天然氣發(fā)電綜述

1、 20世紀(jì)80年代以來，天然氣在發(fā)電領(lǐng)域的消費(fèi)增長速度較快，增長部分主要集中在發(fā)達(dá)國家。發(fā)展中國家的天然氣發(fā)電技術(shù)尚未得到普遍采用。但隨著天然氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，熱效率不斷提高以及優(yōu)越的環(huán)保效益，天然氣發(fā)電今后在發(fā)展中國家將有廣闊的發(fā)展前景。 天然氣發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)天然氣發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn) 天然氣發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 對環(huán)境的污染??； 熱效率高； 占地小、定員少； 投資省 調(diào)峰性能好； 發(fā)電成本低。 由此可見，天然氣發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，有更好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 天然氣發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展的原因天然氣發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展的原因 近20年，天然氣發(fā)電得到快速

2、發(fā)展的原因歸結(jié)如下： （1）豐富的資源奠定了天然氣電站發(fā)展的基礎(chǔ) 世界天然氣儲量迅速增長，而且天然氣資源的地理分布較廣，有利于避免區(qū)域性市場壟斷的風(fēng)險。同時近年來天然氣勘探、采集、輸送上的科技進(jìn)步為資源的合理利用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 （2）環(huán)保上的優(yōu)勢促進(jìn)天然氣在電力工業(yè)上的應(yīng)用 在煤、燃料油和天然氣三大化石能源中，天然氣具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢，這對解決中國目前環(huán)境污染問題極具現(xiàn)實(shí)意義。 （3）發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步提高了天然氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益 燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步對天然氣電站的發(fā)展，起了決定性的推動作用。相對于其它發(fā)電方式，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的投資較低，天然氣發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上頗具競爭力。 （4）

3、世界電力工業(yè)市場結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變促進(jìn)了天然氣電站的發(fā)展 從20世紀(jì)80年代，國外電力工業(yè)的模式發(fā)生很大變化，電力市場已從完全由政府控制改變?yōu)橄蛩饺私?jīng)營者開放。其結(jié)果是廠商對發(fā)電方式和裝置有決策權(quán)，而熱電聯(lián)供系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢正好能滿足廠商的要求。 天然氣能量的梯級利用天然氣能量的梯級利用 （1）能量梯級利用的概念 為了提高燃料的利用效率，依據(jù)工程熱力學(xué)理論，借助系統(tǒng)工程的方法，綜合研究整個工廠的能量傳遞、轉(zhuǎn)化和利用的過程，按能量的品位合理安排發(fā)電和供熱的生產(chǎn)方案，做到熱電聯(lián)供，從而大大提高能源的利用率，這就是所謂的能量梯級利用（如圖1所示）。采用此種方式安排能量利用的工廠也

4、稱為“總能工廠”。 圖1 能量梯級利用示意圖天然氣化學(xué)能1500內(nèi)燃機(jī)1100燃?xì)廨啓C(jī)700蒸汽輪機(jī)300 蒸汽80低溫水100高溫水50冷溫水電氣熱利用供熱水熱利用（工廠）熱利用建筑物等電氣動力暖房電氣利用形態(tài)照明動力 冷暖房 供熱水 能量梯級利用概念的具體應(yīng)用有多種形式，如熱電聯(lián)供、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，顯熱利用、注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)和濕空氣燃?xì)廨啓C(jī)等，但其基本形式是熱電聯(lián)供和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。 熱電聯(lián)供是指從一個能源轉(zhuǎn)化順序中取得熱能和電能兩種有效能量的供應(yīng)技術(shù)。 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是指一個能源經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)輸出動力后，再利用其高溫?zé)煔夂陀酂徨仩t中發(fā)生蒸汽，并帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。 天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有高效

5、、節(jié)能和靈活方便的特性，能適應(yīng)工礦、商場和住宅小區(qū)等獨(dú)立分散供電和供熱的需求，在發(fā)達(dá)國家的電力工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。（1）熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本原理）熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本原理 熱電聯(lián)供發(fā)電主要有三種型式：蒸汽輪機(jī)型、燃料電池型和燃機(jī)型（包括燃?xì)廨啓C(jī)型和往復(fù)式機(jī)型，廣義而言，燃?xì)廨啓C(jī)也屬于內(nèi)燃機(jī)范疇）。天然氣發(fā)電的主要型式是燃機(jī)型。 燃機(jī)型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本原理是：以天然氣燃燒后的高溫氣體為工質(zhì)，先在燃機(jī)內(nèi)膨脹做功并輸出動力發(fā)電。做功后的高溫?zé)煔庠僭谟酂徨仩t中發(fā)生蒸汽（或以其他方式直接利用高溫?zé)煔獾臒崮埽?，如圖2所示。 圖2 熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作特征（2）熱電聯(lián)供系統(tǒng)中使用的熱機(jī)類型）熱電聯(lián)供系統(tǒng)中

6、使用的熱機(jī)類型 熱電聯(lián)供系統(tǒng)中使用的熱機(jī)有：燃?xì)廨啓C(jī)（主要是天然氣燃?xì)廨啓C(jī)）、天然氣點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（簡稱天然氣內(nèi) 燃機(jī)）、柴油壓縮式內(nèi)燃機(jī)（簡稱柴油機(jī)）。天然氣燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐組成。 三種類型熱機(jī)的能量利用狀況及其適用范圍可大致歸納為： 發(fā)電能力 在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)一般應(yīng)用于發(fā)電能力2000kW以上且熱電比例較高的場合；柴油機(jī)和天然氣內(nèi)燃機(jī)則一般用于發(fā)電能力低于2000kW的熱電聯(lián)供系統(tǒng)；與柴油機(jī)相比天然氣內(nèi)燃機(jī)還可應(yīng)用于發(fā)電能力更低些的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。 發(fā)電端效率 總體來說，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電端效率低于內(nèi)燃機(jī)，三種熱機(jī)的發(fā)電端效率大致范圍如下： 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電端效率

7、為20%30%，最高可達(dá)35%； 天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電端效率為30%35%，最高可達(dá)38%； 柴油機(jī)發(fā)電端效率為35%40%，最高可達(dá)45%。 總能量利用效率 使用上述三種類型熱機(jī)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的總能量利用效率均可達(dá)到70%80%。通常燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱/電比例高，排出的大量高溫?zé)煔獗容^適用于對其它工業(yè)部門供熱，而且其熱/電比例可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。（3）燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)）燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn) 燃?xì)廨啓C(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式熱機(jī)，其技術(shù)特點(diǎn)可大致歸納為以下六點(diǎn)： 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中的廢熱發(fā)散到大氣中，無需使用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，且潤滑油用量也比內(nèi)燃機(jī)低，故其運(yùn)行成本較低。 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行可靠，維護(hù)方便且費(fèi)用低

8、，可完成長期連續(xù)的發(fā)電和供熱任務(wù)。 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的啟動速度快，可承擔(dān)緊急需要時的供電、供熱任務(wù)。 燃?xì)廨啓C(jī)具有較明顯的環(huán)境優(yōu)勢，它不僅從提高能量利用效率的角度減少了大氣污染的排放，而且其噪音也比內(nèi)燃機(jī)小。 燃?xì)廨啓C(jī)適用的燃料較內(nèi)燃機(jī)寬，且可利用蒸汽返回技術(shù)靈活調(diào)節(jié)熱/電比例，故有利于適應(yīng)用戶在不同季節(jié)和工藝條件變動時對供電和供熱的要求。 燃?xì)廨啓C(jī)在極高溫度下運(yùn)行，對設(shè)備材質(zhì)和加工精度要求甚高，因而投資也較高。 由于燃?xì)廨啓C(jī)有一系列優(yōu)點(diǎn)，它已在工業(yè)用的熱電聯(lián)供系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。（4）熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用）熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用 熱電聯(lián)供裝置一般是用戶自備自用的獨(dú)立分散的供電和供熱系統(tǒng)。它的發(fā)電能力在

9、一定范圍可靈活調(diào)節(jié)，不受電網(wǎng)負(fù)荷的干擾，也幾乎沒有線路損耗。 以天然氣為材料的熱電聯(lián)供裝置更有其突出的優(yōu)點(diǎn)，如：無需燃料儲存和預(yù)處理設(shè)施、設(shè)備簡單且容易操作、對環(huán)境污染小等，特別適合同時需要供電和供熱的人口稠密居住區(qū)、商業(yè)區(qū)和大型工廠。 預(yù)計隨著這種系統(tǒng)的增加，未來將可能形成中心電網(wǎng)和獨(dú)立分散發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式。 熱電聯(lián)供系統(tǒng)排出的高溫?zé)煔獬擞糜酂徨仩t發(fā)生蒸汽加以利用外，也可以直接利用其所含之顯熱。因此，用于燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣的熱能大部分都得到利用，提高了能源的總利用效率。（1）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)概述）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)概述 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)

10、等設(shè)備組成。天然氣燃燒生成的高溫?zé)煔庠谌細(xì)廨啓C(jī)做功并發(fā)電后，排出的煙氣在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)再做功并發(fā)出電力。 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)將燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐-蒸汽輪機(jī)在不同溫度區(qū)間運(yùn)行的熱力循環(huán)組合在一起，其熱效率可達(dá)到50%以上。近20年聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)迅速發(fā)展。 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)得到快速發(fā)展的原因主要有三個： 天然氣儲量與產(chǎn)量的增長從資源角度提供了發(fā)展的保障。 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的長足進(jìn)步，使該系統(tǒng)的發(fā)電效率大幅度提高。 燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的大幅度提高。天然氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)不僅可以滿足供電局需要，也可以作為基荷電站。（2）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

11、的結(jié)構(gòu) 以德國西門子公司開發(fā)的帶天然氣預(yù)熱的組合式三級壓力蒸汽再熱型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置為例（見圖3），講述一下天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： 該系統(tǒng)采用3A系列燃?xì)廨啓C(jī)，其燃燒室有24個均勻呈環(huán)狀分布的燃燒器； 采用多級動力渦輪和空氣壓縮機(jī)等技術(shù)，使燃?xì)廨啓C(jī)效率提高到38%。 通過與高、中、低三個級別的余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)配套組成的GUD型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，使凈發(fā)電效率提高到57%。圖圖3 帶天然氣預(yù)熱的組合式三級壓力蒸汽再熱型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置帶天然氣預(yù)熱的組合式三級壓力蒸汽再熱型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置（3）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的技術(shù)特點(diǎn)）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的技術(shù)特點(diǎn) 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的技術(shù)

12、特點(diǎn)可歸納為： 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電比燃煤蒸汽循環(huán)效率高。 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站的投資較低。 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站的建設(shè)周期短。 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的CO2排放量少，對環(huán)境的污染小。同時，天然氣電站排出的其他大氣污染物比燃油或燃煤電站低的多。 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)的操作成本比燃煤蒸汽電站低，但天然氣價格是決定發(fā)電成本的關(guān)鍵因素。 天然氣聯(lián)合循環(huán)電站還具有占地少，用水量少，環(huán)境相容性好，發(fā)電可設(shè)置在用戶附近以減少輸配電設(shè)施和線路損失等一系列優(yōu)點(diǎn)。（4）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用）天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用 電站擴(kuò)容 工廠自備電站或城市小區(qū)電站需要擴(kuò)建時，可在原有的蒸汽輪

13、機(jī)前安裝一臺適當(dāng)?shù)娜細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電，排出的高溫?zé)煔庥靡赃^熱進(jìn)蒸汽輪機(jī)前的蒸汽，達(dá)到在增加發(fā)電能力的同時提高熱效率。 過熱式垃圾發(fā)電 焚燒垃圾時一般溫度不宜過高，所發(fā)生的蒸汽溫度一般僅300左右，直接送入蒸汽輪機(jī)發(fā)電，效率不足15%。 利用電站擴(kuò)容的原理，只要在蒸汽輪機(jī)前安裝一臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，利用排出的500600 的高溫?zé)煔鈦磉^熱焚燒垃圾鍋爐發(fā)生的蒸汽，然后用過熱蒸汽發(fā)電，可使全廠總發(fā)電效率提高到20%25%。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的此種應(yīng)用稱為過熱式垃圾發(fā)電。原理圖如右圖所示。圖4 過熱式垃圾發(fā)電 熱電聯(lián)供和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)成功，為天然氣在發(fā)電技術(shù)上的應(yīng)用展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。總體而言，實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的核心問題是提高燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)水平，這也是天然氣發(fā)電能獲得迅速發(fā)展的關(guān)鍵所在。 當(dāng)前，燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)