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1 联合循环系统
燃气轮机发电的生产流程是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和燃烧，产生高温烟气推动燃气轮透平带动发电机发电。这就是燃气轮机循环系统。燃气轮机由空气进气系统、多级轴流式压气机和燃烧系统、燃气轮透平与排气室组成，燃料主要为天然气、轻柴油、重柴油与重油。
燃气轮机排出的废烟气温度还很高(一般为400～600 ℃)，还有相当大的热能可以利用(占燃料总热能的63%～66%)，将它送入余热回收锅炉(HRSG)，产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。这就是蒸汽循环系统，蒸汽循环系统主要由HRSG和汽轮机组成。
把燃气轮机循环系统与HRSG及蒸汽轮机循系统综合在一起的发电系统称为联合循环发电系统。联合循环发电系统的净效率超过50%，现在最高可达56%～57%，远远超过常规电厂的热效率。
在联合循环发电系统中，燃气轮机与汽轮机的容量配合比例，一般为2∶1。例如，1台250 MW的燃气轮机可配1台125 MW的汽轮机组成1套375 MW的联合循环机组，或者2台250 MW燃气轮机可配1台250 MW的汽轮机组成一套750 MW的联合循环机组。
2 燃气轮机和余热回收锅炉
燃气轮机和余热回收锅炉(HRSG)是联合循环机组的主要部分，其中燃气轮机是制造厂的定型产品，而HRSG则是按照燃气轮机的型号规范和厂址条件与用户要求，通过优化设计制造的主要设备。
2.1 燃气轮机的性能特点
现在有运行业绩的50 Hz大型燃气轮机为GE和阿尔斯通公司的9E、9EC和9FA，西屋和三菱重工的701D和701F，西门子公司的V94.2，V94.2A和V94.3A，ABB公司的GT13D、GT13E2和GT26等四大类型燃气轮机。目前在建的和已经投入运行的50 Hz大容量联合循环发电机组，使用的全部是以上燃气轮机。其性能参见表1。
表1 四大类型燃气轮机性能一览表(50 Hz，ISO工况)
燃气轮型号
燃料
额定输出／
MW
单循环效率／
%
进气温度／
℃
压比
空气流量／
(kg.s－1)
排气温度／
℃
供货商
9E
天然气
123
34.0
1 124
12.3
404
538
GE
ALSTOM
9EC
天然气
169
34.9
1 204
14.2
499
558
GE
ALSTOM
9FA
天然气
250
36.5
1 327
15.4
645
609
GE
ALSTOM
701D
天然气
132
34.0
1 100
14.0
445
510
西屋／三菱
701F
天然气
250
37.0
1 350
16.0
652
553
西屋／三菱
V94.2
天然气
159
34.5
1 060
11.1
513
514
西门子
V94.2A
天然气
190
36.4
1 310
14.0
527
527
西门子
V94.3A
天然气
255
38.5
1 310
17.0
640
641
西门子
GT13D
重油
96
32.3
990
11.9
394
490
ABB
GT13E2
天然气
164
35.7
1 100
15.0
525
525
ABB
GT26
天然气
251
38.0
1 235
30.0
562
610
ABB
燃气轮机以空气为工作介质，空气的温度和比重随厂址条件而变化，国际上规定环境温度为15 ℃，大气压力为101.3 kPa，相对湿度60%为ISO工况(即标准工况)，制造厂按ISO工况设计制造燃气轮机。当大气温度和大气压力超过ISO工况时，燃气轮机的发电出力和效率都要下降，其中发电出力的降幅较大。
燃气轮机利用压气机进气导叶的开度来调节空气进气量，调节范围为100%～70%。当负荷小于70%，只能通过控制燃料来控制燃气轮机的出力。所以燃气轮机低负荷运行时，效率大幅度下降，带50%负荷时效率下降5～7个百分点，故燃气轮机不适宜于带部分负荷运行。
燃气轮机的起动时间很短，一般从起动到带满负荷不到30 min。如果加上联合循环的蒸汽部分，在热态下起动，也不超过70 min。所以在停机后采取保温措施，机组可以迅速起动带负荷。
2.2 余热回收锅炉的类型
余热回收锅炉(HRSG)有多种类型，按蒸汽压力划分，有三压、双压和单压，还有三压再热和双压再热。按照蒸发系统循环方式划分，有自然循环和辅助循环两种循环方式。按照布置形式划分，有水平布置(或卧式)和垂直布置(或立式)两种布置形式。
三压再热蒸汽系统的热效率高，发电出力也稍有增加，但系统复杂，投资也较大。目前只有250 MW大容量燃气轮机的HRSG采用三压再热系统。90～200 MW大容量燃气轮机的HRSG基本上都采用双压蒸汽系统。单压蒸汽系统的热惯性较小，但因为效率比双压系统低4～5个百分点，所以除小型燃气轮机的HRSG采用以外，一般都不采用。
自然循环炉为水平布置，其入口热烟道、锅炉本体与换热模块及烟囱沿长度方向成卧式排列，自然循环炉的炉水经热烟气加热后产生循环，所以起动时间较长。辅助循环炉为垂直布置，其入口热烟道、锅炉本体与换热模块及烟囱，从下到上垂直布置，烟囱布置在炉顶，整个HRSG全部悬吊在炉架上。燃气轮机起动时，HRSG的炉水通过循环泵进行循环，可以快速起动产生蒸汽向汽轮机送汽，缩短蒸汽部分的起动时间。
3 联合循环机组的类型和应用情况
目前在建的和已经运行的大型联合循环发电机组有单轴机组和多轴机组两大类：单轴机组是指由1台燃气轮机与1台容量匹配的汽轮机共同带动1台发电机而且燃气轮机与汽轮机和发电机组装在1根主轴上的联合循环机组；多轴机组是指燃气轮机与汽轮机分别带动1台发电机的联合循环机组，一般为2台、3台或4台燃气轮发电机与1台汽轮发电机组成的多轴联合循环机组。
3.1 单轴联合循环机组
90年代初期，GE和阿尔斯通公司在推出新开发的9FA大型燃气轮机的同时，推出了由9FA组成的109FA单轴联合循环机组，接着西门子公司和ABB公司相继推出了以V94.3A和GT26燃气轮机为基础的GUDIS.94.3A和KA26-1单轴联合循环机组，西屋公司和三菱重工推出了以701F为基础的1×1-701F和MPCP1-701F单轴联合循环机组，机组性能见表2。
单轴机组从工艺系统到厂房布置，都完全独立自成体系，控制系统简单，运行操作容易，但部分负荷时效率大幅度下降，NOx排放物大幅度增加，所以这类机组适合于带基本负荷运行；另外单轴机组的主轴较长，轴系较复杂，调试难度大，据说有的单轴机组因为振动问题长期不能移交生产。
以9FA、701F、V94.3A和GT26大型燃气轮机为基础的50 Hz 380～396 MW单轴机组，是目前世界上最大的单轴机组，其HRSG的蒸汽系统大多数为三压再热系统，效率在55%以上，现在已有30多套这类单轴机组投入运行，包括英国6套、荷兰5套、葡萄牙3套、我国香港6套、日本东京8套，运行时间最长的已超过3 a。
3.2 多轴联合循环机组
多轴机组一般为二拖一、三拖一或四拖一等配置型式，通常用2＋2＋1，3＋3＋1和4＋4＋1表示，第一个数字表示燃气轮发电机数量，第二个数字表示HRSG数量，第三个数字表示汽轮发电机数量。例如3＋3＋1表示由3台燃气轮发电机和3台HRSG与1台汽轮发电机组成的多轴联合循环机组。多轴机组的容量是根据电力系统的要求、电厂规模和负荷需要，结合燃气轮机容量和机组配置型式统一考虑，并通过技术经济分析确定。目前有使用经验的多轴机组容量为270～850 MW，机组性能见表3。
在多轴机组中，任何1台燃气轮发电机停用时，不影响其他燃气轮发电机和汽轮发电机的运行，如果汽轮发电机停用，燃气轮发电机还可以单循环方式发电运行。当电力系统要求机组降低负荷运行时，2＋2＋1多轴机组可停1台燃气轮发电机带50%的负荷运行；3＋3＋1多轴机组可停1台或2台燃气轮发电机，带66%或33%的负荷运行。此时，燃气轮机仍可保持高效发电。这一点对于以天然气为燃料的联合循环机组来说，经济上十分重要。
以9FA、701F、V94.3A和GT26等250 MW大型燃气轮机为基础按照2＋2＋1组成的750 MW多轴联合循环机组，是目前最大的2＋2＋1多轴机组，其HRSG的蒸汽系统亦为三压再热系统，机组效率亦在55%以上，现在已有十多套投入运行。包括英国8套、泰国3套、阿根廷4套，运行时间最长的已超过4 a。 现在还在研究用3台 250 MW燃气轮机按照3＋3＋1组成1 125 MW多轴联合循环机组的问题。
表2 单轴联合循环机组性能一览表(50 Hz，ISO工况)
项 目
S-109 FA
VEGA-109 FA
1×1-701 F
MPCP1-701 F
GUDIS.94.3 A
KA 26-1
机组净输出功率／MW
392
395
380
396
机组净效率／%
56.0
56.0
58.0
58.0
表3 多轴联合循环机组性能一览表(50 Hz，ISO工况)
燃气轮机
型 号
2＋2＋1
3＋3＋1
4＋4＋1
附 注
净输出／MW
净效率／%
净输出／MW
净效率／%
净输出／MW
净效率／%
9E
370
52.0
556
52.0
740
52.0
双压
9EC
520
52.0
779
52.0
双压
9FA
788
57.0
三压再热
701D
390
52.0
587
52.0
783
52.0
双压
701F
797
56.0
三压再热
V94.2
478
52.0
720
52.0
双压
V94.2A
558
54.0
826
54.0
双压
V94.3A
760
58.0
三压再热
GT13D
276
47.2
416
47.2
548
47.2
单压、双压
GT13E2
477
53.5
717
53.5
双压
GT26
750
58.0
三压再热
用90～190 MW的大型燃气轮机按照2＋2＋1，3＋3＋1或4＋4＋1组成容量为270～850 MW的多轴机组，HRSG蒸汽系统采用双压无再热，效率在52%以上。这类机组约有100多台已经投入运行，其中60%为2＋2＋1配置，40%为3＋3＋1或4＋4＋1配置。
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