机组。
6.结语
沿海各经济发达省市对节能减排和环保工作的日益重视，大力发展燃气电厂已是大势所趋。燃气蒸汽联合循环发电机组在推动经济发展、资源高效利用的同时，能够明显改善环境空气质量，有效实现节能减排目标，具有可观的环境效益和社会效益，在“十二五”期间应充分重视并推动燃气蒸汽联合循环发电机组的发展。 [科]
【参考文献】
[1]钟史明.燃气蒸汽联合循环发电[M].北京：水利电力出版社，1995.
[2]陈杭君，屠进.燃气-蒸汽联合循环电厂主机选型的比较[J].电力建设，2005，26（5）：30-32.
【关键词】燃气蒸汽联合循环；发电机组；应用；研究
近年来随着国内天然气消费的快速增长，特别是随着西气东输、川气东送、大鹏 LNG、莆田 LNG等天然气储运基础设施项目的建成投产，促使广东、福建、浙江、上海等省市一批燃气发电项目陆续建成投产，在满足电力需求增长的同时，创造了较好的经济效益和社会效益。燃气蒸汽联合循环发电由于具备高效、低耗、环保等优势，其推广应用进程在逐步加快。
1.机组热力学特性
燃气蒸汽联合循环发电机组主要由三部分构成，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。其中燃气轮机作为联合循环的核心部件，其性能直接影响联合循环热效率。余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数也主要取决于燃气轮机的排气参数。从热力学基本定律可知，联合循环的热效率主要取决于循环的吸热平均温度和放热平均温度。提高吸热平均温度或降低放热平均温度，均可提高机组联合循环热效率。燃气蒸汽联合循环将具有较高吸热平均温度的燃气轮机与具有较低放热平均温度的蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加热热源，使整个联合循环热能利用率较单独的燃气轮机循环或蒸汽轮机循环得到明显提升。
2.机组配置选型
一般为了充分利用天然气资源，并尽量降低供热供电价格，应尽可能选用高效率的燃气蒸汽联合循环机组。联合循环机组的轴系配置有两种形式：一是单轴配置，即燃气轮机和蒸汽轮机同轴驱动发电机运行；二是多轴配置，即燃气轮机和蒸汽轮机分别拖动发电机运行。单轴配置适宜带基本负荷，多轴配置则适宜热电联供，蒸汽轮机的变负荷运行不影响燃气轮机。系统应用中常见的多轴配置有“一拖一”、“二拖一”两种方案。
“一拖一”配置 1台燃气轮机、1台余热锅炉和 1台蒸汽轮机。“二拖一”配置 2台燃气轮机、2 台余热锅炉和 1台蒸汽轮机。“一拖一”由于系统构成相对简单独立，因此运行控制方便灵活，可靠性更高。“二拖一”在较高负荷时整体效率要高于“一拖一”，在半负荷以下运行时，整体效率低于“一拖一”，但由于 2台燃气轮机共用 1台蒸汽轮机，当其中 1台燃气轮机出现问题或者低负荷运行时，各机组之间需要协调参数运行等问题，控制及运行相对复杂。一般热电联供机组需带供热负荷时，出于供热可靠性考虑，可考虑选用多轴“一拖一”方案。
燃气蒸汽联合循环机组常用系列按照容量由小到大依次为 6B、9E 和 9F。在选择燃气轮机设备时，应考察其技术的先进性、产品的成熟性和稳定性。目前美国 GE、法国阿尔斯通、德国西门子、日本三菱等公司的燃气轮机均已在国内相关行业内投入使用。
3.机组性能比较
燃气蒸汽联合循环发电机组具备频繁启停能力，启动速度快，目前单循环机组冷启动至满负荷只需8min～9min，联合循环机组启动只需30min～40min，因此相比其他类型发电机组在调峰方面具备明显优势。同时燃气机组效率更高、排放更低，能较好地满足当前节能减排的需要，例如单循环效率为43%～45%，联合循环效率为58%～60%，SO2排放量接近于零，NOx排放约为0.0015%，CO2排放低于燃煤发电 50%以上。
4.9F级燃气蒸汽联合循环发电机组的性能
4.1高压主蒸汽出口压力对机组性能的影响
当余热锅炉的各项参数性质确定下来后，将主蒸汽出口压力增大会使得高压汽包压力也随之相应增多，使之温度趋干饱和。当其参数突点温度不发生变化，会致使烟气在经过高压气包后温度增加。如高压部分的窄点温度不变，导致经过高压汽包后的烟气温度升高，经过中压蒸发段及过热段的烟气温差增大。温差变化将导致高压主蒸汽流量降低，中压蒸汽流量增加，综合因素的影响导致低压蒸汽流量增加。如中、低压蒸汽流量增加部分大于高压蒸汽流量减少部分，汽机输出功率增加。
4.2高压主蒸汽出口温度对机组性能的影响
当压力和窄点温度一定时，汽包的饱和温度一定，则通过蒸发器出口的烟温一定，如果提高主蒸汽温度将引起热端温差减小，则高压段总吸热量增加。因而随着主蒸汽温度的增加，汽机功率增加。
4.3高压部分窄点温差对机组性能的影响
当高压部分窄点温差在一定范围内变化时，由于汽侧各换热器前、后压力和温度不变，因此，随高压部分窄点温差增加，主蒸汽流量大量减少，导致中、低压蒸汽吸热量增加，会对中、低压蒸汽流量及换热面积有一定的影响。由于高压主蒸汽是进汽膨胀做功的重要部分，其流量大量减少，导致汽机功率大幅降低。
4.4高压部分接近点温差对机组性能的影响
当高压部分接近点温差增大时，省煤器出口水温减小，导致高压省煤器受热面积减小，高压蒸发器受热面积有较大增加，高压过热器受热面积略减小，因而高压主蒸汽的流量略减小，汽机做功能力略减小，进而导致机组功率和效率的略降低。
燃机电厂和常规火电厂以及9F级电厂设计各有特点，发电机出口断路器、滤波器、隔离变、SFC盘柜、电气包等设备的选择和布置、抑制谐波污染是9F级燃机电厂相对火电厂必须面对的电气问题，应根据具体工程特点特别关注。汽机冷端优化是提高机组性能和经济效益的有效手段，但该项优化与机组冷却方式和当地水文、气象条件紧密相关，建议结合机组特性、冷却方式及环境条件，对增加机组出力与一次性投资及运行成本进行综合比较，以取得最佳经济效益。对采用燃机进气冷却，机组的出力增加非常明显，但投资较大，并与现场的气象条件直接相关，建议结合当地的气象条件、机组可能的运行小时数进行技术经济分析后确定。
5.应用前景展望
因此预计在“十二五”及远期，长三角和东南沿海将大量建设高效环保的燃气蒸汽联合循环发电机组来满足其新增电力需求，而在环渤海地区燃气机组也将大量代替燃煤机组，在国内其他具备条件的地区也将布局发展燃气机组。
6.结语
沿海各经济发达省市对节能减排和环保工作的日益重视，大力发展燃气电厂已是大势所趋。燃气蒸汽联合循环发电机组在推动经济发展、资源高效利用的同时，能够明显改善环境空气质量，有效实现节能减排目标，具有可观的环境效益和社会效益，在“十二五”期间应充分重视并推动燃气蒸汽联合循环发电机组的发展。 [科]
【参考文献】
[1]钟史明.燃气蒸汽联合循环发电[M].北京：水利电力出版社，1995.
[2]陈杭君，屠进.燃气-蒸汽联合循环电厂主机选型的比较[J].电力建设，2005，26（5）：30-32.