燃气蒸汽联合循环机组单轴与多轴配置的特点及方案比较

燃气蒸汽联合循环机组单轴与多轴配置的特点及方案比较

朱雪阳

大唐南京发电厂，江苏 南京   210000

摘要：联合循环机组中的燃气轮机、汽轮机和发电机的不同布局关系而形成的轴系配置型式，与电厂的总体布置和厂房结构、检修方式等有关，而且对机组运行、操作与性能（特别是变负荷）以及投资成本等都有很大关系。本文将从电气设备、控制系统、安装、运行特性、维修、建设安排、事故影响等方面对不同配置方案进行对比分析。

关键词：燃气轮机；联合循环机组；方案

1.引言

燃气－蒸汽联合循环机组有单轴机型和多轴机型两大类。所谓单轴即燃机、汽机、发电机共用一根轴；多轴是指燃机和燃机发电机一根轴，汽机和汽机发电机另一根轴。早期机组配置中一般大容量燃机用于调峰，多配单轴；容量较小的常用于热电联产，一般按多轴配置。近几年大型燃机用于热电联产的工程增多，对于此类项目，也有单轴和多轴两种布置。一般在供热量不是很大的情况下可选用单轴机组，在供热量较大的情况下则选用多轴机组较多。

2.单轴配置的特点

单轴布置的配置方式即燃气轮机、发电机和蒸汽轮机串联安装在同一根轴系上，由燃气轮机和汽轮机共同驱动一台发电机。发电机可以位于燃气轮机和汽轮机之间，也可以位于汽轮机排汽端。这种方案只能用于单台燃机、单台余热锅炉和单台汽轮机匹配的情况，即所谓1+1+1单轴布置方案。单轴配置又有两种方式：

2.1发电机尾置方式

燃气轮机+向下排汽的汽轮机+发电机的连接方式，简称发电机尾置方式。

这种连接方式的优点是：发电机位于机组端部，发电机出线和检修时抽转子比较方便。缺点是：①汽轮机在中间，汽轮机向下排汽使整套联合循环机组必须布置在较高的运转层上。②发电机只有当燃气轮机和汽轮机都安装完毕后才能投运，不利于安装周期较短的燃气轮机及早投产发电。③运行中蒸汽系统出现故障时，燃气轮机仍拖着汽轮机空转，一方面汽轮机不能停机检修，另一方面汽轮机叶片鼓风发热，还必须设置小的辅助锅炉，产生辅助蒸汽通入汽缸进行冷却。④汽轮机正常启动时，也需要辅助蒸汽汽源提供轴封汽和汽轮机一开始空转时汽缸所需的冷却蒸汽。当然，有多套单轴机组时，一般采用由运行中的机组供汽的辅助蒸汽联箱来提供辅助蒸汽。

2.2发电机中置方式

燃气轮机+发电机+3S离合器+轴向排汽汽轮机的连接方式，简称发电机中置方式。

这种连接方式的优缺点与前一种连接方式正好相反。优点是：①汽轮机位于端部，便于实行轴向排汽。整套联合循环机组可安装在位置较低且造价较低的板式基础上，厂房的高度也随之降低。②由于发电机和汽轮机之间增加了3S离合器，可在汽轮机安装完成前燃气轮机提前投产发电；在汽轮机故障停机检修时不影响燃气轮机简单循环发电。③由于加装了离合器，优化了联合循环机组的启动工况。机组启动时，燃气轮机先按简单循环单独运行，同时排气进入余热锅炉，使余热锅炉的管簇逐渐预热升温，产生的低参数蒸汽用来对通完汽轮机的管道进行暖管。蒸汽参数达到冲转参数时，开始冲转汽轮机并进行暖机。汽轮机的转速升高到与发电机的转速相同时，离合器自动啮合，汽轮机就开始滑参数带负荷。

这种连接方式的缺点是：发电机置于燃气轮机与汽轮机之间，当发电机检修需要抽转子时必须横向平移发电机。Alstom公司配置液压的发电机水平移位及复位装置。Siemens公司的典型设计是在主厂房内配置起重量为370t的重型行车，将发电机整体吊出。

3.多轴配置的特点

多轴方案常用的有2+2+1和1+1+1配置方案。2+2+1即每套机组中配两台燃气轮机发电机组和余热锅炉，配一台蒸汽轮机发电机组。1+1+1 是单轴的改变型，也称分轴方案，燃气轮机和汽轮机分别驱动各自的发电机。分轴配置降低了主机生产的技术难度，但增加了厂用损耗。

在多轴布置方案中，蒸汽轮机只与燃气轮机所配的余热锅炉有汽水管道连接，与燃机无任何机械性连接。因此蒸汽轮机和燃气轮机可分离布置，布置上相对灵活，但汽轮机和余热锅炉不能距离过远以致管道内蒸汽焓降过大，汽轮机车间布置方式可参考常规燃煤火电机组汽机间的布置。而燃气轮机则可以布置在独立的厂房内，也可露天布置。

在2+2+1多轴联合循环中，单台燃机性能数据与单轴联合循环中的燃机基本相同，不过由于接受了两台燃机的余热，蒸汽轮机出力因此比单轴布置联合循环中的蒸汽轮机大了一倍(对于相同级别的机型)。由此可知一套2+2+1多轴联合循环的出力相当于两套同级别的1+1+1单轴布置联合循环。

4.不同轴系配置的比较及建议

对于大容量联合循环，往往纯发电机组一般采用单轴布置方案，而供热机组一般采用多轴布置方案。由于单轴机组燃机与汽机在一根轴上，带同一台发电机，汽机如果跳闸，必然导致燃机也就是整个机组的停机（对于带3S离合器的单轴配置方案，汽轮机跳闸后，燃气轮机尽管仍可运行，但不适合长期运行）；而多轴机组中汽机和燃机各自带一台发电机，汽机如果跳闸，燃机还能够正常发电，余热锅炉还能正常产汽，对外供热。可见在供热稳定性上多轴要优于单轴机组。

单轴联合循环中燃机、汽机、发电机串联在一根轴上，其中的轴系负荷匹配要求比较高，轴系中燃气轮机转子、蒸汽轮机转子及发电机转子的整体协调需要特别设计，对转子的动态性能要求比较高，如果是供热机组，抽汽或背压供热会导致汽机端推力改变，制造厂需要重新计算校核甚至改变整个轴系的设计。而多轴联合循环机组中由于燃机与汽机轴系分离，也就不存在以上问题了。

而单轴机组由于布置紧凑，系统简单，运行相对集中，因此更适合采用纯发电机组的运行模式。

表1 单轴布置与多轴布置对比表

虽然2+2+1多轴配置机组因采用更大容量的汽轮机而使全厂效率有所提高，同时减少一套蒸汽循环系统的辅助设备及控制系统，其维修运行费用亦相对较低，但需增加大容量蒸汽母管，使蒸汽系统复杂且操作繁琐；两台余热锅炉并炉需要一定的时间，增加了汽水损耗。多轴布置负荷变化、启停互相牵制；当2台燃机中有一台故障停运或计划检修时，则汽轮机只能带半负荷运行，效率将会很低。另外2+2+1多轴方案厂房内的管道布置复杂，控制难度相应增大。

对于1+1+1双轴配置机组，具备了单轴机组的灵活性、运行的独立性、较高的供热可靠性等优点，综合考虑机组选型原则，以及投资、运行灵活性、占地面积、建设周期、国产化率、维修等因素的影响，通常多轴方案建议采用1+1+1分轴布置。国内目前投产运行的E级、F级燃机供工业抽汽的热电联产机组多采用此配置型式。

单轴配置的机组启动时间短，每套机组之间相互独立运行，可通过启停机组来达到加减负荷的目的，且汽轮机可以高效运行，没有多轴系统的半负荷效率不高的缺点，因此，单轴机组特别适合于调峰电站。单轴机组可以抽汽供热，但抽汽量不宜太大，主要是因为单轴机组轴系较长，过多的抽汽及热负荷波动会影响机组轴系的稳定性。以往对于供热电厂，制造厂家一般不推荐采用单轴机组。但近年来随着技术开发的持续推进，目前主机厂都在提高单轴机组供热能力方面进行了大量的研究并给出了相应的解决方案。

5.结语

联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置与占地面积、运行操作以及热力性能（特别是变工况的性能）、机组是否承担电网调峰、是否供热、供热负荷的变化特点等都有很大影响。除此之外，还应适当考虑投资、运行灵活性、占地面积、建设周期、国产化率、维修等因素的影响。电站设计优化选择时应综合考虑以上各种因素来确定选择轴系配置总体方案。

参考文献：

[1]陈杭君，屠进.燃气-蒸汽联合循环电厂主机选型的比较[J].电力建设，2005.(5)

[4]忻祎.燃气-蒸汽联合循环电厂热电联产的优化 配置[D].上海交通大学，2007(12)