水泵必须具备处理电站全部凝结水流量的能力，这就又带来了维护费用和运行可靠性的问题。
各种类型的加热器可以应用在许多途径。混合式加热器作为除氧器被广泛采用，其出水则被直接引入锅炉给水泵。由于除氧器是蒸汽和凝结水共用的水箱，常常引入其它疏水与主凝结水混合。因此，图4-2 (a)中所示的混合式换热器只有这一个重要用途。
表面式加热器在实践中至少有三种可能的布置。最通常的布置如图4-2 (b)所示。在这种布置中被称为闪蒸加热器。它名称的由来是因为在其壳侧抽汽凝结成的疏水“闪蒸”进入到低压力的疏水扩容器。该类型常常是来自上一级较高压力加热器的疏水被引入到闪蒸加热器，然后和本加热器抽汽凝结成的疏水混合后排出。这种布置必须在加热器疏水出口管道上安装出口阀，用来维持该加热器壳侧和低压疏水扩容器之间的差压。有一种替代情况是加热器中的给水以给定的流率流经一个孔口，而给定的流率建立在热平衡的基础上。
如图4-2(c)所示，在另一种布置中表面式加热器被称为带疏水泵的加热器。 它名称的由来是因为加热器疏水是靠疏水泵泵入该加热器出口主凝结水管路。和简单的闪蒸加热器一样，来自上一级较高压力加热器的疏水有时也被引入其壳侧。衡量此种加热器相对于闪蒸加热器的热力学收益必须考虑不得不使用疏水泵所带来的不利因素。一般来说，疏水泵是可靠的；尽管如此，它毕竟是可能降低循环可靠性的一个额外的机械设备。
第三种同时也是非常复杂的表面式加热器的布置如图4-2(d)所示。这里，预热设备可作为管束整体的组成部分，合理地布置在表面式加热器壳内，也可以整个以外置式单元形式布置。预热单元将加热器疏水中的热量传递给流入的凝结水，可能由于存在温差，它被称作疏水冷却器。 这就是疏水冷却器加热器布置。 疏水冷却器的明显优点在于它减少了引起其内部热量传递的传热温差。 加热时使用的是温度较低的水，而不直接用抽汽，这样就提高了传热的可逆性和循环热效率。 在热平衡设计中可以看到疏水冷却器具有显著优点。 虽然它是一个具有高可靠性的静态设备，但它在传热方面的优点常常被人们忽略。 4.4 用于电力生产的煤气化
煤气化炉合成的煤气有很多应用。 通过附加的化学反应处理，CO-H2负载气体可以进一步转换为氨水、甲醇、乙酸酐、汽油和其它副产品，这些应用正在全球范围内进行商业运作，然而和基于石油、天然气的化学制品相比，常常需要更高的费用。
合成煤气也可以用来发电，最近的应用是在燃气轮机中燃烧。通过从气化炉和燃气轮机排气中回收余热生产蒸汽，一个燃气轮机（布雷顿）循环和汽轮机（郎肯）循环可以有效地结合，构成整体煤气化联合循环。虽然技术上可行，但是这种用煤发电的方法还没有大量的商业应用，因为常规的燃烧系统较为便宜和简单。然而，进一步的发展和越来越严格的环境规章制度使更多的人对IGCC感兴趣。 4.4.1整体煤气化联合循环电站
如图4-3所示，在联合循环电厂中，通过煤气化和燃烧气体燃料进行电能生产的方式要求设备高度地一体化。简而言之，高温燃气在燃气轮机中膨胀驱动空气压缩机和发电机，其中部分压缩空气被用来气化煤炭。
高达1000F (538C)的燃气轮机排气流经余热锅炉(HRSG)生产过热蒸汽，用以驱动汽轮发电机组。气化过程中释放的大量热能也必须被回收进入蒸汽循环来提高电站的整体效率。
整体煤气化联合循环系统的设计是相当复杂的，需要综合考虑，合理地的平衡投资成本、电站效率、可
31
操作性和特定应用下的环境保护等诸多因素。例如，气化炉的选型就影响燃气热量回收的数值。 在设计的高效率循环中，工作在高温下的氧气携带流气化炉需要冷却更多的新烟气。这些冷却器必须在恶劣的气体环境中工作，而且是关乎电站运行可靠性的一个重要设备。
将大量低品质蒸汽的热量(受限于金属承受温度)吸收至蒸汽循环会使电站控制系统和操作变得复杂。与之相比，通过冷却新烟气可减少回收热量的投资成本和复杂程度，但会极大地降低效率(比回收全部热量效率下降近10%)。
制氧设备整合是另一种设计方向。如图4-3所示，由汽轮机驱动的空压机直接将空气送至制氧设备，由于减少了外部压缩设备，因此制氧过程更加高效。然而，压缩机和汽轮机之间存在相当大的系统容积，因此这些地方对汽轮机有更高的控制要求。
燃料特性等其他一些技术因素会影响工艺设计。褐煤这样的高水分燃料可能不适合作为水煤浆提供给气化炉，因为那样会降低效率。燃烧较大容积、较低热值的煤气时，在燃气最小热值、污染物排放性能和空压机工作范围方面，燃气轮机有更好的能力处理空气流量和烟气流量之间的不匹配问题。设计时还需考虑环境温度的影响和电站负荷需求特性。
电站的规模主要取决于燃气轮机。一套燃气/蒸汽轮机机组出力可超过250MW，其中60%来自燃气轮机。 更大的电站则需要多级燃气轮机，这样就可以实现规模经济，因为只需要维护一台蒸汽轮机，并且具有更大的电厂平衡系统，如燃料处理，电气和控制以及水处理。IGCC可以分期建设，先建一个以天然气为燃料的燃气轮机（简单循环），再依次建造蒸汽轮机和余热锅炉（联合循环），最后建设一个煤气化系统，这样就能使业主更加灵活地满足负荷在峰谷之间变化的需求，同时也适应于天然气成本高于煤炭的现状。虽然原理很简单，但将天然气改为煤气，还需要在燃气轮机和蒸汽侧热平衡方面做很多改进。
各种各样可利用的技术和外界设计因素结合起来使IGCC电站的设计变成一个复杂、地点相关性强的过程。 同时，这种灵活性提供了一个机会，可以针对各种应用制造出一个最优化的系统。 4.4.2 IGCC的优点
对更加清洁环境的需求是推动整体煤气化联合循环发展和实施的主要力量。 常规燃煤电厂持续增加环境控制措施来满足日益严格的污染物排放要求。 整体煤气化联合循环电厂本质上有潜力达到非常低的排放物。 带有冷气清洁系统的吹氧气化炉就非常合适，具有较低的二氧化硫、氮氧化物、固体废弃物和空气污染物的排放水平。
如上所述，采用带有Claus和尾气净化系统的IGCC电厂可以脱除99%以上的硫。 常规燃煤电厂的湿法脱硫也可以在设计后达到相似的性能，这需要通过使用更加昂贵的高性能脱硫剂和/或更多的辅助能源用以提供更多的脱硫剂与烟气的相互作用。
由于已经在冷气清洁系统中脱除了燃料氮，从IGCC系统中排放的NOx严格地由燃气轮机的性能决定。以目前科技水平的燃烧室，氮氧化物排放小于0.05 lb/106Btu(21.5g/GJ)是可行的，取决于燃气燃烧的热值(可以加上水分和/或氮)和汽轮机入口温度，这两者都影响火焰峰值温度和热力型NOx的生成。 比较起来，常规燃煤电厂只能通过低NOx燃烧技术结合烟气脱硝才能达到这样的数值。
带有鼓泡气化炉的IGCC电厂产生的固体副产物主要包括气化炉的炉渣和单质硫。 如果硫磺作为商品出售，需要处理的就只有燃料灰了。 根据燃料硫含量，常规燃煤电厂由于二氧化硫(SO2)副产品可能生成两倍的固体废料。然而，这也许可以通过常规电厂脱硫系统产生的可供出售的石膏或可再生脱硫系统的
32
其他副产品得到部分的补偿。
现在，重金属、空气污染物和极微小颗粒物排放对环境的影响得到了仔细的调查研究。IGCC系统也在这方面表现了优越性。
相对于常规电厂，高循环效率是IGCC系统的另一个优点。基于全球关心的二氧化碳排放问题，效率已经不仅是一个与燃料成本相关的经济问题，还是一个环境问题。
理论上的整体煤气化联合循环的效率在38%到43%的之间，这取决于交易投资成本、电站一体化程度，以及燃料类型等因素。由于开发出了具有更高燃烧温度的燃气轮机，进一步提高循环效率变为可能。最新型的大型超临界蒸汽电站效率大约为38%，而亚临界蒸汽循环效率大约为35%。
正在开发的带热烟气净化的吹空气IGCC系统可以作为另一选择，它不需要进行氧气分离，也不需要类似化工厂的冷烟气净化过程。 这就将电厂设计简化成了电力工业更加熟悉的设备和过程设计。比吹氧气系统具有更低的投资成本和更高的效率是追求的目标之一。由于有关高温烟气清洁的环境标准很严格，所以需要进一步改进，以降低含有燃料氮化物的燃气轮机燃烧室中氮氧化物的排放水平，脱除温度高达1000F(538C)的烟气中的颗粒物，同时展现合理的性能和寿命。
总之，无论是整体煤气化联合循环发电系统，先进的郎肯循环蒸汽电站，还是增压流化床这样一些具有竞争力的其他发电系统，它们的发电成本将会决定其在将来应用的广泛程度。
第7章 燃气轮机和联合循环电站
7.1 燃气轮机
7.1.1燃气轮机的发展
1.燃气轮机是以连续流动的气体为工质，把热能转换为机械能的旋转式动力机械。绝大多数燃气轮机的工质是空气。公元1世纪，亚历山大城的希罗发明了风车，这是人类最早的利用空气动能的装置。
2.工业革命时进一步发展了利用运动的空气带动机器旋转的原理。依据这个原理，19世纪出现了燃气轮机的前身，一些利用压气机产生压缩空气推动的透平。这些机械的压气机和透平一般都是独立的。
3.1872年德国工程师F. Stolze1的专利勾勒出了现代燃气轮机的原型。压缩空气由与透平共轴的轴流式压气机产生，然后与燃料混合后燃烧生成高温高压的气体推动透平。
4.依据Stolze1的专利的设计，压气机由燃气轮机本身来带动，从而解决了压气机的所需的动力问题。如果燃料燃烧产生的高温燃气通过透平生成的功不足以带动压气机，燃气轮机就不能正常运转。因此，透平和压气机都最低需要达到80%左右的效率。另外，能量的充分利用要求气流的充分膨胀，所以对透平燃气进口温度也有最低要求。只有满足这些条件，燃气轮机才能持续运行。
5.由于制造水平达不到要求，虽然Stolze1设计的系统已经包含了现代燃气轮机的所有特征，却不能连续运行。1903年，在巴黎制造出了第一台能连续运行的机器，但其压气机并不与透平共轴。同年晚些时候，Aegidus Elling在挪威制造出了第一台压气机与透平共轴的燃气轮机，其燃气进口温度达到了400°C。
6.20世纪初，工业应用的用来压缩空气、输出动力或同时两方面作用的燃气轮机都有了很大发展。20世纪30年代，人们认识到了燃气轮机在飞机动力上应用的前景。德国、英国和美国都已有战斗机运用涡轮喷气发动机作的成功之例。军事上的应用促进了在民航飞机上的应用，到现在，全球的航空公司的飞机的发动机基本都是燃气轮机。
33
7.20世纪70年代末至80年代初期，燃气轮机开始有限的应用于发电上。由于燃气轮机发电机组能快速的启动和加载，主要作为电网尖峰负荷时的紧急备用电源，从而较好的保障电网的安全运行。此时，用来发电的燃气轮机是由航空发动机发展而来的。直到20世纪80年代末，发展了专门应用于发电的重型燃气轮机。
7.1.2布雷顿循环体系
1.燃气轮机一般都是如图7-1所示的开式循环。压气机连续的从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即进入透平在喷管叶栅内膨胀做功，推动透平叶片旋转，透平叶片带动在磁性线圈内的轴旋转，从而产生电力。开式循环中，透平的尾气排放入环境中而不再进入下次循环。
图 7-1 燃气轮机开式循环 图 7-2 燃气轮机闭式循环
2.采用空气标准假设的开式循环燃机，可以设计为如图7-2所示的闭式循环。闭式循环的压缩过程和膨胀过程是一样的，而等压加热代替了燃烧。理想的闭式布雷顿循环中包括四个内部可逆过程：
1-2 等熵压缩（在压气机中） 2-3 等压加热
3-4 等熵膨胀（在透平中） 4-1 等压冷却
3.空气标准假设：假定压缩过程和膨胀过程都是绝热可逆的，在加热过程没有压降，并且工质的初压与末压相等。
4.内可逆过程：根据热力学，限定温度下，绝对可逆循环（机械和热力学都可逆）有最高的效率和功率。机械可逆是一系列机械平衡状态，如流体没有磨擦、涡流和自由膨胀。依据热力学第二定律，热力学可逆只能在循环最高温度时加热，并在最低温度时放热。
5.等熵：过程等容或等压。
6.压气机：高效的压缩大体积空气，是一台成功的燃气轮机的是必不可少的特征。有两种可行的压气机，轴流式压气机和离心式（径流式）压气机。大部分发电厂的压气机是轴流式的。好的压气机要求压气机级数尽可能小，可通过尽可能多的空气，并在运行工况下有最高的效率和保持空气动力稳定性。压气机的动叶栅在静叶栅之后，压气机的一级由一个动叶转子和一个静叶叶栅组成。动叶转子推动流体进入静叶栅，流体在静叶中增压后导向下一级动叶转子。流体相对于叶片的初速和终速的角度不同。
7.燃烧/燃烧室：燃烧，是物质和氧化剂，通常是氧气的化合反应，并伴随着生成高温或放热的过程。燃烧室的作用是将压气机增压后的高压空气加热到透平前允许的温度，理想的过程中没有压损。在燃烧室中，空气直燃加热，少于1/3的空气与燃料燃烧，然后与余下的部分混合。开式循环燃机，燃料是在燃气轮机内部燃烧，必须解决燃料的投放，混合和燃烧问题。常见的是气体和液体的燃料，固体燃料尚在试验阶段。液体和气体燃料通常是碳氢化合物。最常用的气体燃料是天然气，成分以甲烷、丁烷和戊烷为主。从高精炼汽油到煤油和轻柴油甚至到重质残油都可以作为液体燃料。燃烧本身是一个技术难点，其难点在于如何在固定大小的燃烧室中安排燃烧，满足低压降的同时，达到高功率重量比、高输出潜力和转动元件。如果允许的压降足够大使空气和燃料可以充分混合，并且空间足够大可在必要的时间内充分燃烧，那么基本上所有的燃料都可以顺利燃烧。
34
8.透平：（见图7-3，4和5）相对大量的空气在燃气轮机循环中高速运动。由于没有往复式运动，燃气轮机的力学特性是非常平滑的。高应力的转子部件是不安全，必须精确平衡，以避免高速旋转时引起破坏性振动，。叶片必须经过精密调整以避免共振。相对而言，燃气轮机的运动部件较少（没有滑行部件）并不受到振动作用力。因此，如果设计和开发恰当，能达到较高的可靠性。燃气轮机本质上是最普通的气体连续流动的热机，其过程包括从大气中吸气并压缩、等压燃烧以获得高温燃气、高温燃气的膨胀以及最后向大气中排气。燃气轮机和汽油机、柴油机的工质是一样的，并也是内燃的，而工质的稳定流动与蒸汽轮机相同。在旋转的转子中压气和膨胀，通过旋转运动进行流体和转子的能量交换，而不是利用往复式装置。 图7-5 燃气轮机横截面
7.1.3 现代燃气轮机设计
燃气轮机运行的关键是压气机和透平的效率。有效功必须大于本身耗功，才能保证持续运行。另外，效率越高，实际效用越大。
现代燃气轮机在电力生产中广泛应用的关键原因之一，就是因为有较高的运行效率。等量的燃料，效率越高，生产的电力越多。另外，效率问题也是从环境角度考虑的。使用化石燃料的电厂效率越高，生产一单位的电力对大气的污染物越少。就这方面而言，燃气轮机具有很大的优势。
效率对于航空工业同等重要，但是航空应用的涡轮必须要轻，而且要极端可靠。对于电力生产而言，需要考虑的是成本，而不是重量。因此，两种类型的燃气轮机的有着不同的发展道路。
上文已经提到，最早设计的燃气轮机，压气机和透平是独立的。Stolze的设计通过将压气机和透平共轴，简化了燃气轮机的结构。采用这种结构，电厂可以直接使用透平输出的机械能来带动压气机。
现代电力生产应用的燃气轮机，压气机为多级轴流式压气机，可将空气增压到15-19个大气压。这些压气机一般有10-12级，其效率大约为87%。
压气机增压后的高压空气进入燃烧室，在其中与燃料混合后燃烧，形成1400°C的高温燃气，一些最新的型号能达到更高的温度。高温时，氧气和氮气会生成NOx，通过设计燃烧室控制燃烧过程，使氧气充分消耗，尽量减少和氮气化合的氧气量，从而减少NOx的产生。
燃烧室有不同的设计和布置。一些燃气轮机的燃烧室与涡轮是独立的；另一些燃烧室布置在压气机和透平之间；还有另外一些有多个燃烧室，环绕的布置在涡轮周围。
为了防止烧坏透平的第一级，必须小心的控制燃烧室加热后的燃气温度，这是非常重要的。但是为了达到更高的效率，需要尽可能的提高温度。因此，随着材料的发展，透平进口温度也在不断提高。在1967年，透平初温大约为900°C，1970年1100°C，到了2000年材料的发展使得进口温度达到1425°C。
现代燃气轮机的透平一般有3到5级，达到89%左右的透平效率。一些设计中，压气机和透平叶片装置在一根轴上；另外的设计有两根同心的轴，其中一根装置压气机叶片和透平的第一级或前两级叶片。第一根轴上的透平级带动压气机，第二根轴带动发电机来生产电力。
发电用的35-45MW的小型燃气轮机可以达到38%的能量转换效率。更大的燃气轮机一般是应用于联合循环电站，效率传统上略低一些。但是现在，改进设计的大型燃气轮机，可以达到38.7%的效率。其功率可达到单机265MW。
燃气轮机的透平初温决定最大效率，现今的大部分技术进展集中于开发可以承受更高温度的透平初级叶片材料。其中包括精密单晶体金属，陶瓷材料也是替代金属材料的选择之一。
35