联合循环单轴、多轴布置优缺点分析

概述

常见的F级燃机联合循环机组的轴系配置有以下三种形式：

1) “一拖一”单轴配置，即燃气轮机、蒸汽轮机、发电机同轴布置，燃机和汽机共同拖动一台发电机运行；

2) “一拖一”分轴配置，即燃气轮机和蒸汽轮机分别带发电机运行；

3) “二拖一”多轴配置，即2台燃气轮机和2台余热锅炉带1台汽轮机，燃机和汽机分别拖动发电机运行。

1 “一拖一”单轴配置

单轴机型又可分为发电机中置型和发电机尾置型。

以SIENENS公司GUD1S.94.3A和ALSTOM公司KA26-1为代表的燃气轮机+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，如图所示。

发电机中置的单轴机型指燃气轮机、发电机和蒸汽轮机串轴安装，燃气轮机和发电机由刚性联轴节串联，发电机另一侧安装蒸汽轮机，并通过一台离合器实现同步转速自动联轴。

这种连接方式的优点是：汽轮机位于端部，便于采用轴向排汽，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。

由于在发电机和汽轮机间增加了离合器，可在汽轮机安装完成前燃气轮机提前投产发电，在汽轮机故障停下来检修时不影响燃气轮机简单循环发电。

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，使余热锅炉的受热面管道逐渐预热升温，产生的低参数蒸汽用来对通往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间，当发电机检修需要抽转子时必须横向平移发电机。

以GE公司M9001FB和三菱公司M701F4为代表的燃气轮机+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，如图所示。

发电机尾置机型则是燃机、汽机和发电机顺序刚性联接。这种布置对于发电机出线和检修时抽转子比较方便。

但同时也存在部分缺点：由于汽轮机在中间, 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。

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。

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。

汽轮机正常启动时，也需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。

综上所述，单轴机型在单元制配置、发电机出线、设备和蒸汽管道布置以及施工和运行管理等方面有许多特点：

1) 单轴配置时只需一台较大容量的发电机，与对应的多轴配置相比，相应的电气设备少、系统简单，设备初投资较少；

2) 启动方式灵活多样：通过变频提供变频交流电给发电机，以变频电动机方式启动燃气轮机，就可取消专门设置的启动电动机；若有现成的蒸汽源（如联合循环机组安装在现有的汽轮机电厂或对其进行联合循环技术更新改造时）也可直接利用汽轮机来启动燃气轮机；

3) 燃气轮机和汽轮机可共用一套滑油系统，机组运行与控制系统等将得以简化；

4) 布置更紧凑，汽水管道较短，占地面积小、厂房较小。

单轴布置的缺点在于：

1) 动力岛纵向部分占地较大，主厂房跨度大；

2) 轴系长，检修场地大；

3) 汽轮机和燃机不带离合器的机组,当汽轮机故障时，燃机和余热锅炉不能独立运行，无法通过减温减压来保证供热；

4) 由于受燃机控制系统的限制,余热锅炉与机组的控制不易实现一体化,除非采用与燃机相同的控制系统；控制系统相对复杂。

2 “一拖一”分轴配置

多轴机型由一台蒸汽轮机发电机组，配一台或多台燃气轮机的发电机组，可用“x+y+1”表示，“x”表示燃气轮机的台数，“y”表示余热锅炉的台数，一般地，x=y。多轴方案中的1+1+1型也称分轴方案，是单轴的改变型，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，但增加了厂用电损耗。多轴的主要特点是燃气轮机发电机组和汽轮机发电机组相对独立、分开布置，但也有设备与系统都较复杂，占地面积也较大等缺点。

“一拖一”多轴方案优点在于：

1) 供热出力较“一拖一”单轴方案大，可以实现中压缸背压运行使供热能力最大；

2) 主厂房跨度较小；

3) 燃机、余热锅炉可以独立运行并通过减温减压来保证供热；

4) 燃气轮机和蒸汽轮机可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。

5) 两台汽机分别供热，供热可靠性较高。

“一拖一”多轴方案缺点在于：

1) 动力岛纵向部分占地大，主厂房总长度大；

2) 机组效率较“一拖一”单轴方案略低。

3 “二拖一”多轴配置

“二拖一”多轴方案优点在于：

1) 机组效率较“一拖一”方案略高；

2) 供热出力较“一拖一”方案大，可以实现中压缸背压运行使供热能力最大；

3) 主厂房跨度较小；

4) 燃机、余热锅炉可以独立运行并通过减温减压来保证供热；

5) 燃气轮机和蒸汽轮机可以分别采用不同的控制系统；控制系统相对简单。

“二拖一”多轴方案缺点在于：

1) 动力岛纵向部分占地较大，主厂房总长度较大；

2) 由于共用一台汽轮机，机组调峰运行时，当一台燃机停运或燃机低负荷运行，汽轮机组运行经济性较差；

3) 由于共用一台汽轮机，当汽机停运，整套机组需停机检修，影响供热可靠性，如通过减温减压器供热，则经济性较差；

4) 两台余热锅炉需并汽运行；带负荷时两台燃机需协调运行；运行操作

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