文献综述

常规火力发电厂中使用的循环为朗肯循环, 水在锅炉中吸热成为过热蒸汽, 进入汽轮机做功。在目前的技术水平下, 由于受到金属材料等因素的限制, 过热蒸汽的温度仅限于560℃ 左右, 因此供电效率非常低。据一份资料的统计, 我国蒸汽轮机电站的平均供电效率仅为29.7 %^[1]。虽然随后火力发电站发展了超临界机组，并采用以计算机为主体的自动化控制系统使机组性能有所提高，但总的来所这种电站发展已经接近瓶颈，其效率环保性能与技术性能已接近技术极限和经济极限。为进一步提高发电设备的效率，根据卡诺循环可知，需增大冷源与热源之间的温差，提高热源温度或降低冷源温度。采用燃气轮机的发电极大的提高了热源的温度，甚至可以高达1600℃，但是燃气轮机的排气温度也较高为450～600℃，此时将这股废气去加热水，生成过热蒸汽进入汽轮机做功发电，就可以充分利用尾气热能，多发出一份电，从而提高系统发电效率。这种发电技术称之为燃气-蒸汽联合循环发电技术，是一种新型高效节能发电技术。

1. 燃气-蒸汽联合循环的发展现状

燃气轮机发电具有热效率高、环境性能好、启停快、运行灵活的优点^[2]，得到了迅猛的发展。目前就世界范围而言, 燃气轮机发电已成为电力结构中的重要组成部分, 全世界每年新增的装机容量中, 有1/ 3 以上采用燃气-蒸汽联合循环机组, 而美国则接近1/ 2。截止到2000 年全世界燃油和天然气的燃气轮机及其联合循环的装机容量已经超过4 亿KW。从1987 年起, 美国发电燃气轮机年生产功率数就已经超过了发电用蒸汽轮机的年生产功率数^[2]。燃气轮机发电技术在我国也得以快速发展，”十五”期间我国共进行了3次大规模打捆招标，引进美国通用电气（GE）、德国西门子（Siemens）和日本三菱（Mitsubishi）3种F级大型单轴燃气轮机机组共54套，全部建成后总装机容量超过20000MW，除此之外，我国还有一大批燃气轮机以大改小项目，总装机容量达到8100MW。”十一五”期间，我国燃气-蒸汽联合循环电厂得到了迅速发展，据中电联统计，截止2010底，我国燃气电厂近60余座，总装机容量超过2642.4万千瓦，主要集中在京津唐、长三角和珠三角地区，其中大型燃气热电机组以北京地区为主。目前，先进的燃气轮机能量转换效率已可以达到36％～60％，最大的单机功率等级范围已从数百千瓦达到340MW，发电最大功率（联合循环）已发展到500MW以上。简单循环效率已由原来18％有效提高到40％，而对于组成联合机组而言，其联合循环发电率已可以达到60％左右，联合循环大功率高效率发电机组已成为燃气发电市场研发的主流^[3]。大功率高效率燃气机组无论在能源利用效率还是在环保方面都具有无可比拟的优势，因此对我国未来发电技术的发展具有重要意义。

2. 燃气-蒸汽联合循环的理论介绍

一个简单的燃气动力循环由两个绝热过程和两个等压过程组成,采用勃莱敦循环。而燃气-蒸汽联合循环实质上就是是把燃气轮机的勃莱敦循环和蒸汽轮机的郎肯循环叠在一起，形成了一个总的系统如图1、2，从而实现了能量的梯级利用。燃气-蒸汽联合循环机组通常由压气机、燃烧室、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、发电机、给水加热器组成。其中由压气机、燃烧室、燃气轮机构成伯莱敦循环，燃气轮机排出的高温烟气进入余热锅炉充当热源，再由余热锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、给水加热器构成郎肯循环。由于燃气-蒸汽联合循环系统既有燃气轮机又有汽轮机的运转，而要使两者协调运行，需要考虑诸多因素，因此对整个系统的设计及管理都具有较高的要求。常规的燃气-蒸汽联合循环具有三种形式，分别为无补燃型、补燃型、增压锅炉型。无补燃型即是典型的燃气-蒸汽联合循环系统，燃气被燃气轮机利用后剩余的高温烟气进入余热锅炉充当热源完成朗肯循环发电，此时汽轮机功率较小，最大为燃气轮机功率的50％，且不能单独运行，必定受燃气轮机的制约。补燃型即是在余热锅炉里补充燃气的量从而提高蒸汽的焓值、蒸汽的产量，增大了汽轮机的功率，并且可以使汽轮机单独运行。锅炉增压型就是把燃气轮机的燃烧室与蒸汽锅炉合二为一，使炉内总的换热系数提高, 需要的换热面积减少。这种方案的燃气轮机入口燃气温度较低, 蒸汽轮机的出力占的比例稍大, 但锅炉燃料会受到燃气轮机工作要求的限制, 并且蒸汽轮机也不能单独运行。出于环保考虑，基于煤的整体气化清洁燃烧技术发展了新的燃气-蒸汽联合循环系统，称之为IGCC方案。此种方案，直接将煤送进气化器通过一系列反应制成气体燃料并完成脱硫、除尘后充当燃气完成燃气-蒸汽联合循环。此种方案可以使脱硫率高达95％，大大减少了对环境的污染，相比与常规火力发电优势十分明显。

图1. 燃气-蒸汽联合循环系统图

图2. 系统热力过程T-S图

3. 进气冷却技术的介绍

3.1 进气冷却技术的意义