本篇文章內容來福能晉江氣電劉惠明先生在第五屆中國燃氣輪機聚焦2018的彙報。主要內容為：分佈式能源優勢及限制條件、燃氣輪機STIG循環介紹、燃氣輪機STIG循環國內外研究及實際應用、目前燃氣輪機STIG循環優勢及限制、結論及建議。
一、引言
1、分佈式能源優勢
a、熱電冷三聯供能源站能夠實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上。
b、在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式。
c、天然氣利用效率高，環境汙染小，政策上支持。
2、分佈式能源限制條件
a、項目前期會涉及熱電比等政策問題，項目批准比較困難，政府一定要讓配套用背壓汽輪機組。
b、如何實現滿足很大範圍變工況下的任意熱、電、冷輸出需求——這是聯產系統的關鍵科技課題之一。
3、燃氣輪機的蒸汽回注（STIG）
聯想到過去深圳MS5000和MS6000B燃氣輪機的蒸汽回注（STIG）改造工程，機組應用十餘年，運行情況也比較好。現在申請天然氣冷熱電三聯供項目時，可以推廣應用蒸汽回注機組，按照聯合循環選擇餘熱鍋爐，用燃氣輪機進行蒸汽量調節，可以彌補分佈式能源的限制：
a、可以節約汽輪機部分的投資和土地、廠房；
b、不會造成蒸汽的浪費；既能適應電網快速啟動，又能頂峰運行；
c、讓政府放心，項目好批准。
二、燃氣輪機STIG循環介紹
1、概念
程循環(回注蒸汽循環，有時也稱STIG循環)，即回注蒸汽燃氣輪機循環(Steam Injected Gas Turbine)，簡稱STIG是一種雙工質複合循環（DFC）做功的先進循環方式。
美國國際動力技術公司美籍華人程大猷先生於 1976 年提出《雙工質平行—複合循環熱機》、《程式雙工質循環發動機裝置的控制系統》等發明後，引起商業集團的關注和重視。注蒸汽燃氣輪機（ＳＴＩＧ）循環和溼空氣透平（ＨＡＴ）循環同屬於並聯型的燃氣－蒸汽聯合循環，代表著燃氣輪機聯合循環的新思路。
2、工作流程
在燃氣輪機回注蒸汽循壞中,燃氣輪機的排氣通入補燃或不補燃的餘熱鍋爐,鍋爐產生的蒸汽回注到燃氣輪機的燃燒室或其它適當部位,同燃氣混合加熱、膨脹做功,再進入餘熱鍋爐。這一種循環方式不僅能夠提高機組的出力，同時也能達到很高的熱效率,並可降低NOx的排放,有利於環境保護。
STIG循環不僅保持了聯合循環（CC）對能量實行梯級利用的優點，而且省去了聯合循環中的蒸汽輪機及其附屬設備大大簡化了系統的結構。同時由於STIG循環可以隨時根據負荷的變化改變蒸汽的回注入燃燒室的蒸汽量，所以部分負荷性能優於聯合循環。但由於注入的水蒸汽不能像在蒸汽輪機中那樣完全膨脹做功，所以STIG循環的效率略低於聯合循環。
3、早期應用
程先生所在的美國國際動力技術公司早在1983年就利用Allison艾利遜（1995年被RR公司收購）公司的501KB燃氣輪機（3267kW，最新的容量為4450kW）上進行蒸汽回注的試驗，獲得令人滿意的結果;1985年就向市場推出了501KH型燃氣輪機改裝的STIG蒸汽回注式燃氣輪機成套機組，並投入商業運行。通過STIG蒸汽回注，機組出力從3504kW提高到5773kW，提高了61.9%,熱效率從29.1%提高到40.7%，提高了39.9%,同時501機組的NOx排放量極低，滿負載僅為22ppm，1985年任何燃機都達不到這個標準。
三、燃氣輪機STIG循環國內外研究及實際應用
1、國外STIG循環的應用
1、世界首臺全蒸汽回注型LM5000機組燃氣輪機噴注蒸汽的經驗是從加利福尼亞辛普松造紙廠的一臺LM5000燃氣輪機（聯合循環機組）改造而獲得的,該機組是世界首臺全蒸汽回注型LM5000機組（1985）。
改造效果：
a、功率增加至52.4MW，(原功率34MW的功率)
b、效率提高20%
c、排汙染物NOx的排放不超過25ppm
GE公司隨後就把這一經驗推廣到LM2500艦艇用燃氣輪機和LM1600燃氣輪機（1988年）上。
2、1986年12月第一臺噴注蒸汽的燃氣輪機
LM5000STIG~(TM)安裝在美國加利福尼亞、格羅國際蛋白技術的聯合發電廠,為冷藏庫提供49.5MW電力。
隨後LM5000STIG就作為GE的一個產品系列生產。
3、三十年前，程式循環最早作為一個商業化的熱電聯產（CHP）系統被安裝於聖荷西州立大學，為校園提供電力和蒸汽以用於加熱和冷卻。
4、聖荷西案例研究
經過三十年的運行，聖荷西501KH5程式循環熱電聯產已經在程式循環的商業運作上建立了廣泛的工程，性能以及維護經驗。12個特殊的大口徑（直徑2.5至3英寸）噴射口將蒸汽注入501燃機的壓氣機下游，與壓氣機排氣快速混合進入燃燒室。部分蒸汽與空氣預混，進入燃料噴嘴周圍的旋轉葉片以抑制燃燒過程中的NOx產生。因此，501機組的NOx排放量極地，滿負載僅為22ppm，1985年任何燃機都達不到這個標準。Allison艾利遜 501燃機同時內置了蒸汽/空氣混合冷卻通道，使得冷卻效果更優越。
運行方案
程式循環熱電聯產自首次投運以來三十餘年未發生變化。基本上，這項技術涉及將餘熱鍋爐蒸汽循環加入到簡單循環燃氣輪機機組中，從而將蒸汽注入到設備中增加電力輸出，與工業用蒸汽區分開來。
方案A：有補燃（duct firing），該方案的工作範圍是既供應蒸汽用於增加電力輸出，又直接對外供應蒸汽。
方案B：無補燃（duct firing），該方案中，餘熱鍋爐的蒸汽供應可根據需求在電力輸出和對外供應兩者之間切換。
方案C：無補燃（duct firing），該方案中，蒸汽不用於電力輸出，餘熱鍋爐產生的蒸汽全用於供熱或供冷。
程氏循環與聯合循環性能經濟對比
2、國內STIG循環研究
1、中國科學院工程熱物理研究所吳仲華《能的梯級利用與燃氣輪機總能系統》（1988年）
吳仲華先生從科學原理出發,闡述熱力系統中能的梯級利用與品位概念,倡導總能系統,提出了著名的:“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”的十六字原則。其中有兩篇論文，對注蒸汽燃氣輪機循環及其特點進行了詳細分析；對注蒸汽燃氣輪機循環與燃氣—蒸汽聯合循環熱力性能進行了的比較。
2、哈爾濱703研究所：聞雪友院士為代表
703所從1984年起就關注這一最新技術的進展，在1989年科研團隊在實驗室內完成了小型工程示範裝置，“七五”課題——雙工質平行復合循環燃氣輪機的試驗於1989年7月14日通過了中國船舶工業總公司主持的部級鑑定。
3、航空部第八技術情報網
《輕型燃氣輪機文集》，第一集（1988年），第二集（1989年），第三集（1990年）。1992年成立中國航空學會輕型燃氣輪機專委會，第五集（1992年，航空部輕型燃氣輪機情報網）。
航空部無錫614研究所 張文清：《蒸汽回注式燃氣輪機的發展及其儘管特點》、《蒸汽回注式燃氣輪機的水回收系統》等一系列介紹。
4、中航黎明公司情報所 張國華
在黎明廠《技術情報》 上，1989年系統的、詳細的介紹了到美國GE公司和加利福尼亞辛普松造紙廠考察情況，《首臺LM5000 STIG蒸汽回注機組參觀紀要》、《首臺LM5000 STIG蒸汽回注機組在新普松造紙公司安裝投運》、《LM5000 蒸汽回注型燃氣輪機》。
3、國內燃氣輪機STIG機組的應用情況
成套進口設備
1、深圳月亮灣燃機電廠2套美國雙S公司LM5000 STIG 120機組（1990年）；
2、深圳協和燃機電廠1套美國雙S公司LM5000 STIG 120機組（1992年）；
3、東莞虎門燃機電廠4套美國雙S公司LM5000 STIG 120機組（1993年）；
4、無錫蘇宇源1套美國雙S公司LM5000 STIG 120機組（2003年），也是我國目前唯一在運行的蒸汽回注燃氣輪機機組。
機組參數：
簡單循環額定功率：31MW，效率：37%；
蒸汽回注循環功率：46.5MW，效率：42%。
國內改造設備
1、深圳南山熱電3臺PG5361P1燃機STIG改造（1992年）：
由於機組老化，出力約下降20%-25%左右，直接影響了電廠的經濟效益。為了恢復機組出力，進行STIG改造，構成雙工質複合循環熱機，提高機組熱效率，從而提高機組出力，降低單位熱耗率。
餘熱鍋爐選型： 餘熱鍋爐按照聯合循環選擇：為無補然、雙壓、自然循環，中壓系統主要參數如下：額定蒸發量50t/h(其中30t/h用於回注)；過熱蒸汽壓力：1.67MPa；過熱蒸汽溫度：280°C；過熱蒸汽流量30t/h；給水溫度104°C；排煙溫度167°C。
回注口選擇：
通用方式是從燃燒室中回注蒸汽，本機組回注口在火焰筒摻混段，好處是可以大量注入蒸汽，以增大燃機輸出功率。
回注蒸汽主要參數：
（1）回注蒸汽量：6.5—30t/h;
（2）回注蒸汽溫度280+/-30°C.
（3）回注蒸汽壓力（過熱器出口）：1.67+/-0.04MPa;
（4）進入燃燒室蒸汽壓力1.0—1.24MPa。
改造效果：
在22°C實際運行條件下試驗測試性能為（性能試驗期間，當回注蒸汽流量達到最大設計流量時，發電機的功率因數保持為cosφ=0.88）：
——輸出功率提高： 32.04%（合同規定）；
——機組熱耗率降低： 14.66%。
按合同規定的保證性能條件，把測量條件下的性能折算到合同規定條件下性能的具體結果如下：
2、深圳美視電廠1臺PG6531B燃機STIG改造（1996年）
機組老化,功率已下降約6%,因此機組在夏季出力會嚴重不足。在環境溫度為30℃時,機組出力約在29 000 kW左右。借鑑了深南電和月亮灣電廠燃氣輪機蒸汽回注以及美視電廠ABB公司GT13E2燃氣輪機燃燒室注水的成功經驗，1996年電廠對1#燃氣輪機簡單循環機組進行了STIG改造。考慮到電廠另外一套S106B燃氣—蒸汽聯合循環（2#—3#機組）在夏季高溫時，3#汽輪機出力嚴重不足的情況；1#餘熱鍋爐按照聯合循環進行選型，產生的蒸汽可以採用三種運行方式：
（1）1#機組STIG蒸汽回注補汽（5—40t/h）,同時給3#汽輪機補汽運行；
（2）1#—3#機組聯合循環運行；
（3）1#燃機STIG回注蒸汽, 以雙工質平行—複合循環方式運行
餘熱鍋爐按照聯合循環選擇：無補然、雙壓、自然循環，中壓系統主要參數如下：額定蒸發量60t/h(其中35t/h用於回注)；過熱蒸汽壓力：3.82MPa；過熱蒸汽溫度：445°C；過熱蒸汽流量60t/h；給水溫度104°C；排煙溫度157°C。
回注蒸汽系統主要參數：
（1）回注蒸汽量：5—40t/h;
（2）回注蒸汽溫度360°C.
（3）回注蒸汽壓力（減溫減壓器出口）：2.75MPa;
回注口選擇：
回注口在燃燒室尾部進行回注，即從燃燒室後的過渡機匣處進行回注，這樣就保證了回注蒸汽對燃機本體的改動最小（PG6531B的燃燒室佈置與PG5361有明顯不同，其燃燒室火焰筒幾乎全部斜置於機匣內部，這使得從摻混孔注汽不大可能實現）。
性能考核結論：
燃氣輪機STIG改造後，在合同規定的30°C環境溫度條件下，機組的試
驗性能優於合同規定的保證性能，在回注量為35t/h,回注蒸汽溫度為360°C
的條件下，機組輸出功率增加7550kW，機組熱耗率下降14.1%以上。
四、目前燃氣輪機STIG循環優勢及限制
燃氣輪機STIG循環優勢
1、節約成本，創造為老式燃氣輪機提高壽命和性能的市場
除了極少數的例外，大部分燃氣輪機都可以配套程式循環。細緻的設計可以規避這些限制，現有的燃氣輪機設備改造為程式循環，比設計成聯合循環的花費要少一半，並且可以節約大量不必要的土地，因為不需要蒸汽輪機及其所有相關係統。
2、大修間隔：熱部件的檢修間隔從12500小時提高到42500小時。
3、對電網：快速啟動加負荷、帶尖峰負荷，滿足調峰運行。
4、熱、電配比靈活性高
在下列三種情況下，機組的靈活性處於重要地位：
（1）一天之內的要求可能發生的變化的情況；
（2）季節性變化的情況，蒸汽回注技術能夠很好地適應這些變化；（3）機組的一些要求變化了，怎樣才能很好的進行匹配，例如：燃料費用變化很大、負荷要求發生變化等。
5、由於回注蒸汽降低了排放物中NOx的含量，NOx限制在個位數，CO限制在2ppm以下，改善了環境。
五、結論及建議
1、對於燃氣熱電冷三聯供項目，通常是簡單循環燃氣輪機或回熱循環燃氣輪機的冷熱電聯產。但要保證聯產系統能滿足很大範圍變工況下的任意冷、熱、電輸出需求(這是聯產系統的關鍵科技課題之一)，上述系統是難以做到的。這時可用程循環加上補燃，就可以使熱電聯產系統能夠在任意熱、電數值的匹配要求下，高效安全運行。
2、在國內的燃氣熱電聯產項目或熱電冷三聯供項目上，可以考慮採用蒸汽回注系統，有極大的優勢，除了常見的優點外，最大的優勢就在於：不僅能夠使機組的費用更加有效利用，而且還能夠增加靈活性以適應運行要求的變化。
3、對於輸出功率低於10MW的發電廠，注蒸汽聯合比簡單循環和燃氣—蒸汽聯合循環具有更高的性能。所以在小型生物質氣化發電應用，利用燃氣輪機STIG循環具有很大的優勢，應該推廣應用。同時可以考慮回注蒸汽燃氣輪機採用多級高壓閃蒸器來代替常規的餘熱鍋爐作為蒸汽發生裝置,裝置佔用空間減小,餘熱回收效率增加,而且可以彌補餘熱鍋爐對水質要求高的缺點。
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