我国的天然气煤层气资源与联合循环发电.docx
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我国的天然气煤层气资源与联合循环发电
我国的天然气、煤层气资源与联合循环发电
朱宝田王铭忠
国家电力公司热工研究院（西安710032）
摘要：
天然气、煤层气是一种优质清洁能源。
从技术、经济、环保和可持续发展及西部大开发战略角度出发，天然气、煤层气的开发利用有十分重要的意义和广阔的应用前景。
燃气联合循环是当今世界的先进发电方式。
为适应我国经济高速发展的需要，有计划地发展一些天然气联合循环发电产业是必要的。
目前我国的天然气价格比较高，若能将天然气价格降至～0．80元／m3以下，则天然气联合循环发电的经济性，将可与常规燃煤电站相竞争。
关键词：
天然气煤层气能源联合循环发电
天然气与煤层气是一种高热值清洁燃料，以天然气、煤层气为燃料的燃气联合循环是当今世界的先进发电方式。
近年来，世界天然气的探明储量与产量明显增长，煤层气开发方兴末艾。
天然气、煤层气的利用越来越引起人们的兴趣与重视。
一、发展燃气联合循环发电是社会经济发展的需要
1.经济发展带来的环境污染日益严重。
改革开放以来，我国经济获得了前所未有的高速发展。
但是同时也带来了日益严重的环境污染。
燃煤排放物是环境污染的最大来源。
我国是以煤为主要一次能源的国家，在能源消费结构中煤炭占75％。
我国电力工业是用煤大户，因而也是造成我国环境污染的大户。
日益严格的环保法规给电力工业发展带来极大压力。
燃气联合循环发电在环境保护方面具有明鲜优越性（见《表1》），是解决电站环境污染的重要出路。
表1500MW电厂的污染物排放比较（吨／年）
发电类型
S02
NOx
CO2
灰
渣
微粒
常规燃煤发电
8043
5060
2942375
125000
35000
428
天然气发电
7
971
1241292
0
0
021
燃气发电／燃煤发电
~0
19%
42%
0
0
5%
2．适当调整我国能源结构，优化能源利用方式，势在必行。
19世纪前期，人类以煤炭代替柴薪为主要能源，带来了世界资本主义的发展；20世纪中期开始的以石油代替煤炭为主要能源，带来了世界经济的繁荣。
近年来随着世界天然气探明储量与产量的迅速增长，在2l世纪初即将出现以更清洁的天然气代替石油为主要能源的又一次能源消费结构大变革。
预计2010年天然气将达到（（35—40）％，而成为人类第一大能源。
能源结构的变化反应着社会经济的进步，落后的能源结构必然不利于经济的发展。
以煤炭为主要能源是基于我国的能源资源状况。
然而，偏一的煤炭能源不仅会造成严重的环境污染，而且还会制约经济高速发展。
调整能源结构，适量增加石油、天然气消费比重，开发煤层气资源，不仅可以称补煤炭供应缺口，而且可以改善能源质量，将更有利于国家经济的发展。
我国当前能源结构的调整为发展燃气联合循环发电创造了可行条件。
3、随着经济的发展，电网容量越来越大，昼夜电负荷峰谷差也越来越大，电网调峰任务十分严重。
燃气轮机与联合格环发电具有起停迅速，调度灵活，机动性好的特点，比常规蒸汽轮机更适合作调峰机组。
仅此一点，燃气轮机及联合循环发电在我国就有相当的发展空间。
4、节约能源是电力工业永恒的主题。
目前世界各国电力工业基本都是以不可再生的化石燃料为一次能源的，不管煤炭、石油、天然气等各种资源储量如何，总有一天要用完的。
节约能源是全人类的重大课题，联合循环发电热效率高，是目前任何其他大容量发电装置所不可比拟的。
为节约能源，发展燃气联合循环发电将成为21世纪电力工业的主流。
二、燃气联合循环是当今世界的先进发电方式
80年代后期以来，世界燃气轮机技术进入了一个飞跃发展时期。
由于燃气轮机技术的飞跃进步与性能的提高，促使了联合循环发电技术的迅速发展（见《表2》）。
联合循环现已成为今后火力发电的主要发展方向。
表290年代代表性燃气轮机举例
型号
功率MB
效率％
燃气初温℃
排气温度℃
压比
流量
kg/s
出厂年份
制造厂
简单循环
联合循环
简单循环
联合循环
PG6101FA
70．14
107．4
34．2
53．2
1288
597
15
198
1993
GE
PG9351FA
255．6
390．8
36．5
56．7
1316
609
15.4
624.3
1996
GE
PG9G
282
420
39．5
58
1430
583
23
685
1995
GE
PG9H
～350
480
＞40．5
60
1430
23
685
1998
GE
GT8C
52．8
77．4
34．4
50．3
1100
517
15.7
179.3
1994
ABB
GTl3E2
165．1
242
35．7
53．2
l100
524
14.6
532.5
1993
ABB
GT26
265
393
38．4
58．5
1235
640
30.0
562
1994
ABB
V64.3A
70
10l
36．5
53．7
1350*
570
16.2
192
1996
西门子
V94.3A
265
385
38．5
57．7
1350*
581
17
641
1995
西门子
701F
270.3
399
38．2
57
1350*
586
17
651
1992
三菱
701G
334
484．4
39．5
58
1427*
574
21
737
1997
三菱
ATS
340
505
43．0
＞60
1499
613
27
664
2000
WH
注：
初温中带*者为透平一级静叶前温，其余者为动叶前温。
清洁、高效是人们衡量发电技术先进与否的两条最重要标准。
以天然气、煤层气为燃料的联合循环——“燃气联合循环”发电集清洁（能源）、高效（发电方式）于一身，成为当今世界最受青睐的实用发电技术。
目前全世界每年增长的发电容量中，有（35—36）％为联合循环机组，而美国为48%。
联合循环发电已开始与传统的蒸汽轮机电站平分秋色，且大有超越之势。
燃气联合循环发电在电力市场中取得如此优势的原因是：
（1）高效节能。
目前常规火力发电净效率为（38—40）％，我国平均供电效率仅为一30％左右。
而先进成熟的天然气联合循环发电净效率已达58%以上，是目前实用发电技术中最高的。
（2）清洁环保。
以天然气、煤层气为燃料的燃气轮机或联合循环发电，则对环境污染极小。
它们与常规燃煤发电对环境的污染排放比较见《表l》所示
（3）节水省地。
联合循环发电以燃气轮机为主，燃气轮机运行用水极少，甚至可以无水运行。
联合循环电厂耗水量仅为常规电厂的（30—40）％。
天然气联合循环电厂因其系统简单，无常规火电的煤场灰场等，与常规火电相比，厂区占地仅为（30—40）％，厂房建筑面积为一20％。
这些对于淡水资源较为缺乏、人多地少的我国是非常重要的。
（4）建设投资少、工期短。
1997一1999年上半年，国际市场上（200—400）MW联合循环电厂交钥匙工程单位造价仅为（350—450）USD／KW；99年后期以来，由于燃气轮机产品供不应求，目前价格涨为（450—550）USD／KW，但仍比带有FGD的燃煤蒸汽轮机电厂造价（1100一1400）HSD／KW低得多。
燃气轮机发电机组从设备到达现场到投入商业运行，一般不超过半年；联合循环电厂建设可以“分阶段施工”（先建燃气轮机电站，后成联合循环电厂），有利于资金回收与周转。
（5）系统简单，自动化程度高，机动性好，起停方便，运行可靠。
现代联合循环电厂都采用电脑程序控制，不仅运行方便可靠，而且人员劳动生产率高。
设备可用率高达（85—95）％，工厂定员仅为常规火电的（20—25）％。
设备操作性好，机动性强，既可以带基本负荷，也可以紧急备用与调峰运行。
其启动性能与常规电厂的比较见《表3》。
燃气联合循环发电的良好机动性能，使它成为经济有效地进行电网调峰重要选择。
表3几种电厂的启动性能比较（分）
启动方式
燃气轮机电厂
联合循环电厂
蒸汽电厂
正常
14-16
冷态：
120
30O
温态：
90
180
热态：
60
90
紧急
9-l0
三、我国的天然气、煤层气资源与利用
发展燃气联合循环发电的必要前提条件，是要能够保证天然气的供给。
1．天然气
世界的天然气资源非常丰富。
近年来，天然气的探明储量和产量增长十分迅速。
在工业发达国家的一次能源结构中，大有取代石油而成为第一能源之势。
1976年世界天然气探明储量为65万亿m3，到1995年初探明储量已达141万亿m3，二十年探明储量增长一倍。
1996年世界天然气产量达21279亿m3，按此速度开采，世界已探明储量的天然气平均还可开采66年，比石油可开采时间长约20年。
世界天然气最终储量为327．4万亿m3；也有专家估计世界天然气最终储量可达一500万亿m3。
我国天然气产储量相对较少。
根据中国石油天然气总公司1993年完成的全国油气资源评价报告，我国的天然气资源总量为38万亿m3。
近年来，我国的天然气储量勘测与产量开发都得到了很大发展，有关专家预测我国天然气资源远景储量可达60万亿m3。
主要分布在四川、陕甘宁、新疆、青海、海南等地。
另外，近海大陆架也探明不少天然气资源，南海、东海、渤海都发现了丰富的天然气储藏。
我国天然气资源状况见《表4》。
表4我国的天然气资源分布
产地
资源量（万亿m3）
陆上
中西部
塔里木
8．4
川渝
7．2
陕甘宁
4．2
柴达木
1．1
其他
1．5
东部
7．5
海上
8．1
总计
38．0
近年来我国天然气探明储量与产量都不断增加。
1995年我国天然气探明储量为22495亿m3；产量为176亿m3，预计2000年产量达（296—367）亿m3，到20l0年达（700一800）亿m3。
相应的，我国的天然气消费也将逐年增加，2010年天然气消费量将达（1100—1300）亿m3，我国的天然气产量远不能满足国内需要，必须引进国外天然气资源。
根据上述我国的天然气产量分析，预计到2010年我国每年需要引进天然气（400—600）亿m3。
最近国务院公布的“西气东输”计划为我国扩大天然气消费提供了极有利的条件和基础，也为开发我国中西部地区经济创造了良好的机遇。
“西气东输”工程预定2001年二季度开工，2003年上半年开始给长江三角洲送气。
一期工程输气能力为120亿m3／年，其中100亿m3/年送至长江三角洲，20亿m3／年供给沿线各省。
将来还可通过此管线将俄罗斯、中亚诸国的天然气引进我国。
从国外引进天然气可有两种形式：
管道天然气与液化天然气。
管道天然气被广泛应用于产地与用户相连的大陆地区。
海底管道造价较高，一般仅适用于距离不太远的海峡地区。
对于距离用户很远的大陆产地或较远的海外产地的天然气，应将天然气先在产地液化，然后以车船引进液化天然气。
近年来，世界天然气产量逐年增加，国际间天然气贸易十分活跃。
我国发展管道天然气贸易，从近邻俄罗斯引进最为有利。
俄罗斯天然气储量十分丰富，占世界第一位。
我国引进管道天然气可以从以下几个地区进行：
（1）俄罗斯西西伯利亚。
每年可向中国提供天然气300亿M3。
（2）俄罗斯东西伯利亚。
年可供气量300亿m3。
（3）俄罗斯远东地区。
每年可以向我国提供天然气l00—150亿m3。
（4）中亚诸国（土库曼、乌兹别克、哈萨克等）。
每年可以向东北亚地区提供300亿m3天然气。
在东南沿海地区除管道天然气外液化天然气（LNG）则是另一种国外天然气引进形式。
1995年世界天然气贸易总量近4000亿m3，其中LNG贸易量为925亿m3，占全球天然气贸易量的23．8％。
我国可优先考虑从澳大利亚、马来西亚、印度尼西亚等引进LNG。
目前国家正在广东、江浙地区选点准备建设LNG接受站，一期方案是建在深圳大鹏湾，容量为300万吨／年，2005年建成。
二期工程约600万吨／年，2010年前后建成。
2．煤层气
煤层气是在煤矿层及其邻近岩层中与煤伴生的一种可燃气体，俗称“瓦斯”。
其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4）。
在常温下其热值为（34—37）MJ/Nm3，与天然气的热值相当，是一种很好的清洁气体燃料。
自然界存在着的煤层气曾给人类带来很大危害。
在煤炭开采的历史中，由煤层气引起的瓦斯爆炸事故时有发生，给人类生命财产造成巨大损失。
长期以来，为了避免瓦斯爆炸事故而采取的最主要方法是“通风”，即向矿井内鼓入大量空气，把矿井中的煤层气排出放空。
煤层气的主要成分是甲烷，甲烷是造成环境温室效应的三种主要气体（甲烷、二氧化碳和氟利昂）之一，其温室效应很强，比二氧化碳作用大20倍。
甲烷排入大气，不仅因其温室效应将引起气候异常，而且还消耗大气平流层的臭氧，削弱地球对太阳紫外线侵袭的防护作用，危害人类健康。
人们对煤层气的利用虽然已有很长时间，但是规模数量都较小，长期未能被人们重视。
由于70年代世界石油危机及解决煤矿安全生产问题的需求，美国于1978年开始了煤层气的开发利用工作。
美国对煤层气开发利用采取了大幅退税等优惠政策，使煤层气的开发利用超过了天然气增长，已成为一种有竞争力的、可出售的气体燃料资源，从而引起世界产煤国家的关注，掀起开发利用煤层气的热潮。
我国陆上煤田在埋深2000米以浅范围内，煤层气资源总量为（30—35）万亿m3，大体与我国的天然气资源总量相当，是我国经济可持续发展的战略能源。
我国煤层气资源丰富，分布广阔。
资源量大于10000亿m3的地区有：
鄂尔多斯盆地、沁水盆地、北华北盆地、南华北盆地、准葛尔盆地、吐—哈盆地、滇黔桂（包括川南）地区等。
我国煤层气的抽放利用起步较早，但发展缓慢。
1987年我国煤层气抽放量35800万m3，占全世界抽放量的6．81％（见《表5》）。
在努力发展煤层气抽放开采的同时，提高煤层气的利用率更为重要。
1984年全国108对煤层气抽放矿井中，煤层气的利用量为2．23亿m3，总利用率为66％。
到1993年我国建成煤层气利用工程50余处，煤层气年利用量达4亿m3，储气罐总容量650万m3，输配主干线620km，可供22万居民生活用气。
表51987年世界煤层气抽放状况[1]
国家
煤层气抽放量（亿m3）
占世界抽放量（％）
煤炭产量106t
占世界煤产量（%）
苏联
21．20
40．33
760．0
16.43
西德
7．00
13．32
191．4
4．14
英国
5．10
9．70
104．4
2．26
中国
3．58
6．81
928．0
20．06
法国
3．00
5．7l
15．7
0．34
捷克
2．65
5．04
127．1
2．75
日本
2．25
4．28
13．1
0．28
小计
44．78
85．18
2139.7
46.25
全世界
52．57
100.00
4626.0
100.00
煤气层不仅是一种宝贵的能源，而且它的采集有助于改善煤炭安全开采，善大气质量。
1994年我国原煤炭工业部提出要把煤层气作为煤矿第二资源开发，并列入“九五”四大战略起步工程之一。
1996年经国务院批准，原煤炭部、地矿部、中国石油天然气总公司联合组建“中联煤层气有限责任公司”，共同开发煤层气资源。
国家计委1999年已批准中联煤层气公司“关于进一步开展山西沁水盆地南部煤层气田煤层气开发利用示范工程项目可行性研究”。
总投资19834万元，建设期三年，将钻开发井40口，为大规模开发利用煤层气提供示范。
3．天然气、煤层气联合循环发电的应用前景
1）油气煤矿区的最佳电源。
我国的石油、天然气储藏大多分布在荒漠、边远地区或海洋中，那里远离大电网，缺少煤炭和淡水资源。
为了开发油气资源和发展地方经济，取用当地天然气能源的燃气轮机及联合循环发电，是满足地区电力需要是最经济有效的途径。
2）大城市及负荷中心的调峰、备用或基本负荷机组
在社会经济高速发展的今天，大电网昼夜电负荷峰谷差越来越大。
燃气轮机及联合循环发电良好的机动性使其成为目前最佳的调峰机组，它能最经济、有效地保障电网安全稳定运行。
此外，在负荷中心地区的大城市附近，往往也是常规火电污染最严重地区。
为改善地区环境，同时满足生产对电力的需求，有必要适当调整这里的一次能源构成，减少常规燃煤电站，在有天然气、煤层气供应条件的地区，适当增加一定数量的带基本负荷的联合循环机组，将对环境保护与经济发展产生良好效应。
3）老电厂改造
在我国电网中，125MW以下的中小机组占总容量的52%．其技术落后，经济性差，急需改造或取缔；即使80年代建造的一批200MW、300MW高压、超高压机组，其服役年限也接近或超过20年，技术经济指标也己落后。
而且这些机组多数没有烟气脱硫等净化装置，环境污染严重，也都面临改造要求，在有天然气、煤层气供应条件的地方，利用燃气轮机技术，采用联合循环方案对老厂进行改造，是一条简单易行而行之有效的选择。
到1997年止，我国已建成烧天然气的联合循环电站493MW，烧天然气的简单循环燃气轮机电站238MW。
目前正在筹建中的天然气联合循环电站约有数百万千瓦。
我国煤层气发电目前还比较少。
1990年在抚顺建成的煤层气联合循环发电站，容量1200KW。
中国新电力（香港）国际投资有限公司已与中联煤层气公司达成协议，投资建设煤层气发电第一阶段6MW级机组、计划规模为50MW的示范发电工程。
四、天然气、煤层气发电的经济性
燃气联合循环发电优越性能早己为人们所公认。
但它能否在我国得到迅速发展，关键是取决于它的经济性。
燃气联合循环电厂建设投资少，系统简单，自动化程度及人员劳动生产率高。
因此其运行经济性主要取决于燃料气价格。
此外还与机组容量大小、运行方式、年运行时数、建设资金构成方式、贷款利率等有重要关系。
我国天然气资源相对较少，煤层气开发较为落后，因此燃料气价格比较高。
全国大部地区发电用天然气价约为l元／m3左右。
例如：
陕西关中地区发电用天然气主要来自陕北至西安的输气管道。
陕北天然气井口价格为0．58元／m3，但经管道送至西安郊区，价格就成为1．05元／m3，再经城市管道送至西安市内则气价为l.45元／m3。
中国国际工程咨询公司、北京动经所、电科院等单位联合做的《电力工业利用天然气发电的设想》报告中，对于4×320MW联合循环电厂，取管道天然气价格为1．16元／m3，计算平均上网电价为0．446元／kwh。
西北电力设计院，为关中地区拟建的300MW级天然气联合循环电站进行的经济性计算结果表明：
在年运行5000小时，天然气价为1.04元／m3时，上网电价为0．365元／kwh。
我院为兰州西固热电厂2×247MW联合循环机组所作方案计算结果是：
机组年运行时数为5000小时，当天然气价为0．85元／m3时，平均上网电价为0．339元／kwh。
因为每个设计的方案、建设投资、天然气价格、机组运行方式、人员工资水平、贷款方式利率等均不相同，故上网电价也有较大差别。
但是，计算表明：
当机组年运行时间在5000小时以上，天然气价格在0．85元／m3以下时，燃气联合循环发电上网电价可与常规燃煤电站相当。
五、结论
l、天然气、煤层气是人类宝贵的优质清洁能源。
近年来，世界天然气探明储量与产量均呈上升势。
在未来几十年内，天然气在世界能源消费结构中的比重，将可能上升至第一位（2010年可占约40％，2050年可能占50％）。
我国煤层气资源丰富、分布广泛。
煤层气的开发利用是我国能源战略的重要组成部分，对于改善我国能源结构，改善煤炭安全开采，保护人类生活环境，意义十分重大。
2、天然气、煤层气联合循环发电有热效率高、环保性能好、调峰运行方便、用水占地少等突出优点，是当今世界电力发展的主流。
为适应我国经济高速发展的需要，良好保护环境，节省淡水资源，改变我国电力工业落后面貌，有计划地发展一些燃气联合循环发电产业是必要的。
3、目前我国的天然气、煤层气价格还比较高（一般＞1．0元／m3），因此发电成本也比较高。
希望电力主管部门，一方面应进一步与有关部门就气价进行协商，以求进一步降低燃料成本；另一方面，也应进一步探索燃气联合循环机组的合理运行方式及其综合效益，探索不同发电方式（不同环保效应、不同负荷特性等）的不同电价标准，以求这些机组能在电网中发挥更大的作用。
若能将气价格降至一0．80元／m3以下，则燃气联合循环发电的经济性，将可与常规燃煤电站相竞争。
4、进一步落实我国天然气作为一次能源的长远供应潜力，加大力度开发煤层气资源，制定合理的、长远的燃气联合循环发电规划。
参考文献
[1]周德群、陈宝书，优化能源结构实现可持续发展，能源研究与利用，1999年No.1
[2]张新民等，中国的煤层甲烷，陕西科技出版社，1991年12月
[3]赵士杭，大功率燃气轮机用于电力工业的展望，燃气轮机技术，1997年Vo110，No4
[4]王铭忠，我国燃气轮机能源情况及市场预测，编号：
99A9003，国家电力公司热工研究院，1999年12月
作者简介：
朱宝田1982年毕业于清华大学。
现任国家电力公司热工研究院发电新技术中心主任；教投级高级工程师；工学博士；博士研究生导师；中国中西部煤气化工程中心理事会理事；享受国务院政府特殊津贴的专家。
长期从事电厂汽轮机及联合循环经济性和安全性方面的研究及开发工作，取得诸多应用性成果和显著的经济效益。
获部级科技进步奖四项；在国内外发表论文50余篇。
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