天然氣發(fā)電技術(shù)簡介
發(fā)電技術(shù)概況
天然氣發(fā)電的流程和使用的設(shè)備與燃煤電廠不同,燃煤電廠生產(chǎn)流程是:
煤炭水 -> 鍋爐 -> 蒸汽輪機(jī) -> 發(fā)電機(jī) -> 外輸電
天然氣發(fā)電生產(chǎn)流程為:
天然氣 -> 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組 -> 發(fā)電
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軟化水 -> 廢熱鍋爐 -> 蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組
燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度可高達(dá)430℃以上, 通過廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽既進(jìn)一步用來發(fā)電, 也可用來供熱, 提高了熱效率。世界上利用天然氣發(fā)電普遍采用燃?xì)狻羝?lián)合電廠(CCGT ) 電廠的形式。天然氣發(fā)電熱效率較高, 燃煤電廠的熱效率僅為35%～ 38% , 而燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠的熱效率則高達(dá)50%～ 60%。現(xiàn)有火電廠可改用天然氣做燃料。燃煤電廠改造為燃?xì)怆姀S, 在環(huán)保、節(jié)省人力、運(yùn)輸及工業(yè)用水費(fèi)用等方面均有顯著效益。
天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組自二十世紀(jì)90年代開始在我國逐步應(yīng)用與推廣，現(xiàn)已積累了一定的建設(shè)和使用經(jīng)驗。由于天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠的一些獨(dú)特優(yōu)勢，從環(huán)境保護(hù)、提高能源效率出發(fā)，發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是合理的。
與燃煤電廠相比，天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠具有投資少、對環(huán)境污染小、整體循環(huán)效率高、調(diào)峰性能好、占地少、建設(shè)周期短、廠用電率低、耗水少、可用率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是對燃料要求較高，上網(wǎng)電價偏高。當(dāng)今，在世界范圍內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的市場份額在40%~60%。
1. 天然氣聯(lián)合循環(huán)的基本理論
自二十世紀(jì)50年代開始，國外的蒸汽輪機(jī)技術(shù)是與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)同步發(fā)展的。隨著各自熱力參數(shù)的提高，蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)容量和供電效率都已獲得了巨大的發(fā)展。
目前，蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的供電效率都已達(dá)到40%左右的水平。為了進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)組的效率，可以發(fā)展超臨界參數(shù)（30MPa/600℃/600℃以上）的蒸汽輪機(jī)技術(shù)，但這對效率的顯著提高作用也是有限的。而將蒸汽輪機(jī)循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)彼此結(jié)合起來，就可以創(chuàng)造出效率更高的發(fā)電設(shè)備。
這種可能性確實是存在的。從熱力學(xué)基本定律可知，熱力循環(huán)的理想熱效率只取決于循環(huán)的吸熱平均溫度T1和放熱平均溫度T2，提高T1和降低T2都可以提高循環(huán)的熱效率。
燃?xì)廨啓C(jī)是一種應(yīng)用廣泛的動力機(jī)械，其吸熱平均溫度T1較高。近年來隨著材料和冷卻技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)初溫（進(jìn)口溫度）t3在不斷提高，大約每年增加10℃~20℃，發(fā)電用大型地面燃?xì)廨啓C(jī)初溫已達(dá)1280℃，這種簡單燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率約為33%~40%。目前采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的氣冷葉片可使燃?xì)廨啓C(jī)初溫提高到1370℃~1500℃，使燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率得到進(jìn)一步提高大于40%。但是，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度t4約有450℃~600℃，大量的熱能隨著燃?xì)馀湃氪髿?，又由于初溫受到材料耐溫的限制而使簡單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱效率不可能達(dá)到很高的數(shù)值。而對于純蒸汽動力循環(huán)來說，由于材料耐溫耐壓程度的限制，汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度不可能很高，目前，一般為540℃~560℃。但是，純蒸汽動力循環(huán)具有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)，即其循環(huán)放熱平均溫度T2很低，一般為30℃~38℃。近幾十年來，蒸汽動力循環(huán)采取了回?zé)嵩贌岬却胧?，使其循環(huán)熱效率有了較大幅度的提高，但目前，其裝置熱效率一般也不超過41%?？梢娪捎谖鼰崞骄鶞囟萒1不高，故要期待純蒸汽動力循環(huán)裝置的熱效率有大幅度提高是不可能的。
怎樣才能進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率呢？我們利用簡單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)吸熱平均溫度高和純蒸汽輪機(jī)循環(huán)平均溫度低的特點(diǎn)，各取所長，把這兩種循環(huán)聯(lián)合起來組成天然氣聯(lián)合循環(huán)，此循環(huán)具有較高的吸熱平均溫度和較低的放熱平均溫度，根據(jù)熱力學(xué)原理，其循環(huán)熱效率就會很高，這就是天然氣聯(lián)合循環(huán)。
燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)型式很多，有無補(bǔ)燃型聯(lián)合循環(huán)、有補(bǔ)燃型聯(lián)合循環(huán)和增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)等。聯(lián)合循環(huán)基本過程是燃?xì)廨啓C(jī)排氣送入余熱鍋爐用以產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽引入汽輪機(jī)中做功，汽輪機(jī)排汽再進(jìn)入凝汽器中放熱。這樣即增回了總輸出功率，又利用了燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，使整個循環(huán)的熱效率得以提高。
顯然，聯(lián)合循環(huán)的實質(zhì)就是把燃?xì)廨啓C(jī)的“布雷頓循環(huán)”與蒸汽輪機(jī)的“朗肯循環(huán)”疊置在一起，組合成為一個總的循環(huán)系統(tǒng)而已。在無補(bǔ)燃的余熱鍋爐型方案中，由燃?xì)廨啓C(jī)排氣的冷卻過程釋放出來的熱能，被用來把蒸汽循環(huán)中的給水加熱升溫，變?yōu)榫哂幸欢▔毫Φ倪^熱蒸汽。在該方案中蒸汽的初溫必然受到燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的限制而且蒸汽量也是有限的，因而，機(jī)組的總輸出功率是不可能很大的。一般來說，蒸汽輪機(jī)的功率大約是燃?xì)廨啓C(jī)功率的50%左右。假如有燃料補(bǔ)充燃燒加熱給水，使給水變?yōu)閴毫蜏囟雀叩倪^熱蒸汽,同時蒸汽量可以大幅度地增加，顯然，那時蒸汽輪機(jī)發(fā)出的功率可以劇增，它能比燃?xì)廨啓C(jī)的功率高2~6倍左右。在增壓鍋爐型方案中，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室是與蒸汽循環(huán)中的增壓鍋爐合二為一的，因而由壓氣機(jī)送來的空氣，首先在增壓鍋爐中被加熱，進(jìn)而經(jīng)放熱釋放出來的熱能被用來加熱給水，使其變成過熱蒸汽，供蒸汽輪機(jī)使用。至于增壓鍋爐中的燃?xì)庠跍囟冉档秃?，將被送到燃?xì)廨啓C(jī)中去膨脹做功。當(dāng)然，燃?xì)馔钙降呐艢獗挥脕砑訜峤o水，使其升溫。這就是燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱力過程的大致情況。
自二十世紀(jì)50年代初開始實現(xiàn)上述燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)方案以來，余熱鍋爐型的聯(lián)合循環(huán)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是近幾年來，發(fā)展的趨勢更加明顯。
聯(lián)合循環(huán)的單機(jī)功率已達(dá)到350MW，供電效率則已超過54.8%（近期內(nèi)有望提高到58%），遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于任何形式的發(fā)電設(shè)備，并能裝備成為承擔(dān)基本負(fù)荷的大功率電站。加上這種設(shè)備的投資費(fèi)用比較低、設(shè)備簡單、占地面積小、建設(shè)周期短，因而更加具有廣泛使用的潛力。據(jù)不完全統(tǒng)計，到1990年底，全世界已經(jīng)投入運(yùn)行的燒天然氣的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的總功率為14019MW，1991年到1996年之間，估計投入運(yùn)行的這種新機(jī)組容量的總和不會低于27400MW。而燒油和燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)的裝機(jī)容量則已高達(dá)4億KW。目前，全世界每年增長的發(fā)電容量中，有35%~36%系采用天然氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，而美國則為48%。應(yīng)該說：在今后世界電力工業(yè)的發(fā)展歷程中，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電機(jī)組必將成為一個重要的組成部分，它的作用也將日益增升。
2. 天然氣聯(lián)合循環(huán)的分類
燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)就是在進(jìn)一步提高發(fā)電效率、降低煤耗，減少
污染、改善環(huán)境的背景下提出來的一種發(fā)電設(shè)備。
按照所用燃料的不同，天然氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分為兩類：一類是燒液（氣）體燃料，也就是燒油或者是燒天然氣。這種類型的燃?xì)庹羝?lián)合系統(tǒng)中，有一種是采用無補(bǔ)燃的余熱鍋爐系統(tǒng)方案，另一種是帶補(bǔ)燃的余熱鍋爐系統(tǒng)方案，再一個是增壓鍋爐型的方案，這三種屬于常規(guī)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)。第二類是燒煤的天然氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。在它發(fā)展的過程當(dāng)中，經(jīng)過理論分析和實際檢驗，到目前為止，最具有競爭力的三種方案是：第一種叫做IGCC，即整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)；第二種是PFBC，即增壓流化床燃燒型的聯(lián)合系統(tǒng)，這里又分為第一代PFBCCC，第二代PFBCCC，第三代AFBC常壓流化床燃燒型的聯(lián)合系統(tǒng)。由于燒煤的天然氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)受比投資及技術(shù)的限制，目前尚不能被廣泛的應(yīng)用。下面將對常規(guī)的余熱鍋爐型天然氣聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹。
無補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)基本的流程是：一臺燃?xì)廨啓C(jī)，空氣吸進(jìn)來，壓氣機(jī)把它壓縮之后成為高壓的氣體，這個壓力是9~20kg/cm2；接著往里噴油或噴氣燃燒，產(chǎn)生高溫高壓煙氣進(jìn)入燃?xì)馔钙阶龉Γ艢馀蛎浀揭粋€大氣壓，溫度還有400℃~500℃，再進(jìn)入余熱鍋爐中的煙氣的熱量，余熱鍋爐一般做成雙壓或三壓的，這樣排煙溫度可以降110℃左右。在這里，煙氣的熱量加熱給水，產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動。這就是不補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)。因為這個余熱溫度比較低（400℃~500℃），所以就限制了汽輪機(jī)功率的提高。
無補(bǔ)燃的余熱鍋爐型天然氣聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn)是：
（1）熱功轉(zhuǎn)換效率高。
（2）基本投資費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)簡單，鍋爐和廠房都很??；
（3）運(yùn)行可靠性高，現(xiàn)已能做到90%~98%的運(yùn)行可用率；
（4）起動快，大約在18~20min內(nèi)便能使聯(lián)合循環(huán)發(fā)出2/3的功率，80min內(nèi)發(fā)出全部功率。
針對無補(bǔ)燃型聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)功率受限的情況，為了提高汽輪機(jī)的功率就必須補(bǔ)燃，就是增加一個預(yù)熱鍋爐，將排出的煙氣在爐內(nèi)加燃料再繼續(xù)燒一下，這個溫度就高了，燒到1100℃~1300℃，這樣主蒸汽的參數(shù)也提高了，汽輪機(jī)的功率就可以大了。現(xiàn)在世界上廣泛采用的是有補(bǔ)燃的這種聯(lián)合系統(tǒng)。
有補(bǔ)燃型聯(lián)合循環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn)是：
（1）裝置的尺寸小、占地少、投資低。
（2）運(yùn)行機(jī)動性好。
（3）部分負(fù)荷工況下裝置熱效率比較高。
（4）在余熱鍋爐中可以燒煤或其他劣質(zhì)燃料。
（5）蒸汽參數(shù)不受燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的限制，可以采用效率較高的蒸汽輪機(jī)底循環(huán)與之匹配，機(jī)組的總功率較大。
增壓鍋爐型的天然氣聯(lián)合循環(huán)方案的特點(diǎn)是：燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室與產(chǎn)生蒸汽的增壓鍋爐是合二為一的。由于在增壓條件下，鍋爐內(nèi)的傳熱系數(shù)提高得很多，因而增壓鍋爐的體積要比常壓爐小很多，而且可以采用效率很高的蒸汽輪機(jī)底循環(huán)與之匹配。這是增壓鍋爐的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：增壓鍋爐本身就是一個很大的耐壓容器，造價很昂貴。增壓鍋爐的排氣是直接供到燃?xì)馔钙街腥プ鞴Φ?。燃?xì)馔钙降呐艢鈩t可以用來加熱鍋爐給水。
由于增壓鍋爐的排氣需要通過燃?xì)馔钙剑蚨鰤哄仩t中只能燃燒液體燃料或天然氣，而不能直接燒煤。
當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的初溫提高到1300℃后，增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的供電效率有望超過50%。但理論研究表明：當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)初溫低于1250℃時，增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的熱效率總是大于無補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的效率?？墒怯捎谠鰤哄仩t很昂貴，目前很少應(yīng)用。
余熱鍋爐組成及工作過程
通常余熱鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器以及聯(lián)箱和汽包等換熱管組和容器等組成，在有再熱器的蒸汽循環(huán)中，可以加設(shè)再熱器。在省煤氣中鍋爐的給水完成預(yù)熱的任務(wù)，使給水溫度升高到接近飽和溫度的水平；在蒸發(fā)器中給水相變成為飽和蒸汽；在過熱器中飽和蒸汽被加熱升溫成為過熱蒸汽；在再熱器中再熱蒸汽被加熱升溫到所設(shè)定的再熱溫度.
過熱器的作用是將蒸汽從飽和溫度加熱到一定的過熱溫度。它位于溫度最高的煙氣區(qū)，而管內(nèi)工質(zhì)為蒸汽，受熱面的冷卻條件較差，從而在余熱鍋爐各部件中最高的金屬管壁溫度。
省煤器的作用是利用尾部低溫?zé)煔獾臒崃縼砑訜嵊酂徨仩t給水，從而降低排氣溫度，提高余熱鍋爐以及聯(lián)合循環(huán)的效率，節(jié)約燃料消耗量。常規(guī)鍋爐的省煤器分為沸騰式和非沸騰式兩種，前者允許產(chǎn)生蒸汽而后者不允許。通常不希望聯(lián)合循環(huán)中的余熱鍋爐在省煤器中產(chǎn)生蒸汽，因為蒸汽可能導(dǎo)致水擊或局部過熱，在機(jī)組剛起動以及低負(fù)荷時，省煤器管內(nèi)工質(zhì)流動速度很低，此時較容易產(chǎn)生蒸汽。采用省煤器再循環(huán)壁可以增加省煤器中水的質(zhì)量流量，從而解決這個問題。還有些用戶布置煙氣旁路系統(tǒng)，在部分負(fù)荷時將部分省煤器退出運(yùn)行，這樣也可以增加省煤器的工質(zhì)流速在蒸發(fā)器內(nèi)，水吸熱產(chǎn)生蒸汽。通常情況下只有部分水變成蒸汽，所以管內(nèi)流動的是汽水混合物。汽水混合物在蒸發(fā)器中向上流動，進(jìn)入對應(yīng)壓力的汽包。在自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)的余熱鍋爐中，汽包是必不可少的重要部件。汽包除了匯集省煤器給水和匯集從省煤器來的汽、水混合物外，還要提供合格的飽和蒸汽進(jìn)入過熱器或供給用戶。汽包內(nèi)裝有汽水分離設(shè)備，來自蒸發(fā)器的汽水混合物進(jìn)行分離，水回到汽包的水空間與省煤器的來水混合后從新進(jìn)入蒸發(fā)器，而蒸汽從汽包頂部引出。汽包的尺寸要大到足以容納必需的汽水分離器裝置，并能適應(yīng)鍋爐符合變化時所發(fā)生的水位變化，因此是很大的儲水容器，從而具有較大的水容量和較多熱慣性，對負(fù)荷變化不敏感。汽包通常不受熱，因為在接近飽和溫度下運(yùn)行時抗拉和屈服強(qiáng)度是關(guān)鍵的。
減溫器通常位于過熱器或再熱器出口管組的進(jìn)口處，比如一、二級過熱器之間。減溫水一般來自鍋爐給水泵，為了能夠正常的工作，它的壓力要比蒸汽壓力高2.76Mpa 左右。減溫水通過噴口霧化后噴入湍流強(qiáng)烈的蒸汽中，蒸汽的速度和霧化的水滴尺寸是確定減溫效果的兩個最重要因素。一個好的過熱器或再熱器設(shè)計，在額定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時需要很少的噴水量。
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