燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的技術(shù)特點及應(yīng)用研究

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

與單一的燃?xì)廨啓C及蒸汽動力裝置相比，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置具有較高的工作效率。早在1929 年，瑞士BBC 公司已實現(xiàn)了采用增壓鍋爐的聯(lián)合循環(huán)裝置，但由于當(dāng)時燃?xì)廨啓C尚不具備足夠高的效率，而汽輪機的效率卻有較大的提高［1］，所以聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)越性并未得以充分體現(xiàn)。自20 世紀(jì)60 年代以后，由于冶金工業(yè)和燃?xì)廨啓C冷卻技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C的初溫、效率和單機功率都有了顯著提升，燃?xì)廨啓C和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置才逐步得到應(yīng)用［2-5］。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的技術(shù)優(yōu)勢

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置得到了廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢主要如下：

（1）熱效率高，目前以石油或天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，熱效率可達(dá)47%［6］，是成熟的火力發(fā)電裝置中效率最高的；

（2）與常規(guī)火力發(fā)電站相比，基建周期短，占地面積少，投資降低15%～20%；

（3）聯(lián)合循環(huán)電站比汽輪機發(fā)電站用水少一半以上，對于缺水地區(qū)有重要意義；

（4）環(huán)境污染小，排氣中的粉塵、SOx、NOx 等均較常規(guī)鍋爐少；

（5）起動性能好，而且多臺燃?xì)廨啓C組成的聯(lián)合循環(huán)電站部分負(fù)荷時，可停運1 臺或數(shù)臺燃?xì)廨啓C，從而保持較高的效率。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置在電站中的應(yīng)用

2.1 燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的優(yōu)勢

以石油或天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置已顯示了其獨到的技術(shù)優(yōu)越性。但石油和天然氣的蘊藏量遠(yuǎn)不及煤炭豐富。燃煤目前依然是火力發(fā)電的主要發(fā)展方向。因此國內(nèi)外都在重點發(fā)展高效率的燃煤發(fā)電方式。許多分析表明，燃煤的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備與常規(guī)燃煤電站相比有許多重要優(yōu)勢。

（1）熱效率比常規(guī)燃煤電站高。目前先進(jìn)的燃煤汽輪機電站熱效率約為37%～38%，為滿足環(huán)保要求而加裝煙道脫硫裝置后，會使系統(tǒng)效率降低約3%～4%，所以其熱效率約為34%～35%。采用技術(shù)成熟的煤氣化設(shè)備和燃?xì)廨啓C組成的聯(lián)合循環(huán)電站，凈發(fā)電效率可達(dá)39%，進(jìn)一步發(fā)展先進(jìn)的煤氣化和高溫凈化技術(shù)及更高初溫的燃?xì)廨啓C，可使總發(fā)電效率進(jìn)一步提高，這是常規(guī)燃煤電站所難以實現(xiàn)的。

（2）排氣污染小。燃煤聯(lián)合循環(huán)電站的最重要的優(yōu)點之一是其在沸騰燃煤過程中，以及煤的氣化和凈化過程中更易于去除硫分，從而達(dá)到環(huán)保排放要求。常規(guī)燃煤電站的煙道脫硫設(shè)備體積龐大，熱損失大，且投資約占電站總投資的1/4～1/3。

（3）燃煤聯(lián)合循環(huán)電站的耗水量、固體排渣量及有害排放物均比常規(guī)燃煤電站少。

（4）燃煤聯(lián)合循環(huán)電站的投資略低于帶煙道脫硫設(shè)備的常規(guī)燃煤電站。

2.2 燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的形式

目前發(fā)展中的燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備總體上有2 種形式：

一是采用煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，煤經(jīng)氣化凈化后送入燃?xì)廨啓C燃燒。這種發(fā)電方式的優(yōu)點是，煤在氣化凈化過程中可以較容易地除去硫分及其他有害成分，對燃?xì)廨啓C的腐蝕和磨蝕作用小。同時，燃?xì)廨啓C初溫的提高會受高溫材料和冷卻技術(shù)的限制，采用新型高溫材料和先進(jìn)冷卻技術(shù)可大幅提高燃?xì)廨啓C初溫，從而提高發(fā)電效率［7］。為此可將煤氣化凈化設(shè)備與合循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合在一起，充分地利用熱能，稱之為整體式煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC），其缺點是系統(tǒng)較為復(fù)雜。

另一種是沸騰燃燒型聯(lián)合循環(huán)，煤在沸騰爐中直接燃燒并用石灰石脫硫，壓縮空氣在沸騰床內(nèi)加熱后進(jìn)入燃?xì)鉁u輪作功。按工作壓力不同，可分為常壓沸騰爐和增壓沸騰爐聯(lián)合循環(huán)2 種形式。這種類型的聯(lián)合循環(huán)裝置優(yōu)點是系統(tǒng)比較簡單，對燃?xì)廨啓C的要求較低。但因燃?xì)鉁囟仁芟蓿?lián)合循環(huán)的效率相應(yīng)受到了制約。

發(fā)展燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)有：煤的沸騰燃燒和床內(nèi)脫硫；高效大容量煤氣化技術(shù)；高溫凈化技術(shù)；高溫燃?xì)廨啓C技術(shù)以及整體聯(lián)合循環(huán)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)等。多年來，世界相關(guān)國家開展了大量的研究工作，已完成了關(guān)鍵技術(shù)的研究及中間試驗，并將其投入商業(yè)應(yīng)用。

2.3 燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中的燃?xì)廨啓C

在燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中，燃?xì)廨啓C是決定效率和功率的關(guān)鍵性設(shè)備。為了提高循環(huán)的效率和功率，必須發(fā)展高溫燃?xì)廨啓C。除了采用高溫材料之外，國外許多公司已致力于研究冷卻技術(shù)。燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中應(yīng)盡可能利用一般聯(lián)合循環(huán)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C，當(dāng)以燃油或天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C改用低發(fā)熱量煤氣時，應(yīng)對其進(jìn)行一定程度的改裝，主要如下：

（1）低發(fā)熱量煤氣的發(fā)熱量較低，約為天然氣發(fā)熱量的1/10左右。在燃?xì)廨啓C功率不變的情況下，燃料量增加較多，燃?xì)鉁u輪的通流面積應(yīng)適當(dāng)增加，否則可能使壓氣機發(fā)生喘振。以空氣為氣化劑的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)裝置抽取一部分壓氣機中的空氣作為氣化劑，再從煤氣系統(tǒng)回到燃?xì)廨啓C循環(huán)，這樣可以減少通過燃?xì)鉁u輪的流量增量，一般僅增加總流量的5%左右，標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C易于滿足要求。

（2）必須將燃料系統(tǒng)改裝為雙燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（3）由于煤氣中的碳?xì)浔容^高，致使CO 含量較高，從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率及燃燒溫度均較低，燃燒速度同樣較慢。燃料在燃燒室中需有較長的逗留時間，因此必須增大火焰管的尺寸并改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)。

3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置在艦船上的應(yīng)用

燃?xì)廨啓C由于重量輕、體積小、機動性能好，近年來在國外艦船上已被逐步采用。但由于其油耗較高，在使用上仍受到一定的限制。而燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置可以較有效地提高燃?xì)廨啓C的經(jīng)濟性，節(jié)約能源，因而已受到廣泛重視。

艦船聯(lián)合循環(huán)裝置大規(guī)模的研究工作始于20 世紀(jì)70 年代，由于可以較大幅地降低能耗，世界上多個國家都曾對此制訂了研究規(guī)劃和發(fā)展計劃。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置應(yīng)用于艦船的優(yōu)勢有：①提高效率。相比單一艦用燃?xì)廨啓C動力裝置，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置有著較高的效率，從而降低燃料消耗，提升艦船續(xù)航里程。②改善經(jīng)濟效益。聯(lián)合循環(huán)裝置的耗油率比簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C低20%～25%，有些可超過30%，總功率也可以提高30%以上。

4 應(yīng)用于艦船與電站的區(qū)別

（1）燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置在艦船上主要用作主推進(jìn)動力裝置，所以燃?xì)廨啓C與汽輪機要先并車，然后再驅(qū)動螺槳［8］。由于機艙空間限制，燃?xì)廨啓C和汽輪機的體積應(yīng)盡可能小一些，汽輪機也以單缸為宜。

（2）在電站中，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置有增壓鍋爐、余熱鍋爐、排氣助燃等多種形式［9-10］，而在艦船上大都只采余熱鍋爐這類形式。余熱鍋爐將布置在燃?xì)廨啓C排氣道中，鍋爐的重量和體積均應(yīng)小一些，效率則盡可能高一些。要有足夠的強度，煙氣阻力卻不希望太大，有時為滿足艦船總體要求，寧可犧牲一些經(jīng)濟性。

（3）根據(jù)相關(guān)能源政策，在電站中，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置應(yīng)該盡量燒以煤為代表的固體燃料。而艦用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置通常優(yōu)先使用液體燃料，多以重油為主。

（4）在電站中，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的經(jīng)濟效益是首要目標(biāo)，因而余熱鍋爐的排煙溫度在不產(chǎn)生低溫腐蝕的前提下應(yīng)盡量低一些。熱力系統(tǒng)允許復(fù)雜一些，例如考慮中間再熱等。對所使用的材料要求也可以低一些，以便可隨時更換。而在艦船上，要求系統(tǒng)盡量簡單些，排煙溫度不可太低，設(shè)備不能隨時更換，對所用的材料要求也應(yīng)更高一些。雖然經(jīng)濟效益很重要，但對于艦船而言，動力裝置的安全可靠和機動性比電站更高。

（5）在發(fā)電用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置中，汽輪機的功率選擇應(yīng)和燃?xì)廨啓C在全工況運行時余熱鍋爐所能提供的蒸汽量相匹配。但在艦用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置中，要根據(jù)艦船的性質(zhì)和用途而定。民用船舶的情況和電站比較相似，但在軍用艦艇上就明顯不同。由于艦艇絕大部分時間運行在巡航工況，此時燃?xì)廨啓C運行在低工況，為減少聯(lián)合循環(huán)裝置的體積和重量，汽輪機功率應(yīng)與在巡航工況時余熱鍋爐所能提供的蒸汽量相匹配。當(dāng)聯(lián)合循環(huán)運行在高負(fù)荷時，寧可將多余部分的煙氣旁通余熱鍋爐而直接排出。

（6）艦用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置主要用于主推進(jìn)動力。當(dāng)燃?xì)廨啓C在低工況運行時，熱效率也隨之降低，耗油率相應(yīng)提高。余熱鍋爐的熱能回收率也在逐步提高。這兩個因素共同作用的結(jié)果是汽輪機功率在聯(lián)合循環(huán)總功率中所占的比率不斷增加，從而改善了燃?xì)廨啓C的低工況性能。如燃?xì)廨啓C繼續(xù)在低工況下運行，負(fù)荷率持續(xù)降低，聯(lián)合循環(huán)裝置的總輸出功率也會有所降低。當(dāng)燃?xì)廨啓C運行在低工況時，雖然其本身輸出的功率較小，但燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的總輸出功率會明顯更高，因而有可能高于艦船進(jìn)出港口和特種作業(yè)時所需要的功率。這是在艦船上燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置在非設(shè)計工況下運行時所出現(xiàn)的特有問題。可以有多種途徑解決上述問題，例如讓汽輪機退出運行，并將余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽迅速轉(zhuǎn)入冷卻減壓裝置然后通入熱力系統(tǒng)中。還可以使蒸汽回路停止工作，使余熱鍋爐處于“干燒”狀態(tài)。但一般情況下不建議余熱鍋爐長期干燒。

（7）由于在艦用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置中，燃?xì)廨啓C與汽輪機是通過機械系統(tǒng)聯(lián)合在一起的，但其機動性和動態(tài)特性卻不完全一致，因而在調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和傳動裝置的設(shè)計和操作運行中應(yīng)作充分考慮。務(wù)必使聯(lián)合循環(huán)裝置在確保安全可運行的前提下，不降低或盡量少降低燃?xì)廨啓C的機動性。對于軍用艦艇而言，該點尤為重要。

（8）通常而言，燃?xì)廨啓C是無法實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)的。對于發(fā)電站而言，該點并不構(gòu)成問題。但對于艦用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置，必須對該問題進(jìn)行詳盡考慮。該問題可通過變距槳、正倒車齒輪箱或倒順液力偶合器等方式來解決。必須對兩機間的運行方式進(jìn)行周密考慮，以確保整個裝置的可靠性和操縱性。

5 結(jié)論與展望

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置以其較好的起動性、經(jīng)濟性，環(huán)保性，從而在火力發(fā)電及軍用艦艇動力裝置領(lǐng)域均有應(yīng)用。考慮到其獨到的優(yōu)勢，針對其開展的技術(shù)研究及試驗驗證仍有較為深遠(yuǎn)的意義。