燃氣蒸汽聯合循環發電中余熱利用的節能技術研究

摘要：以某燃氣蒸汽聯合循環發電項目為例，探討余熱利用的多種節能技術，包括余熱鍋爐優化技術、熱交換器改進技術、余熱回收蒸汽再熱技術、煙氣余熱預熱給水技術。研究表明，合理應用這些技術能夠顯著提高發電效率，降低運營成本，并促進電力行業的可持續發展。

關鍵詞：燃氣蒸汽聯合循環發電；余熱利用；節能技術；能源效率

中圖分類號：X773 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-0-03

Research on Energy Saving Technology of Waste Heat Utilization in Gas Steam Combined Cycle Power Generation

LI Peng

（China Electrical Equipment Research Institute of Science and Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200040， China）

Abstract： Taking a gas steam combined cycle power generation project as an example， this paper explores various energy-saving technologies for waste heat utilization， including waste heat boiler optimization technology， heat exchanger improvement technology， waste heat recovery steam reheating technology， and flue gas waste heat preheating feedwater technology. Research has shown that the rational application of these technologies can significantly improve power generation efficiency， reduce operating costs， and promote the sustainable development of the power industry.

Keywords： gas steam combined cycle power generation; waste heat utilization; energy saving technology; energy efficiency

燃氣蒸汽聯合循環發電是現代電力工業的重要組成部分，在能源高效利用、減少環境污染等方面發揮著關鍵作用。隨著經濟的持續發展和能源需求的不斷增長，電力生產過程中的能源消耗和碳排放問題愈發凸顯[1]。基于此，分析當前燃氣蒸汽聯合循環發電余熱利用面臨的主要挑戰以及相關節能技術的應用效果，以期為電力行業實現可持續發展提供參考。

1 燃氣蒸汽聯合循環發電概述

燃氣蒸汽聯合循環發電是現代電力工業中一種高效的發電方式，主要涉及燃氣發電和蒸汽發電兩個環節。燃氣發電系統通過燃燒天然氣等清潔燃料驅動燃氣輪機做功發電；蒸汽發電系統則利用燃氣輪機排出的高溫煙氣產生蒸汽，驅動蒸汽輪機再次發電。

在能源需求不斷增長以及對發電效率和環境保護要求日益提高的背景下，燃氣蒸汽聯合循環發電技術憑借高效、清潔的特性得到了廣泛應用。現代燃氣蒸汽聯合循環發電系統設計重點在于實現燃氣和蒸汽兩個循環的協同運行，并且通過先進的控制系統確保各個組件之間的高效配合，最大限度地提高發電效率。在其運行過程中，余熱利用技術的應用占據著重要地位[2]。實踐表明，合理應用余熱利用技術能夠顯著提高能源轉換效率，減少燃料消耗，從而降低發電成本和減少污染物排放，對電力行業的可持續發展具有重要意義[3]。

目前，我國燃氣蒸汽聯合循環發電中的余熱利用仍面臨一些挑戰。一方面，余熱回收裝置的效率有待提高。部分余熱回收設備受設計、制造或運行維護等方面的影響，無法充分回收高溫煙氣中的余熱，導致能量浪費。另一方面，余熱利用系統與整個發電系統的集成性不夠完善。在一些發電項目中，余熱利用系統在運行過程中會與燃氣發電和蒸汽發電系統出現匹配不佳的情況，影響整體發電效率的提升。針對上述問題，當前急需推動燃氣蒸汽聯合循環發電中余熱利用向高效、穩定、全面的方向發展。要解決余熱利用方面的問題，需要發電企業、設備制造商和科研機構共同努力。政府也應提供政策上的支持并加大資金投入，結合余熱利用技術的創新以及管理措施的改進，如優化余熱回收裝置設計、加強系統集成度研究、提高設備運行維護水平等，有效提升燃氣蒸汽聯合循環發電中余熱利用的效率和效益。

2 余熱利用的節能技術應用原則

2.1 能量回收最大化原則

在燃氣蒸汽聯合循環發電中，能量回收最大化是關鍵的指導原則，余熱利用工程要從技術、經濟、環境3個維度實現能量的全面高效管理。技術維度上，可運用高效的余熱回收轉換技術和智能監測控制系統，從而有效提升余熱回收效率、減少能量散失[4]。經濟維度上，重視成本效益的最優化，保證節能技術的投入能夠獲取合理的經濟收益。環境維度上，注重減少能源消耗所帶來的環境影響。余熱利用節能技術的有效應用既應滿足當前電力供應需求，又要有助于解決溫室氣體排放等環境問題，實現環境的可持續發展。由此可知，能量回收最大化的綜合考量推動了能源、經濟、環境的多贏，為燃氣蒸汽聯合循環發電中余熱利用的可持續發展筑牢根基。

2.2 系統兼容性原則

針對燃氣蒸汽聯合循環發電中的余熱利用節能技術，必須嚴格遵循系統兼容性原則。系統兼容性原則要求在余熱利用技術的設計和應用中，必須與整個燃氣蒸汽聯合循環發電系統的各個組成部分相協調統一，即綜合考慮燃氣輪機、蒸汽輪機、余熱鍋爐等設備的性能、運行參數以及耦合關系等。基于對整個發電系統各組件特性的考量，通過特定的技術設計實現余熱利用系統與發電主系統的穩定運行[5]。具體而言，如果發電系統中的燃氣輪機采用新型的高溫燃燒技術，余熱利用系統的節能技術設計應適配其產生的更高溫度的煙氣；如果蒸汽輪機的進汽參數有所調整，余熱利用系統也要相應改變蒸汽產生的參數，以確保整體發電效率。在實際設計與應用過程中，技術人員需要結合發電企業的運營模式、維護能力等因素，實現余熱利用節能技術與整個發電系統的深度融合，提高系統的穩定性。

3 余熱利用的節能技術應用及效果分析

某燃氣蒸汽聯合循環發電項目的總裝機容量為500 MW，包含2臺燃氣輪機、2臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪機。該項目設計發電效率高達60%，展現了較好的發電性能與系統合理性。在設計余熱利用系統的過程中，為提高能源利用效率，項目采用了多種余熱利用節能技術。

3.1 余熱鍋爐優化技術

現代燃氣蒸汽聯合循環發電項目設計中，可采用余熱鍋爐優化技術實現余熱的高效利用。該技術可有效收集燃氣輪機排出的高溫煙氣，通過優化余熱鍋爐的受熱面結構和傳熱過程，將更多的余熱轉化為蒸汽，從而有效提高了余熱回收效率。對于該項目案例，燃氣輪機排氣流量為500 kg/s，排氣溫度為600 ℃。余熱鍋爐進口煙氣熱量Q1的計算公式為

Q1=c×m×（T1-T2）（1）

式中：c為煙氣比熱容，取1.1 kJ/（kg·℃）；m為煙氣質量流量；T1為排氣溫度；T2為余熱鍋爐出口煙氣溫度，設為200 ℃。代入數據可得Q1為220 000 kJ/s。

通過余熱鍋爐優化技術，蒸汽產量提高了20%。進一步提高后的蒸汽可用于驅動蒸汽輪機發電，從而顯著提高了整個發電系統的發電效率，降低了對燃料的依賴，實現能源的有效節約。此外，余熱鍋爐優化技術設計需綜合考慮技術、經濟、環境等因素，確保系統的穩定性，并持續監測優化，以進一步提升系統的節能效果及其整體經濟效益。

3.2 熱交換器改進技術

在燃氣蒸汽聯合循環發電項目中，熱交換器改進技術有助于提高余熱利用效率。熱交換器是實現熱量傳遞的關鍵設備，下面將針對熱交換器的改進方案和運行效果，具體探討熱交換器改進技術的應用。考慮熱交換器的傳熱效率及可靠性，設計時必須優化其結構、材質和換熱流程。改進后的熱交換器采用高效換熱管，增加了換熱面積，提高了傳熱系數。熱交換器傳熱量Q2的計算公式為

Q2=K×A×?T（2）

式中：K為傳熱系數，改進后K值提高了30%；

A為換熱面積；?T為對數平均溫差。假設原K值為500 W/（m2·K），改進后的K值為650 W/（m2·K），A為100 m2，?T為50 K，則改進前的Q2為2 500 000 W，改進后的Q2為3 250 000 W。計算結果表明，改進后的Q2顯著提高。通過熱交換器改進技術，將更多的余熱傳遞給其他介質，如預熱燃燒空氣或加熱給水，從而提高了整個系統的熱效率。不同工況下熱交換器的節能效果如表1所示。

3.3 余熱回收蒸汽再熱技術

為提高蒸汽品質和發電效率，可引入余熱回收蒸汽再熱技術。特別是在蒸汽輪機發電環節，蒸汽再熱可有效提高蒸汽做功能力。本研究項目中，從余熱鍋爐產生的蒸汽首先進入高壓蒸汽輪機做功，然后引出部分蒸汽進行再熱。再熱前的蒸汽壓強為10 MPa，溫度為400 ℃，再熱后的蒸汽溫度為500℃。再熱蒸汽吸收的熱量Q3的計算公式為

Q3=m1×（h4-h3）（3）

式中：m1為再熱蒸汽流量；h3和h4分別為再熱前后蒸汽的焓值。假設m1為100 kg/s，根據蒸汽焓值表查得h3為3 096 kJ/kg，h4為3 479 kJ/kg，代入可得Q3為38 300 kJ/s。蒸汽再熱后進入低壓蒸汽輪機繼續做功，與未采用再熱技術相比，發電功率提高了10%。對比結果表明，在蒸汽輪機發電系統中應用余熱回收蒸汽再熱技術可顯著提高發電效率，增加發電量，節省大量能源資源。因此，在燃氣蒸汽聯合循環發電項目中可進一步推廣應用余熱回收蒸汽再熱技術，在提高能源使用效率的同時，為發電項目長期運營帶來經濟效益和環境效益。

3.4 煙氣余熱預熱給水技術

燃氣蒸汽聯合循環發電工程項目節能設計需要注重煙氣余熱預熱給水技術，這是實現能源高效利用的重要措施。給水預熱程度會直接影響整個發電系統的熱效率，不同預熱溫度的系統熱效率如表2所示。

本項目采用煙氣余熱預熱給水技術，利用燃氣輪機排出的煙氣余熱預熱給水。通過在余熱鍋爐尾部設置給水預熱器，將給水溫度從100 ℃提高到200 ℃。根據熱量平衡原理，煙氣放出的熱量等于給水吸收的熱量。給水吸收熱量Q4的計算公式為

Q4=m2×c2×（T6-T5）（4）

式中：m2為給水量，設為200 kg/s；c2為水的比熱容，取4.2 kJ/（kg·℃）；T5為給水溫度；T6為提高后的給水溫度。代入數據可得Q4為84 000 kJ/s。通過煙氣余熱預熱給水技術，系統熱效率從48%提高到53%。對比分析可知，采用煙氣余熱預熱給水技術可顯著提高系統熱效率。因此，根據發電項目實際需求采用煙氣余熱預熱給水技術，對于燃氣蒸汽聯合循環發電項目節能具有重要意義，可顯著提高發電效率，減少燃料消耗。

4 結論

通過對余熱鍋爐、熱交換器、蒸汽再熱、給水預熱以及余熱發電驅動輔機等技術的深入分析可知，余熱利用不僅能有效降低能源消耗，還能減少環境污染，促進資源的可持續利用。未來，隨著技術的不斷進步和政策的支持，燃氣蒸汽聯合循環發電中的余熱利用將迎來更廣闊的發展前景。

參考文獻

1 趙 春，王培紅.燃氣-蒸汽聯合循環熱經濟學分析評價指標研究[J].中國電機工程學報，2013（23）：44-50.

2 張 衛，俞哲鋒，施子福，等.燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐尾部受熱面銹蝕對煙道阻力的影響[J].發電設備，2024（3）：138-143.

3 奚凌峰.9FA燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐保溫保壓能力提升[J].電力設備管理，2024（1）：245-247.

4 楊添林，莫政宇.基于溫差發電—有機朗肯循環聯合循環的鋁電解槽余熱綜合利用系統[J].內燃機與配件，2023（4）：6-9.

5 王 渡，王志剛，張錦坤，等.燃氣輪機/超臨界二氧化碳聯合循環余熱利用及動態特性分析[J].熱力發電，2023（11）：67-75.