IGCC与PFBC资料.docx
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IGCC与PFBC资料
中国IGCC电站出口美国
本报记者 易蓉蓉
“美国宾夕法尼亚州的项目是复制华能IGCC（整体煤气化联合循环发电电厂）项目。
从前都是中国买技术，现在是中国出口技术到美国。
”11月23日，在煤层气和液化气亚洲高峰论坛（2011）上，净化空气任务组织亚太地区总代表孙嗣敏博士透露了这个案例。
“我们的惯性思维是发展中国家想要发达国家出钱，但在这个案例中，中国与欧美企业一起分摊成本、共享技术并赚钱。
”孙嗣敏说。
后发制人
“起了个大早，赶了个晚集。
”有人这样形容中国IGCC技术的发展历程。
从上个世纪70年代末正式立项至今，IGCC在中国曲折坎坷地发展了30余年。
1978年曾确定在苏州建立试验基地，1999年又在烟台建设IGCC项目，后来都胎死腹中。
终于在2009年7月集中爆发出了能量。
2009年7月6日，我国首座自主开发、设计、制造并建设的IGCC示范工程项目华能天津IGCC示范电站在天津临港工业区正式开工，标志着具有我国自主知识产权、代表世界清洁煤技术前沿水平的“绿色煤电”计划取得了实质性进展。
这次一期项目的开工时间，比原计划推迟了两年。
按照最初规划，该25万千瓦IGCC示范电站计划于今年建成，而项目直到5月22日才获得国家发改委的正式批准。
对此，绿色煤电公司人士介绍，主要是因为国家发改委需要时间论证项目的开发模式：
是高价引进国外技术还是自主研发？
是建设一个示范项目还是同时开建一批项目？
最终，国家发改委选择了国内自主研发模式，并将华能天津IGCC电站确定为国家示范项目，先开建一家再逐步推广，以给国内设备商留足时间消化技术，带动相关设备制造业发展，以降低工程造价。
回过头来看，两年的等待是值得的。
核心设备国产化
华能天津IGCC示范电站开工后第5天，孙嗣敏和绿色煤电公司的几位领导前往美国，和美国未来燃料公司正式签订IGCC核心技术的出口合同。
IGCC核心技术是2000吨/天级两段式干煤粉气化炉技术。
孙嗣敏在能源与IT领域有40多年从业经验，曾应邀与中国能源行业领袖一起为国家起草能源计划，也曾参与过世界上多个IGCC项目的研发工作。
他说：
“以我对这个行业多年的了解，我敢说美国是世界上最难进入的市场之一。
美国本身的技术能力很强，西安热工院能把IGCC技术出口到美国，一定有它的特色和优势。
”
孙嗣敏眨巴着眼睛要《科学时报》记者猜猜他啥时候移民美国，“我们家移民时恐怕你父母亲都没出生呢”。
美籍华裔身份让他游走在中美能源合作领域。
这次技术出口意味着美国开始用中国的技术来建造IGCC电站，而在前些年这是完全不敢想象的事。
过去在干煤气化炉上，壳牌公司占主导地位。
现在西安热工研究院有限公司（简称“西安热工院”）已经赶了上来，与之形成了能源竞争格局。
负责研发这项技术的西安热工院由华能集团控股，大唐集团、华电集团、国电集团、中电投集团参股。
当时与西安热工院同台竞标的就是大名鼎鼎的壳牌公司。
经过严格的比较和全面的评估，最终美国方面还是选择了西安热工院的技术。
首先，GE研发的水煤浆汽化炉技术和流化床气化炉技术并非当下的主流发展方向。
其次，西安热工院的技术研发过程非常严密，小试、中试等方面的数据扎实。
第三，中国的煤种比较复杂，西安热工院研究的煤种更充分，可以适应差异较大的煤种。
第四，中国的技术研发一直没有中断，形成了比较完整的研发团队，技术再开发能力较强。
另外，电站造价低于竞争对手。
加速前行
今年9月上旬，华能天津IGCC电厂示范工程宣布部分装置完成调试，预计年内将具备并网发电条件。
届时，华能IGCC电厂每年将可为天津滨海新区提供12亿度的绿色能源，约相当于115万户家庭一年的用电量。
原定2015年左右建成的完整“绿色煤电”示范工程要推迟到2016年。
绿色煤电公司希望能用加速建设来补上失去的时光。
为了抓住难得的发展机遇期，西安热工院总工程师许世森表示，绿色煤电公司要分秒必争。
之所以称之为“难得的发展机遇期”，是因为欧美国家近些年来在IGCC技术上发展相对缓慢。
一方面，欧美国家已经完成了IGCC电站的示范过程，现在把更多的精力投入到碳封存和捕捉技术上；另一方面，美国退出《京都议定书》之后，其在IGCC技术上的发展更加缓慢。
2003年，美国能源部曾推出“未来发电项目”（FutureGen），联合多家大型能源公司，计划在2012年建成世界上首座利用煤炭发电和制氢、不向大气排放二氧化碳的示范电站。
然而，由于这个非营利的项目计划投资高达15亿~18亿美元，企业的积极性并不高，至今工作进展缓慢，仅完成了选址，而且有一些公司已宣布退出该项目。
这样的国际形势，给中国留下了一个加速前行的空间
华能IGCC示范电站设备安装基本结束
滨海新区网4月10日讯我国具有自主知识产权的首座IGCC电站――华能整体煤气化联合循环发电示范电站建设如火如荼，目前工程施工已完成90%，主要设备全部安装完毕，部分设备进入调试阶段。
预计今年年底建成并投入运行，年发电量将达到12亿千瓦时。
IGCC技术是把煤气化和燃气-蒸汽联合循环发电集成的一种洁净煤发电技术，粉尘、二氧化硫、氮氧化物等主要污染物的排放量较常规燃煤电站大幅降低，接近天然气电站排放水平，建成后将成为我国最清洁、环保的煤基电站。
项目负责人告诉记者，目前净化装置、汽轮机、燃气轮机、余热锅炉等主要设备已经安装完毕，系统已经形成，将逐步进入调试阶段。
国家电网天津滨海供电分公司日前已为项目接通入厂用电，项目投产后所生产电能将由这条220千伏专用输电线路并入天津电网。
（文/记者徐晶晶图/记者贾磊）
一、燃气轮机发电在世界上已进入高度发展的时代
燃气轮机发电问世半个多世纪，就象一切先进的科学技术一样，初生时就显示其有生命力，为人注目，经几代人精心培育，这一技术日趋完善，得到了广泛应用，并达到高度发展的境地。
燃气轮机利用燃烧产生的燃气直接做功，完成布雷顿（B11］41tOn）循环，不同于常规蒸汽轮机由燃烧加热产生蒸汽，蒸汽做功完成朗肯（Rankine）循环。
蒸汽循环参数的提高受到限制，蒸汽轮机发电效率也受限制。
燃气轮机可提高燃气初温来提高效率。
因此，燃气轮机就有效率高、重量轻、结构紧凑，以及机动灵活等一系列优点而广为人们重视。
我国以钱学森先生和已故吴仲华先生等为代表的一大批专家和科学家，在开创燃气轮机学说理论上起到奠基人的作用，在国际上都享有盛誉。
我国已有几代燃气轮机的专业人员在设计、制造、应用等方面作出过重大贡献。
目前就世界范围而言，燃气轮机发电已是电力结构中的重要部分，而在新增发电容量中更占主要成份。
以1996年6月至1997年5月为例，世界燃气轮机订货量达892台，总功率28，552MW。
美国能源部能源信息中心（DOE?
EIA）的最新统计资料表明，截止到1998年1月1日止，美国Utility燃气轮机及联合循环的装机容量达79，355MW，机组共1，751台（套），占美国Utility总装机容量754，925MW的10.5％。
又据统计，发达国家每年新增的联合循环总装机容量约占火电新增容量的40％～50％。
简单归纳燃气轮机五十多年来已发展的水平为：
（一）透平前燃气的进口温度由早期的600～700℃，到现在一般水平都已超过1，100℃，有些已投入商业应用的机组，燃气进口温度达到1，288℃，高的甚至达1，430℃。
（二）燃气轮机简单循环的热效率已由早期的16％～25％，现已提高到36％以上，高的达38％一39．5％。
（三）燃气轮机高温部件（涡轮喷咀、动叶）的材料，由最早的GJP450、U500、In738等一般合金材料，发展到合金金相结构控制的材料，出现了同向结晶或定向结晶的GTD111、DSGTD111，最新材料已使用单晶工艺。
金属材料的进步还表现在涂层的应用上。
涂层减轻了腐蚀和氧化，使用寿命增长了10一20倍，早期有铂铝（PrAl）涂层，后来又发展等离于保护GT一29和GT一29IN一PLUSTM等。
先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高150～200℃左右。
（四）高温部件在改进材料的同时又不断改进冷却技术。
早期喷咀和动叶采用对流、冲击等空气冷却，现已广泛采用气膜冷却、发散冷却。
先进的冷却技术可使透平前燃气进口温度再提高500一800℃。
（五）燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发展到100MW以上等级的大机组，近年来250～300MW的机组也己投入商业应用。
（六）燃气轮机发电已广泛应用能量的综合利用，循环方式多样化，特别是燃气：
蒸汽联合循环发电技术更为完善，装置净效率已提高到58％～60％，出现了燃气、蒸汽集为一体的单轴机组。
随着燃气轮机技术的不断成熟，燃气轮机发电在世界电力结构中的比例不断增加。
据统计，自1968年至1995年，世界范围销售发电用燃气轮机13，373台，总装机容量达37．7517万MW，而其中机组数的32.24％，装机容量数的43.58％是在1990年至1995年短短的六年中的增长量。
据美国能源部能源信息局（DOEEIA）预测，1998年～2007年十年内，计划新装机52，044MW，其中燃煤机组2,559MW（4.9％），燃油机组1,444MW（2.8％），燃气机组46,181MW（88.7％），燃油及燃气机组大部分是燃气轮机及联合循环机组。
表1代表当代最新技术水平的燃气轮机
国外主要公司
GE
ABB
Siemens（kwu）
西屋
三菱
简
单
循
环
机型
MS9001FA
MS9001G
GT26
V94.3A
701F
701G
输出功率（MW）
226.5
282.0
265
240
246
310
压比
14.7
23.2
30
16.6
17
21
透平前燃气温度（℃）
1,288
1,430
1,260
1,190
1,290
1,415
热效率（％）
35.7
39.5
38.5
38
37
39
高温一级动叶材料和涂层
DSGTD-111（同向结晶）GT-29INPLUSTM（涂层）
MGA1400MGA2400
高温一级动叶的冷却技术
空气冷却
空气冷却
气膜冷却
空气冷却
排放量控制（PPM）
?
25
?
25
?
25
?
25
工艺流程特点
两段燃烧技术
联合循环
机型
S109FA
S109G
KA26-1
GUDIS.94.3A
MPXP1（TOIGI）
联合循环输出功率（MW）
348.5
420
396.0
359
420
联合循环效率（％）
56.3
58
58.5
58.1
58
二、世纪燃气轮机发电更将成为世界各国经济可持续发展的动力
“可持续发展”是21世纪的发展战略。
可持续发展不仅指满足当代人的需要，还要充分考虑不对后代人满足其需要的能力构成危害。
可持续发展包括经济和社会的发展，也包括保持和建设良好的生态环境。
根据可持续发展战略，21世纪世界电力的发展更将体现能源的高效、洁净利用，合理的电力结构，以及良好的环境保护。
燃气轮机发电技术能满足可持续发展战略的选择。
（一）燃气轮机能满足新世纪高效率。
高性能的要求
国外一些燃气轮机厂商已推出“先进级”燃气轮机及其联合循环。
其中有美国GE的MS7001H、MS9001H，美国西屋的501ATS，以及德国Siemens／kwu的V94.3A等。
这些机型简单循环的效率?
40％。
这些代表21世纪的高新技术，主要包括：
1．透平通流部分采用完善的三元流动设计。
2．高温部件（喷咀和动叶）采用超级镍基、钻基高温合金和定向结晶库晶体成形材料结构，应用陶瓷耐热层。
3．高温部件采用闭式蒸气冷却。
4．在燃气轮机热力循环工艺上也有改进。
瑞士ABB公司的GT一24、GT一26采用二次燃烧，德国Siemens的V94.3A采用压气机中间冷却技术。
（二）采用燃气一蒸汽联合循环和能源综合利用的总能系统概念
燃气-蒸气联合循环兼顾了燃气轮机Bragton循环高温加热的优势和蒸汽轮机Rankine循环低温排热损失小的优点，形成了总能系统新概念，使热力循环的效率大大提高。
不仅汇集燃气轮机的先进技术，在余热锅炉和汽轮机部分又吸取常规汽轮机发电的优点，例如采用三压锅炉、亚临界参数，以及蒸气再热循环等，使联合循环发电的效率?
60％。
联合循环还能电热并供、三联供、多联产等，在电力、石化、冶金等部门广泛应用。
目前新的循环方式还在不断出现，其中一种称为Kalina循环，其特点是采用变浓度的氨水混合物为工质，通过控制氨浓度来达到基本等温放热，增加作功量。
Ka1ina循环排汽是过热蒸汽，因而没有Rankine循环中凝汽透平湿蒸汽损失和冲刷侵蚀叶片的问题。
另有一种是利用某些临界参数较低的有机工质（如R113、R114等），可在工作温度不太高的情况下，仍达到超临界蒸汽参数匹配，避免余热锅炉节点温度差的限制。
其他还有湿空气透平循环（HAT）、燃料电池-燃气-蒸汽联合循环等。
尽管这些技术处于发展的初期阶段，但初步研究成果表明它具有高效率、大比功、低污染、低成本及变工况性能良好等特点，尤其是与洁净煤燃烧技术相结合时，前景十分广阔。
表2“先进级”燃气轮机和联合循环的技术参数
机型
单位
GE-MS7001H
西屋501-ATS
燃气初温
℃
1,430
1,510
压比
/
23
28
简单循环净出力
MW
/
290
简单循环效率
％
/
41
联合循环净出力
MW
400
426
联合循环效率
％
60
61
NOX排放
PPm
9
≈5
（三）低排放污染技术
对于大规模的电力生产，降低环境污染，良化生态环境是突出的问题。
其中最重要的一项是对CO2、SO2、NOX等温室气体排放的控制。
现代人们意识到严重排放污染物对生存空间严重危害，温室气体排放的控制指标越来越严。
显然提高能源效率是控制温室气体排放最优先的选择。
联合循环发电装置效率己达到（56一58）％（IS0状态），居所有发电机组之首。
即使超超临界的汽轮发电装置（参数：
48Mpa／560℃／560℃／593℃）效率也只能达到45％左右。
在同样的发电量下，联合循环消耗的燃料热当量以及有害气体的排放量只是汽轮发电的2/3一3/4。
此外，对于选用优质燃料的特定条件下，燃气轮机十分注重低N0X排放的燃烧技术。
在燃烧区注入一定比例的水或蒸汽，以降低燃烧火焰温度，N0X的排放可自140～220ppm降低至25～42ppm。
在“先进级”联合循环机组上，GE和Siemens采用予混贫油燃料燃烧（DLE），西屋采用催化还原（SCR），N0X控制可达到9ppm以下。
瑞士ABB采用二级燃烧，其最高燃烧温度比常规的单级燃烧室要低得多，也可控制NOX的排放量。
（四）燃料的多元化和燃煤联合循环
燃气轮机应用范围的扩大，将得益于包括气体、液体，以及固体等各种不同燃料都能应用的特点。
油、气是适合燃气轮机应用的优质燃料。
半个世纪来，油、气在一次能源构成中的比例不断上升，石油消费量从1950年的27％上升到1996年39.5％，天然气的消费量从1950年的9.8％上升到1996年的23.5％。
而同期煤炭等固体燃料的消费量则从61.5％下降到26.9％。
新增发电容量中，以油、气为燃料的燃气轮机发电容量正在逐步大于以煤炭为燃料的蒸汽轮机发电容量。
目前世界已探明可采石油储量2,500亿吨左右，已采出约1,080亿吨（至1995年）剩余1,400亿吨（平均值），待发现600～1，999亿吨。
已探明天然气可采储量为190万亿m3（平均值），已采出60万亿m3（至1995年），剩余可采储量为130万亿m3，待发现120万亿m3。
根据目前世界需求的增长趋势，石油在35～40年内可保持较高的供应水平。
天然气在50～60年内可保持较高的供应水平。
世界天然气资源的勘探近年来进展迅猛。
1970年至今，天然气总储量增长了近3倍。
预计天然气在21世纪的能源中将占主导地位。
天然气产量的迅速增长将大大促进燃气轮机的发展。
但是，世界一次能源构成中仍有一大块是煤炭。
根据目前的消费水平，煤炭储备足够使用200年。
而且世界不同地区，因能源资源构成分布尽不相同，例如我国煤炭资源丰富，而探明的油、气资源不是很多。
如何利用燃气轮机效率高等一系列优点，进行燃气轮机燃煤的研究、开发工作，已成为发电领域的一大热点。
在燃煤联合循环技术上，最受重视和比较容易大型化的是整体煤气化联合循环（IGCC）和流化床燃煤联合循环（PFBC一CC，AFBC一CC）。
IGCC在四个根本性技术方向上改变了常规煤发电技术的模式：
（1）以煤的气化（部分氧化）代替煤的直接燃烧（完全氧化），其产物是以一氧化碳（C0）和氢气（H2）为主的燃料气，而不是没有发热值的烟气；
（2）以燃气轮机发电为主，并配置蒸汽轮机的联合循环代替常规蒸汽轮机的简单朗肯循环，因而大大提高了效率；（3）将煤转化过程中的污染物（固体粉尘、SOX、N0X、碱金属等）在完全燃烧前就清除掉，而不是在燃烧之后净化大量的烟气；（4）煤制气副产品可以用于生产化工产品（如甲醇、尿素、醋酸等）。
IGCC可以扩展成为以煤为原料的综合性电力和化工生产系统，真正实现了煤的高效率、低污染、高效益的利用。
最早在1972年，德国Lunen电厂采用固定床式鲁奇（Luigi）气化炉建成170MWIGCC电站共运行了7年。
1984年美国加州冷水（CoolWater）电站又建成一座IGCC电站，成功地运行了5年，被誉为世界上最洁净的煤发电站。
自1986年起美国实施为期15年的“洁净煤技术（CCT）发展计戈〕，新一代IGCC电厂相继投运，其中有著名的Tampa电站，采用Texaco炉型，功率250MW。
其他还有WabashRiver262MWIGCC增容电站，PinenPine 100MW、KRW炉型IGCC电站等。
欧洲有荷兰Buggenum250MW电站，西班牙的300MW电站，都以高效率为世界各国注目。
据美国电力研究所（EPRI）统计，世界上正在筹建或建成的IGCC电厂达50多座，分布在欧美、东亚和日本各地。
PFBC-CC是以蒸汽循环为主的燃煤联合循环，为另一种清洁的燃煤技术，它与常压流化床相比，系统更加紧凑，易于大型化，现已由第一代发展到第二代，效率进一步提高，烟气高温净化和透平叶片腐蚀等技术难题也逐渐得以解决。
IGCC、PFBC等燃煤联合循环的效率和低排放污染都明显优于常规的燃煤蒸汽轮机发电。
目前仅是因为其商业化运行时间短尚缺乏经验，以及由于批量不大而造成的制造成本昂贵，使发展受到限制。
可预计21世纪随大批商业化应用后，在效率、环保，造价和成本诸方面都会有优势，可得到推广应用。
表3主要的煤发电技术水平的比较
净效率（％）
SO2kg/MWh
NOXkg/MWH
常规煤粉炉机组（PC）
36
13.0
4.0
煤粉炉配湿式烟气脱硫（PC+WFGD）
33.8
1.0
2.0
煤粉炉配干式烟气脱硫PC+DFGD
34.8
2.0
2.0
常压循环流化床（CAFBC）
34.1
1.4
0.6
第一代增压流化床（I-PFBC）
38
0.8
1.2
第二代增压流化床E-PFBC
42
0.7
1.1
煤气化联合循环（IGCC）
43
0.14
0.6
正处于研究阶段的燃煤联合循环还有整体煤气化湿空气透平循环（IGHAT），整体煤气化燃料电池联合循环IGCC一CC，以及外燃式燃煤联合循环（IFC），直接烧煤粉（或水煤浆）联合循环，磁流体发电联合循环（MHDICC）等。
这些技术成功后期望得到更高的效率（40％～70％）。
但是当前还处在研究阶段，尚存在造价较高，寿命和可靠性有待提高等问题，需要继续示范和检验。
三、我国燃气轮机发电近年来有所发展，但与国外发达国家相比还有很大差距
在建国初期，我国在努力发展电力工业的同时，就注意到燃气轮机这一有前途的发电技术。
50年代未，60年代初，我国就开始引进燃气轮机发电机组。
先后测绘仿制或自行设计制造过多种机型。
这是我国发展燃气轮机属探索性的第一时期。
最早引进的瑞典STAL一LAVAL轴燃气轮机发电机组因设计，制造上不很成熟，没有能很好投入运行。
我国仿制或自制的机组功率等级都在几千千瓦以内，燃气初温一般为600℃一700℃，热效率仅为16％～25％。
虽然这些机组由于使用上或技术上的问题没有长期运行下去，也没有形成批量生产，但也取得一些研究和制造经验，造就了我国最早燃气轮机设计制造人才。
其中，上海汽轮机厂仿制成功6.2MW燃气轮机列车发电站，南京汽轮电机厂自行设计制造1.5MW带回热的燃气轮机并在四川五通桥电厂试运行，哈尔滨汽轮机厂自行设计制造的3，000马力船用燃气轮机又改成发电机组在天津井网运行。
他们都能称得上是我国燃气轮机发电的开拓者。
自70年代后期到80年代初期，基于国外燃气轮机发电技术已有很大长进，国内石油和天然气的开发也有进展，我国再次热衷于燃气轮机的制造和应用，我国发展燃气轮机进入第二时期。
我国水电部先后从英国JB公司、日本日立公司和法国阿尔斯通公司引进了共10套MS5000系列，单台功率为21.7～23MW燃气轮机发电机组，又从加拿大奥伦达公司引进2套OT一2100，单台功率为9MW的燃气轮机列车电站，从而使我国燃气轮机发电装机容量达到300MW左右，这些机组大部分都经长期运行，有些机组几经搬迁还在服役。
在此期间，国家重点投资了南京汽轮电机厂和燃气轮机研究所，列为国家燃气轮机的专业厂和所，并引进了美国GE公司的生产设备和部分制造技术。
对引进的MS5000系列燃气轮机进行测绘仿制，并成功通过国家验收，相继生产三台。
南京汽轮电机厂又和美国GE公司合作生产MS6000系列机组，目前已有7套机组供国内电厂生产使用。
我国航空工业部也积极开展航机改为地面动力和发电的技术开发工作。
沈阳黎明公司改型涡喷六发动机发电，南方航空动力机械公司、哈尔滨东安发动机公司改型WJ6G1（2，130kW）、WJ6G2（2，270kW）、WJ5GI（1，400kW）等。
成都发动机公司与美国联合技术公司透平动力分部及加拿大Pratt＆Whittney签订了联合开发FI8（248MW）合同，首台安装于深圳福田电厂，第二台安装于海南三亚市南山电力股份有限公司。
80年代开始，随着我国改革开放，国民经济得到飞速发展，燃气轮机发电又进入新的高潮，这是我国燃气轮机发展的第三时期。
华能汕头燃机电厂为了解决汕头市严重缺电的被动局面，利用燃气轮机投资省、起步快、建设周期短的优点，在较短的时间内建成一套103MW烧原油的联合循环机组，电厂于1986年11月投产，对汕头市电力不足起到了补充作用，推动了汕头地区经济发展。
由于机组效率高、性能好，使电厂很快取得效益。
在汕头成功经验
带动下，不久深圳月亮湾燃机电厂、珠海洪湾燃机电厂以及广东其他各地，后又发展到全国建设起一大批燃气轮机联合循环电厂。
70年代全国燃气轮机电厂约20座，90年代已有80余座（不包括香港、台湾等地）。
发电机组由20余台（套）增加到140台（套），装机容量从300MW，增加到7，200MW（包括香港将超过10，000MW）。
发展最快的是沿海经济改革开放最早的地区。
广东、海南地区现燃气轮机共装机46台总装机容量达3，000Mw，其中深圳经济特区装机20台
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