某型燃气轮机燃气-蒸汽联合循环方案分析

曲胜，佟轶杰，李杨

（海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳 110043）

某型燃气轮机燃气-蒸汽联合循环方案分析

曲胜，佟轶杰，李杨

（海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳 110043）

曲胜（1970），男，从事舰船燃气轮机、航空发动机的故障诊断、测试、维修与全寿命保障技术研究。

燃气-蒸汽联合循环是利用燃气侧高温吸热和蒸汽侧低温放热来扩大循环平均吸放热温差，促进能源的梯级利用，以提高循环效率。分析了某燃气轮机采用余热锅炉型联合循环后性能改善情况。简述了余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环的工作原理，采用能量平衡法分析联合循环机组的热效率及其影响因素，采用G ateCycle软件搭建联合循环模型，分析给出适合该型燃气轮机的联合循环方案。

燃气-蒸汽联合循环；余热锅炉；性能

0 引言

燃气-蒸汽联合循环是将2种使用不同工质的独立的动力循环通过能量交换联合在一起的循环方式，兼顾了燃气轮机布雷顿（Bragton）循环高温加热和汽轮机朗肯（RanKine）循环低温排热损失小的优势，形成了总能系统设计新概念，汇集燃气轮机的先进技术，以及余热锅炉和汽轮机发电的优势，使联合循环的效率提高。联合循环燃气轮机是目前世界上效率最高的实用动力机械之一，现在运行的主力机组效率为55%～58%，最高效率已突破60%。与纯蒸汽电站相比，联合电站具有投资少、起步快、建设周期短、效率高、污染少等优点，因此，采用联合循环方式成为老旧电站改建的主要途径之一。

本文对某型燃气轮机燃气-蒸汽联合循环方案进行了分析。

1 余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环工作原理及热力学分析

燃气轮机燃烧室出口温度虽高达1000～1500℃，但排气温度为400～650℃，热量损失较大，故其循环效率较低。受到材料耐温、耐压程度的限制，汽轮机动力循环上限温度不高，极少超过600℃，而平均放热温度约30℃，热能利用却比较理想。若在燃气轮机后加装余热锅炉，利用燃气透平排气加热余热锅炉系统的给水，然后将其产生的高温、高压蒸汽送到蒸汽轮机作功，不仅能多作出部分机械功，相应地也可提高燃料化学能与机械能的转化效率。这种能够使能量得以阶梯利用的循环方式称为余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环。

为分析余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环机组的热效率及其影响因素，建立补燃式余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环方案的典型系统及能量平衡，如图1所示。取供入燃气轮机燃烧室的燃料量为1 kg/h、供入补燃式余热锅炉的燃料量为A kg/h。

图1 补燃式余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环方案系统和能量平衡

根据图1中联合循环系统的能量平衡得到各部件的能量平衡关系。

（1）燃气轮机的能量平衡关系

不考虑燃料物理显热hf的微量影响，则

式中：Q1为相对于1 kg/h燃料而言吸入燃气轮机压气机的空气(包括对外泄漏的空气)所携带的热能；Qar,net,p为燃料的低位发热量；ηr1为燃气轮机燃烧室的效率；Qa2为燃气轮机对外泄漏的空气所携带的热能；Qc1为燃气轮机进入余热锅炉的燃气所携带的热能；为燃气轮机轴端的作功功率。

燃气轮机循环效率为

设燃气轮机部分的机械传动效率为ηmgt，发电机效率为ηGgt，则燃气轮机发电端的作功功率为Pgt=ηmgtηGgt，可推出燃气轮机的循环有效效率为

（2）补燃式余热锅炉的能量平衡关系

式中：A为进入补燃式余热锅炉的燃料量与进入燃气轮机燃烧室的燃料量的比值；ηr2为燃料在补燃式余热锅炉中的燃烧效率；Qw1为从蒸汽轮机的给水回热系统供入余热锅炉的给水所携带的热能；Qstr为从蒸汽轮机的高压缸排出的再热蒸汽在进入余热锅炉时所携带的热能；Qst1为在余热锅炉中产生的主蒸汽所携带的热能；Qst2为经余热锅炉加热后的再热蒸汽所携带的热能；Qst3为在双压式余热锅炉中产生的低压蒸汽所携带的热能；QA2为从余热锅炉排向大气的燃气所携带的热能。

（3）蒸汽轮机系统的能量平衡关系

蒸汽轮机的循环效率可定义为

设蒸汽轮机的机械传动效率为ηmst，发电机效率为ηGst，则蒸汽轮机发电端的作功功率为Pgt=ηmgtηGgt，可推出蒸汽轮机的循环有效效率为

（4）联合循环的热效率及发电效率联合循环的热效率为

式（8）就是有补燃的燃气-蒸汽联合循环热效率的表达式。

显然，有补燃的燃气-蒸汽联合循环的发电效率应为

对于非补燃的燃气-蒸汽联合循环来说，其发电效率为

其中

非补燃的功率比为

因此式（11）可改写为

显然，从由式（11）可见，在设计非补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环时，当燃气轮机已经选定后，通过使Pst为最大这一原则来确定余热锅炉和蒸汽轮机中使用的蒸汽的主要参数，可以保证所设计的非补燃式联合循环的发电效率为最佳。

若燃气轮机本体需重新设计时，当燃气轮机的主要参数(如温比、压气机的等熵效率、燃烧效率、透平的等熵效率、燃气轮机的流阻参数等)已经选定后，燃气轮机循环的有效效率ηgt只是压气机压比π的函数。而C2ηst也是π的函数，因而可根据使(ηgt+C2ηst)为最大的原则，确定出1个最佳的压缩比πη，max，进而可以保证由此组成的联合循环的发电效率为最大。某计算实例中C2ηst=f(π)，ηgt=f(π)，=f(π)，蒸汽透平的比功Wst=f(π)及联合循环的比功（Wgt+Ws）t=f(π)的变化规律如图2～3所示。

图2 C2ηst=f(π)、ηgt=f(π)和=f(π)的关系曲线

图3 Wst=f(π)和（Wgt+Wst）=f(π)的关系曲线

由此看见：

（1）从图2中可见，C2ηst随π的增大而不断减小。说明在低压比条件下，由于C2ηst较大，因此二者的叠加结果将使联合循环的发电效率随π变化而变化的趋势比较平缓。

（2）从图3中可见，蒸汽轮机的比功Wst与联合循环的总比功Wgt+Wst随着π的增大而单调地下降，因此在联合循环中只存在1个与最大值相对应的最佳压缩比πη，max，但不会出现与Wgt+Wst相对应的最佳压缩比πw，max。

（3）通常由航空发动机改装的联合循环机组的效率一般都比较低，这是由于航空发动机的压缩比较大，意味着燃气轮机的排气温度不高，限制了蒸汽系统参数的选取，致使C2ηst随压比的增大有较大幅度的减小趋势，因此其联合循环的发电效率比较低。

3 某型燃气轮机联合循环方案分析

单压余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环(以下简称联合循环)结构较为简洁，烟气排气温度一般为160～250℃，烟气余热利用不充分。为了进一步利于烟气余热(在锅炉排烟温度高于烟气露点条件下)，在选择锅炉时，可以采用双压或3压的汽水系统，这样余热锅炉中将产生2种或3种压力水平的过热蒸汽带动蒸汽透平作功。

本文采用Gate Cycle软件计算某燃气轮机采用3种非补燃式余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环方案下整个系统性能参数变化情况，并通过比较给出较佳方案，为该航改燃气轮机后续发展提供参考。

考虑到本文所选燃气轮机功率与透平出口燃气流量较小及使用场所情况，不宜选用结构较复杂的余热锅炉型燃气-蒸气联合循环方案，因此本文仅比较单压循环(无再热)、单压带低压蒸发器循环(无再热)、双压循环(无再热)3种结构相对简单型联合循环方案，选择较合适方案。

燃气轮机进口条件为ISO条件，蒸气参数的选取参考GE公司的蒸汽循环参数规范表(见表1)。进入到蒸汽轮机进口的蒸汽初温度是燃气轮机排气温度减去余热锅炉中的传热温差△ta，一般为25～50℃，余热锅炉节点温差δ一般为10～20℃，接近点温差△tb一般为5～20℃。为了便于比较，本文取△ta、δ、△tb分别为33、15、15℃。

表1 GE公司的蒸汽循环参数规范

3.1 单压联合循环方案

燃气轮机采用单压联合循环方案流程如图4所示。从图中可见，冷凝水被泵送到余热锅炉内的省煤器中加热，并经除氧后进入锅筒。通过循环水泵强制循环，使水在蒸发器中循环加热，达到饱和温度，并产生一部分饱和蒸汽。从锅筒中引出饱和蒸汽，使之在余热锅炉的过热器中加热，成为满足一定条件的过热蒸汽后，送到蒸汽轮机中作功。采用Gate cycle软件计算得到单压联合循环性能参数，见表2。从表2中可见，与燃气轮机单独工作相比，采用单压联合循环后，功率提高38.23%，效率提高38.21%（相对值，下同），排气温度下降338℃，性能参数有较明显改善。由于省煤器出口排烟温度仍然高达245℃，烟气会带走很大一部分热能，余热利用不充分，致使余热锅炉的换热效率较低，不利于联合循环热效率和蒸汽轮机输出功率的提高。

图4 单压联合循环

表2 单压联合循环相关参数

3.2 带低压蒸发器的单压循环方案

为了一步改善余热的利用程度，在省煤器后增加低压蒸汽加热回路组成带低压加热的单压联合循环，系统流程如图5所示。从图5中可见，冷凝水经水泵送至除氧器，经加热回路蒸发器经加热后，经水泵送至省煤器加热后进入锅筒。通过循环水泵强制循环，再经高压蒸发器加热变成饱和蒸汽。饱和蒸汽从锅筒中引出，使之在余热锅炉的过热器中继续加热，成为满足一定条件的过热蒸汽后，送到蒸汽轮机中去作功。通过这个方案，除氧器不再从锅筒中抽取饱和蒸汽加热给水，由此增大了蒸汽轮机的作功量，从而进一步提高联合循环的总效率。采用Gate cycle软件计算得到的参数见表3。从表3中可见，与燃气轮机单独工作相比，余热锅炉的排气温度下降到124℃，循环总功率增加50.6%，循环效率增加50.55%。与单压循环相比，加低压蒸发器后，循环总功率增加12.37%，热效率提高12.34%。该方案不会使原单压循环方案的系统复杂化，相应的投资费用增加也较少。

图5 设有低压加热的单压联合循环

表3 有低压加热的单压联合循环相关参数

3.3 双压联合循环方案

燃气轮机采用双压联合循环流程如图6所示。从图6中可见，冷凝水被泵送到除氧器中除氧，一部分经循环水泵送至低压蒸发器中循环加热，产生部分低压饱和蒸汽从锅筒中引出，在余热锅炉的低压过热器中加热，成为满足一定条件的过热蒸汽后，送至蒸汽轮机低压缸中作功；另一部分经循环水泵送至高压省煤器中加热产生饱和水，再通过循环水泵使饱和水在高压蒸发器中循环加热，产生饱和蒸汽从锅筒中引出，在余热锅炉的高压过热器中加热，满足一定条件后，送到蒸汽轮机高压缸中作功。采用Gate cycle软件计算得到的双压联合循环性能参数见表4。从表4中可见，与燃气轮机单独工作相比，采用双压联合循环后，循环总功率相对提高53.47%，总效率提高53.4%。与设有低压加热的单压联合循环相比，循环总功率及总效率略有提高，余热锅炉出口排气温度(低压蒸发器出口)下降4℃，性能参数变化较小。与低压加热的单压联合循环相比，双压联合循环方案余热锅炉及蒸汽轮机系统较为复杂，因此需增加相应的占地空间及投资费用。

图6 双压联合循环

表4 双压联合循环相关参数

4 结束语

本文对某燃气轮机采用单压循环、单压带低压蒸发器循环、双压循环3种联合循环方案进行了比较，分析了3种方案的性能改善情况、需增加的投资费用和系统的复杂性。对于单压联合循环方案，该燃气轮机采用联合循环后，燃机出口排气剩余热量得到进一步利用，功率及效率得以提高，性能参数改善较为明显。但由于单压联合循环方案省煤器出口排烟温度仍然较高，将单压联合循环方案改进成带低压蒸发器的单压联合循环方案。与单压联合循环相比，改进后的单压联合循环方案总功率和总效率都得到进一步提高，且该方案不会使联合循环的系统结构复杂化，相应的投资费用也不会增加太多。与改进后的单压联合循环相比，采用双压联合循环后性能参数变化不明显。由于本文所选用的该燃气轮机透平出口燃气流量较低，限制进入蒸汽轮机蒸汽量，从而限制汽轮机的作功量。采用双压联合循环还会使系统结构更加复杂化，增加相应的投资费用。另外，与电厂发电不同，由于船上对动力设备占用空间及质量都有严格要求，因此，综合比较认为可选设有低压加热的单压余热锅炉型燃气-蒸气联合循环方案作为该燃气轮机后续发展方案。

在设计非补燃余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环时，当燃气轮机已经选定后，除通过使Pst为最大这个原则来保证所设计的非补燃式联合循环的效率为最佳外，还应考虑使用环境、系统结构简洁性、设备质量及经济性等方面要求。参考文献：

[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社，2000：19-23.

[2]杨东，李淑英，苗安利，等.舰船燃-蒸联合循环的稳态与动态特性分析[J].航空发动机，2011，37（3）：26-28.

[3]深圳南山热电股份有限公司编著.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007：483-545.

[4]Alessandro Franco.claudio casarosa.On some perspectives for increasing the efficiency of combined ycle power plants[J]. Applied ThermalEngineering,2002,22：1501-1518.

[5]Fang Yuelan.Energy and exergy analysis of gas-steam combined cycle[J].Applied Energy Technology,2010（1）：21-23.

[6]何远令，龚建政，贺星，等.布雷顿与斯特林联合循环ECOP性能分析[J].航空发动机，2010，36（2）：39-42.

Project Analysis of Gas Steam Combined Cycle for a Gas Turbine

QU Sheng，TONG Yi-jie，LI Yang
（Naval Aeroengine Consumer Representative Office in Shenyang，Shenyang 110043,China）

The gas steam combined cycle is using the gas high temperature gaining heat and steam low temperature losing heat to enlarge mean gaining heat and losing heat temperature difference,which improvecascade utilization of energy and enhance cycle efficiency.The performance imporvement was analyzed after using waste heat boiler combined cycle for a gas turbine.The principle of waste heat boiler gas steam combined cycle was summarized and the thermal efficiency and influencing factors of combined cycle units was analyzed by the energy balance method.The combined cycle model was bulit by the GateCycle software and the suitable combined cycle project was proposed by the analysis.

gas steam combined cycle;exhaust heat boiler;performance

2012-01-13