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摘要：燃气—蒸汽联合循环发电技术可实现化学能梯级利用， 具有很高的效率。 余热锅炉处于燃气轮机和蒸汽轮机之间， 对联合循环系统效率产生重要影响。 本文概述了燃气—蒸汽联合循环发电技术的原理和组成， 并对燃气—蒸汽联合循环实际应用的研究方向进行了分析。
关键词：燃气轮机，余热锅炉，联合循环，天然气
Abstract: Gas - steam combined cycle power generation technology can realize energy cascade utilization of chemical, with very high efficiency. The waste heat boiler in the gas turbine and steam turbine, have an important impact on the efficiency of the combined cycle system. This paper summarized the principle and composition of gas - steam combined cycle power generation technology, and the research direction of gas - steam combined cycle applications are analyzed.
Keywords: gas turbine, waste heat boiler, combined cycle, natural gas
中图分类号：TM611.2
燃气－蒸汽联合循环机组, 为了满足电网调峰的要求, 联合循环机组设计一般为每天启停、两班制运行, 由于燃气- 蒸汽联合循环机组的启动特性, 机组在启动时必须依靠外来蒸汽, 分别用于汽轮机主轴轴封的密封和低压缸末级叶片冷却、启动时凝汽器热井及除盐水的加热除氧。所以, 对于无外来蒸汽源的燃机电厂来说, 就必须设置启动锅炉,以保证燃气-蒸汽联合循环机组每日启动所需要的蒸汽。
1 燃气—蒸汽联合循环发电技术
燃气—蒸汽联合循环发电技术是一种将燃气轮机发电与蒸汽动力发电有机结合起来的一种新型的动力装置， 它是随燃气轮机、 蒸汽轮机和余热锅炉的技术进步而发展的。燃气轮机从大气中抽取大量空气经过滤器过滤后进入压气机进行压缩， 压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧， 产生高温烟气推动燃气轮透平带动发电机发出电力， 这就是燃气轮机循环系统。 燃气轮机排出的废烟气温度还很高 （一般为400～600℃）， 将它送入余热回收锅炉， 烟气中的热能转换成蒸汽， 推动汽轮机带动发电机发出电力， 这就是蒸汽循环系统。 蒸汽循环系统主要由余热锅炉和汽轮机组成。 燃气—蒸汽联合循环发电就是对高温热源燃气使用燃气轮机循环和对低温热源使用蒸汽轮机循环的组合式发电方式。
这一组合把在中低温区工作的蒸汽轮机朗肯循环和在高温区工作的燃气轮机布雷登循环叠置，组成一个总能系统循环，实现热能的梯级利用，提高总循环效率。燃气轮机排气温度高，工质流量大，在燃气轮机后加装余热锅炉，利用燃气轮机排气余热产生高温高压蒸汽， 通过汽轮机发电，提高系统的热利用率，使系统达到较高的供电效率。目前主要有5种基本的燃气—蒸汽联合循环类型：余热回收型 、 排气再 型 、增压流化床燃烧型、 排气补燃型和给水加热型。其中，余热回收型随着近年燃气轮机涡轮进口温度的高温化，单台燃机热效率不断提高； 同时排气温度也高温化，使得它的热效率是全部联合循环发电方式中最高的；再有，由于控制系统简单，使用性能优良，且具有建设成本、安装成本低等多种优点，所以近年它成为联合循环发电装置的主流。而余热锅炉因其处在联合循环发电装置燃气轮机循环与蒸汽轮机循环的接点位置，对整个联合循环发电效率的提高起着至关重要的作用。
2 燃气-蒸汽联合循环的实际应用
2.1燃气轮机
燃气轮机组件，主要包含四个主要部分或功能组：1）压气机；2）燃烧系统；3）透平；4）排气系统。燃气通道是燃气流经的路径，空气流进压气机入口，燃烧部分和透平，再到透平排气。
气流—压气机
当透平启动的时候，环境空气被吸入空气入口腔室组件，经过滤和被多级轴流式压气机压缩。压气机压缩的气流流进环管型燃烧室周围，流进燃烧室外壳与衬套之间的空间，通过燃烧室衬套上的每一个计量孔进入燃烧区域。
气流—燃烧室
外部燃气被提供到供气管线，在每一个分隔的燃烧室的端盖里在初次和二次燃料喷嘴的地方端接。燃料喷嘴把燃料送进燃烧室区域，在里面燃料和空气混合之后被一个或几个电火花塞点燃料被点燃的瞬间，一个燃烧室的火焰通过联烟管被传到其他燃烧室，然后被四个安装在燃烧室法兰上的火烟检测器检测到。
气流—透平
从燃烧室出来的热的烟气，流经连接到燃烧室管线末端的过度段和流经三级透平部分。每一级透平有一排固定的喷嘴和一排透平叶片组成。在每一排喷嘴里，流体的动能增加，压力能降低。动能被透平转子转化成有用的旋转动能，导致转子旋转从而使得发电机转子产生电能。在气流流过第三级叶片后，烟气进入排气导管，燃烧后的尾气进入排气腔室，经余热锅炉进入大气、腔室或通过余热锅炉进入大气。
燃气轮机排气系统
排气系统为燃机提供一个烟气排到余热锅炉的流道，烟气通过余热锅炉烟囱排到大气。
2.2燃机控制设备
燃机仪用和控制设备包含各种各样的测量仪表，用来测量温度、压力、转速和振动水平，这些仪器为燃机控制系统提供输入数到MK-VI控制系统。
2.3余热锅炉
联合循环发电过程中，高温段在燃气轮机中膨胀做功，低温排气进入余热锅炉产生蒸汽或热水然后利用，余热锅炉所利用的是烟气的显热。燃气轮机的排气温度通常在700℃以下，某些带回热的小型或微型燃气轮机的排气甚至不到300℃， 因此余热锅炉中的换热主要依靠对流，辐射传热可以忽略不计。另外，在使用液化天然气和精馏油轻油燃料时，排气比较清洁，因而为使传热管道紧凑，可使用鳍片管。
锅炉本体按照气体流动方向可分为卧式与立式两种。立式布置的锅炉通常采用钢结构式的悬吊方式，受热时整体能自由向下膨胀。卧式布置的锅炉可采用自立支撑型或悬吊型在高度方向的中间部位增加支撑点， 撑点全部采用焊接固定以利于抗震和维修方便。锅炉承载支柱为柔性结构可缓冲锅炉本体由热膨胀而产生的伸缩，为了不使锅炉本体、传热管和管夹等受到不必要的应力影响，一般要限制支撑梁的挠度，确保与本体的适当间隔以及采取防震措施。锅炉受热管束的支撑同本体一样，有着两种支撑结构。 卧式锅炉的传热管屏垂直布置可采用自立式底部支撑结构和上梁悬吊支撑结构。立式锅炉受热管束水平布置通常采用上梁懸吊支撑结构。
补燃型联合循环发电工艺要求余热锅炉配有补燃装置， 其结构类似于不补燃余热锅炉。 补燃装置通常布置在余热锅炉入口，按烟道上在某些情形也可装在受热面之间，根据所用的燃料不同可相应采用不同型式的燃烧器。如格栅式燃烧器和墙式燃烧器。典型的燃烧温度是760℃，也可提高到982℃。锅炉本体内部，设置了为减少燃气轮机排气中氮氧化物的脱硝装置。这对余热锅炉的结构设计提出了新的要求。为使传热性能及脱硝效率提高，锅炉进口侧管道截面的分布必须能够得到均匀的气体流速分布。此外，因为一般联合循环发电装置使用LNG等清洁燃料，锅炉传热面清洁，不需设置吹灰器。
余热锅炉的工作过程：
从燃气轮机出口的烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气流经过热器、蒸发器和省煤器，最后排入烟囱，烟气温度从600℃左右降到排烟温度，所放出来的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，变成过热蒸汽的工作过程与自然循环汽包锅炉的工作过程相似。
3 结束语
燃气—蒸汽联合循环电站是从20世纪中叶开始逐渐发展起来的高效的能源动力装置， 它的优势在于对燃料中的化学能实现能的梯级利用因而具有良好的节能效益，日益受到各 国政府重视。在联合循环的总能系统中，余热锅炉是一种普遍采用的能量转换设备，大量的工程实践和研究表明余热锅炉是整个总能系统中一个重要的有机组成部分，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。随着燃气-蒸汽联合循环发电技术的不断发展，余热锅炉的研究也取得了一些可喜的成果，但还不能完全满足现实需求。
关键词：燃气轮机，余热锅炉，联合循环，天然气
Abstract: Gas - steam combined cycle power generation technology can realize energy cascade utilization of chemical, with very high efficiency. The waste heat boiler in the gas turbine and steam turbine, have an important impact on the efficiency of the combined cycle system. This paper summarized the principle and composition of gas - steam combined cycle power generation technology, and the research direction of gas - steam combined cycle applications are analyzed.
Keywords: gas turbine, waste heat boiler, combined cycle, natural gas
中图分类号：TM611.2
燃气－蒸汽联合循环机组, 为了满足电网调峰的要求, 联合循环机组设计一般为每天启停、两班制运行, 由于燃气- 蒸汽联合循环机组的启动特性, 机组在启动时必须依靠外来蒸汽, 分别用于汽轮机主轴轴封的密封和低压缸末级叶片冷却、启动时凝汽器热井及除盐水的加热除氧。所以, 对于无外来蒸汽源的燃机电厂来说, 就必须设置启动锅炉,以保证燃气-蒸汽联合循环机组每日启动所需要的蒸汽。
1 燃气—蒸汽联合循环发电技术
燃气—蒸汽联合循环发电技术是一种将燃气轮机发电与蒸汽动力发电有机结合起来的一种新型的动力装置， 它是随燃气轮机、 蒸汽轮机和余热锅炉的技术进步而发展的。燃气轮机从大气中抽取大量空气经过滤器过滤后进入压气机进行压缩， 压缩后的空气进入燃烧室与燃料混合燃烧， 产生高温烟气推动燃气轮透平带动发电机发出电力， 这就是燃气轮机循环系统。 燃气轮机排出的废烟气温度还很高 （一般为400～600℃）， 将它送入余热回收锅炉， 烟气中的热能转换成蒸汽， 推动汽轮机带动发电机发出电力， 这就是蒸汽循环系统。 蒸汽循环系统主要由余热锅炉和汽轮机组成。 燃气—蒸汽联合循环发电就是对高温热源燃气使用燃气轮机循环和对低温热源使用蒸汽轮机循环的组合式发电方式。
这一组合把在中低温区工作的蒸汽轮机朗肯循环和在高温区工作的燃气轮机布雷登循环叠置，组成一个总能系统循环，实现热能的梯级利用，提高总循环效率。燃气轮机排气温度高，工质流量大，在燃气轮机后加装余热锅炉，利用燃气轮机排气余热产生高温高压蒸汽， 通过汽轮机发电，提高系统的热利用率，使系统达到较高的供电效率。目前主要有5种基本的燃气—蒸汽联合循环类型：余热回收型 、 排气再 型 、增压流化床燃烧型、 排气补燃型和给水加热型。其中，余热回收型随着近年燃气轮机涡轮进口温度的高温化，单台燃机热效率不断提高； 同时排气温度也高温化，使得它的热效率是全部联合循环发电方式中最高的；再有，由于控制系统简单，使用性能优良，且具有建设成本、安装成本低等多种优点，所以近年它成为联合循环发电装置的主流。而余热锅炉因其处在联合循环发电装置燃气轮机循环与蒸汽轮机循环的接点位置，对整个联合循环发电效率的提高起着至关重要的作用。
2 燃气-蒸汽联合循环的实际应用
2.1燃气轮机
燃气轮机组件，主要包含四个主要部分或功能组：1）压气机；2）燃烧系统；3）透平；4）排气系统。燃气通道是燃气流经的路径，空气流进压气机入口，燃烧部分和透平，再到透平排气。
气流—压气机
当透平启动的时候，环境空气被吸入空气入口腔室组件，经过滤和被多级轴流式压气机压缩。压气机压缩的气流流进环管型燃烧室周围，流进燃烧室外壳与衬套之间的空间，通过燃烧室衬套上的每一个计量孔进入燃烧区域。
气流—燃烧室
外部燃气被提供到供气管线，在每一个分隔的燃烧室的端盖里在初次和二次燃料喷嘴的地方端接。燃料喷嘴把燃料送进燃烧室区域，在里面燃料和空气混合之后被一个或几个电火花塞点燃料被点燃的瞬间，一个燃烧室的火焰通过联烟管被传到其他燃烧室，然后被四个安装在燃烧室法兰上的火烟检测器检测到。
气流—透平
从燃烧室出来的热的烟气，流经连接到燃烧室管线末端的过度段和流经三级透平部分。每一级透平有一排固定的喷嘴和一排透平叶片组成。在每一排喷嘴里，流体的动能增加，压力能降低。动能被透平转子转化成有用的旋转动能，导致转子旋转从而使得发电机转子产生电能。在气流流过第三级叶片后，烟气进入排气导管，燃烧后的尾气进入排气腔室，经余热锅炉进入大气、腔室或通过余热锅炉进入大气。
燃气轮机排气系统
排气系统为燃机提供一个烟气排到余热锅炉的流道，烟气通过余热锅炉烟囱排到大气。
2.2燃机控制设备
燃机仪用和控制设备包含各种各样的测量仪表，用来测量温度、压力、转速和振动水平，这些仪器为燃机控制系统提供输入数到MK-VI控制系统。
2.3余热锅炉
联合循环发电过程中，高温段在燃气轮机中膨胀做功，低温排气进入余热锅炉产生蒸汽或热水然后利用，余热锅炉所利用的是烟气的显热。燃气轮机的排气温度通常在700℃以下，某些带回热的小型或微型燃气轮机的排气甚至不到300℃， 因此余热锅炉中的换热主要依靠对流，辐射传热可以忽略不计。另外，在使用液化天然气和精馏油轻油燃料时，排气比较清洁，因而为使传热管道紧凑，可使用鳍片管。
锅炉本体按照气体流动方向可分为卧式与立式两种。立式布置的锅炉通常采用钢结构式的悬吊方式，受热时整体能自由向下膨胀。卧式布置的锅炉可采用自立支撑型或悬吊型在高度方向的中间部位增加支撑点， 撑点全部采用焊接固定以利于抗震和维修方便。锅炉承载支柱为柔性结构可缓冲锅炉本体由热膨胀而产生的伸缩，为了不使锅炉本体、传热管和管夹等受到不必要的应力影响，一般要限制支撑梁的挠度，确保与本体的适当间隔以及采取防震措施。锅炉受热管束的支撑同本体一样，有着两种支撑结构。 卧式锅炉的传热管屏垂直布置可采用自立式底部支撑结构和上梁悬吊支撑结构。立式锅炉受热管束水平布置通常采用上梁懸吊支撑结构。
补燃型联合循环发电工艺要求余热锅炉配有补燃装置， 其结构类似于不补燃余热锅炉。 补燃装置通常布置在余热锅炉入口，按烟道上在某些情形也可装在受热面之间，根据所用的燃料不同可相应采用不同型式的燃烧器。如格栅式燃烧器和墙式燃烧器。典型的燃烧温度是760℃，也可提高到982℃。锅炉本体内部，设置了为减少燃气轮机排气中氮氧化物的脱硝装置。这对余热锅炉的结构设计提出了新的要求。为使传热性能及脱硝效率提高，锅炉进口侧管道截面的分布必须能够得到均匀的气体流速分布。此外，因为一般联合循环发电装置使用LNG等清洁燃料，锅炉传热面清洁，不需设置吹灰器。
余热锅炉的工作过程：
从燃气轮机出口的烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气流经过热器、蒸发器和省煤器，最后排入烟囱，烟气温度从600℃左右降到排烟温度，所放出来的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，变成过热蒸汽的工作过程与自然循环汽包锅炉的工作过程相似。
3 结束语
燃气—蒸汽联合循环电站是从20世纪中叶开始逐渐发展起来的高效的能源动力装置， 它的优势在于对燃料中的化学能实现能的梯级利用因而具有良好的节能效益，日益受到各 国政府重视。在联合循环的总能系统中，余热锅炉是一种普遍采用的能量转换设备，大量的工程实践和研究表明余热锅炉是整个总能系统中一个重要的有机组成部分，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。随着燃气-蒸汽联合循环发电技术的不断发展，余热锅炉的研究也取得了一些可喜的成果，但还不能完全满足现实需求。