中国燃气蒸汽联合循环发电的展望.docx

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中国燃气蒸汽联合循环发电的展望

中国燃气—蒸汽联合循环发电的展望

摘要：

本文探讨用燃气轮机联合循环技术作为今后中国火电的重要补充，认为发展大容量的高效率的燃气轮机及其联合循环是一个必然的趋势，它既能节省世界上日趋紧张的能源资源，又能保护环境。

燃用天然气和燃煤的燃气轮机联合循环发电机组必将成为中国电力工业中的一个重要组成部分。

关键词：

燃气轮机；最佳效率；联合循环

1、引言

自从1939年世界上第一台大功率发电用燃气轮机由瑞士BBC公司研制成功以来，世界各国都大力研究和发展燃气轮机发电技术。

但是由于当时机组的单机容量小，热效率低。

因而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组使用。

为了确保电网运行的安全运行．燃气轮机在当时欧美工业发达国家电网中的装机份额一般仅占8%～10%左右。

然而，从20世纪80年代以后，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位却发生了显著变化，不仅可以用作紧急备用电源和尖峰负荷机组。

还被用来带基本负荷和中间负荷，大有取代常规的燃煤蒸汽轮机电站的趋势。

近十几年来世界燃气轮机进入了一个新的发展时期，燃气轮机技术进步主要表现在单机容量增大、热效率提高与污染排放降低。

目前燃气轮机功率已经超过300MW，简单循环热效率超过39%，联合循环热效率超过58%。

干式低NOx燃烧技术已使燃用天然气和蒸馏油时的NOx排放量低于25ppm和42ppm。

大大提高了燃气轮机在能源与电力领域中的地位与作用。

为了优化能源结构、改善环境污染，中国决定利用西气东输，东海油气和进口LNG（液化天然气）等清洁能源，建设一批大型联合循环电厂。

2、中国能源与电力工业现状

中国的能源状况可以概括为：

人均能源占有量低；能源消费以煤为主，能源利用效率低；环保问题突出；农村商品能源匮乏。

我国开发技术较为成熟的能源有：

煤、油、气和水能。

煤的探明保有储量超过1万亿吨，石油超过40亿吨；天然气超过10万亿立方米；水电可开发4.02亿千瓦。

我国常规能源资源按人均计算仅为世界平均水平的61.4%。

另外还有一定数量的核能。

对于可再生的风能资源虽然高达2.53亿千瓦，但大规模开发的条件尚不成熟。

中国2003年的煤炭生产量16.67亿吨，2004年已突破19亿吨，如果保持现有状况，到2020年全国能源需求将达33亿吨标煤，大气污染难以承受，年经济损失也将占ＧＤＰ的10%以上。

根据中国的能源条件，中国以煤为主的能源结构，今后20年不可能有太大变化，这是中国发展的巨大压力。

为此，应该通过全面实行可持续发展的能源战略，到2020年，能源发展力争能达到如下目标：

一次能源需求少于25亿吨标准煤，相应节能达到8亿吨标准煤；煤炭消费比例控制在60%左右，可再生能源利用达到5.25亿标准煤，其中可再生能源发电达到1亿千瓦；石油进口依存度控制在60%左右；主要污染物的削减率为45%－60%。

若现在到2020年中国能源消费结构中煤炭的比重每下降一个百分点，相应的能源需求总量可降低1000多万吨标准煤。

因此，未来20年应充分利用结构优化所产生的效果。

近20年是中国电力工业大发展的时期，2004年底全国发电装机容量达到4.407亿千瓦,同比增长12.6%；其中火电3.249亿千瓦，同比增长12.1%；水电1.0826亿千瓦，同比增长14.1%；核电684万千瓦，同比增长10.6%。

2004年全年发电量达到21870亿千瓦时，同比增长14.8%。

仅次于美国，中国已成为世界上第二大电力生产国家，中国是世界上少数几个能源消费以煤为主的国家，以煤为主的能源消费格局在比较长的一段时间内不会改变。

目前全国装机容量中火电占75％，发电量中火电占85%以上。

预测到2050年中国装机容量将达到16亿千瓦，火电机组将仍占总装机容量的60％以上。

为了实现我国电力工业的可持续发展，减少对环境的影响，必须不断增加清洁能源的比重。

从目前世界火力发电技术水平来看，提高火电厂效率和减少污染物的排放的方法除超超临界发电技术（USC）、大型循环流化床锅炉（CFB）、增压流化床联合循环（PFBC）外，还有整体煤气化联合循环（IGCC）、燃气—蒸汽联合循环等。

中国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净发电技术的作为我国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。

2、燃气轮机技术的发展及最佳效率设计概念

从80年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，特别是燃气—蒸汽联合循环渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，使燃气轮机得到了非常迅速的发展，燃气轮机及其联合循环在世界电力工业中的地位也发生了明显的变化。

由于燃机联合循环装置效率高；机动性好，能满足日益严格的环保要求，目前全世界每年新增的装机容量中，有l/3以上系采用燃气-蒸汽联合循环机组，而美国则接近l/2。

据不完全统计，全世界现有烧油和烧天然气的燃气轮机及其联合循环的装机总容量己超过4亿kW。

美国能源部从1992年开始实施一项名为“先进燃气轮机系统”（ATS）的研究与发展计划。

主要目标是：

●发电用燃气轮机净效率提高15％；

●燃气一蒸汽联合循环净效率提高到60％以上；

●联合循环发电成本下降10％，；

●NOx排放量下降10％，达到9ppm以下。

该项成果于2002年进入商业化应用，以适应21世纪电力工业发展的需要。

联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环。

燃气-蒸汽联合循环就是利用燃气轮机做功后的高温排气在余热锅炉中产生蒸汽，再送到汽轮机中做功，把燃气循环和蒸汽循环联合在一起的循环。

根据热力学原理，理想热力循环（卡诺循环）的效率为η=1－T2/T1，式中T1为热源温度，T2为冷源温度。

公式表明，热源温度越高，冷源温度越低，则循环效率越高。

燃气-蒸汽联合循环中的高温热源温度（透平初温）高达1100～1300℃，远远高于一般蒸汽循环常采用的主蒸汽温度540～566℃，而燃气-蒸汽联合循环中的低温冷源温度（凝汽器温度）29～32℃远远低于一般燃气单循环的排气温度450～640℃。

也就是燃气-蒸汽联合循环从非常高的高温热源吸热，向尽可能低温的冷源放热，因此联合循环的热效率比组成它的任何一个循环的热效率都要高得多。

在联合循环中，燃气轮机发电机组毛功率Pgt为：

Pgt=Qgt.ηgt

式中，Qgt为输入燃气轮机的燃料热量，

ηgt为燃气轮机发电机组的毛效率。

燃气轮机排气余热Qexh为：

Qexh=Qgt－Pgt=Qgt－Qgt.ηgt=Qgt.（1-ηgt）

汽轮发电机组毛功率Pst

Pst=Qexh.ηhr.ηst=Qgt.（1-ηgt）.ηhr.ηst

式中，ηhr为余热锅炉效率，ηst为汽轮发电机组毛效率。

整套联合循环效率ηcc为：

ηcc=（Pgt+Pst）/Qgt

=[Qgt.ηgt+Qgt.（1-ηgt）.ηhr.ηst]/Qgt=ηgt+（1-ηgt）.ηhr.ηst

上式结果表明，在联合循环中，提高燃气轮机效率ηgt比同等程度地提高余热锅炉效率ηhr和汽轮机效率ηst对于改善联合循环效率ηcc的效果更为明显。

因此在设计联合循环时，首先应选择功率和效率都能满足要求的燃气轮机作为设计出发点，然后再从整个联合循环的效率和投资角度，来考虑余热锅炉和汽轮机的系统和形式是否配置合理的问题。

因此提高联合循环效率的首要途径就是选择透平初温较高的燃气轮机。

理论研究证实，提高燃气轮机的初温，可以使联合循环的效率大大提高，其影响效果比对简单循环燃气轮机效率的提高大得多。

然而在联合循环设计中，燃气轮机效率并非越高越好，对燃气轮机的选择还存在着一个优化问题。

在不补燃的联合循环中，因为蒸汽循环的参数受到燃气轮机排气温度的限制，因而蒸汽循环的效率必将受到燃气循环的牵制。

只有当燃气轮机效率的提高不引起蒸汽循环效率太大的降低时才是有益的。

在联合循环中，燃气轮机效率取最大值，并不能得到最优化的联合循环的效率。

当燃气初温一定时，高压比的燃气轮机排气温度较低，虽然燃气轮机本身的效率比低压比的燃气轮机高，但余热锅炉的能量利用率、蒸汽参数和蒸汽循环效率都较低。

而低压比的燃气轮机的排气温度较高，虽然燃气轮机本身的效率比高压比的燃气轮机低，但蒸汽循环得以利用成熟的高温高压和再热技术，取得蒸汽部分的高效率。

可见在燃气轮机初温一定时，燃气轮机排气温度存在着最佳值。

图1简单循环的燃气轮机效率与排气温度的关系

图2联合循环效率与燃气轮机排气温度的关系

图1和图2分别表示了燃气轮机效率和联合循环整体效率与燃气初温和燃气轮机排气温度的函数关系。

图中t3为燃气初温，近年来的燃气轮机其初温均在1100～1200℃以上，从图1可见，当排气温度为400～450℃时，燃气轮机效率最高。

图2与图1相比，联合循环效率的最佳点向排气温度高的方向移动，为550～600℃。

近年来发展起来的大型燃气轮机，在燃气初温提高的基础上，也都提高了排气温度，其目的就是为了取得整体联合循环的高效率。

总之，当评价一台燃气轮机对联合循环是否合适时，不但要考虑其效率，还要考虑与其匹配的蒸汽循环的效率以及整体联合循环的效率。

简单循环的燃气轮机在一定的初温条件下，都对应着一个最佳的压比和排气温度。

而联合循环在一定的燃气初温条件下，也有一个效率最高的最佳压比和排气温度。

这个最佳压比要比简单循环的最佳压比低得多，它与使简单循环的燃气轮机的比功达到最大值时的压比非常接近[1]；这个最佳排气温度要比简单循环的最佳排气温度高得多。

因此要获得联合循环的最大效率，不能仅仅选择高效率的燃气轮机，而选择尽可能高的燃气初温和对于联合循环最佳的压比和排气温度才是更重要的因素。

即既要兼顾到燃气循环的效率，又要兼顾到蒸汽循环的效率，才能获得联合循环的最大效率

燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径是不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。

50年代初，透平初温（t3）只有600℃～700℃，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃；60年代后，还借助于空气冷却技术，t3平均每年提升20℃。

从70年代开始，充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能，现已开发出一批“F、FA、FB、H”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：

t3=1300℃，压气机压比ε=10～30，简单循环效率ηsc=36～40%，联合循环效率ηcc=55%-58%。

2003年进入商业运行的9H燃机已把t3提高到1430℃,这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。

正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺（定向结晶，单晶叶片等），部分静部件可能采用陶瓷材料。

初温有较大提高t3＝1400℃～1500℃将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。

对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，燃烧器处于或接近理论燃烧空气量条件下工作，t3将达1600℃～1800℃。

现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3的叶片超级合金将被淘汰，新的高级材料应是小密度（<5g/cm3）的，有更好的综合高温性能，也许陶瓷材料是一种选择。

3、燃气轮机及其联合循环发电的主要优势

●燃气轮机联合循环的供电效率远远高于常规燃煤蒸汽轮机电站。

现有联合循环的效率已经超过58％，很快就会超过60%。

其热效率之高，不仅远远超过现有燃煤蒸汽轮机电厂，甚至比超超临界参数的燃煤蒸汽轮机电厂的预期值（45.2%～47.7%）还要优越。

●建设费用低。

在国外，交钥匙工程的比投资费用约为500-600美元／kw，比带FGD的燃煤电站（1100-1400美元／kw）低很多。

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