燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，可減少環(huán)境污染嗎

【專家解說】：燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術發(fā)展對策研究

　[摘　要]　論述了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)的總能系統(tǒng)概念,介紹了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術發(fā)展和
用狀況,并就國家對燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的發(fā)展定位,發(fā)展規(guī)劃和相關政策進行了探討。
　[關鍵詞]燃氣輪機;聯(lián)合循環(huán);能源節(jié)約;環(huán)境保護;對策
Present State ofCombined Steam & gas Turbine Cycle Power Generation
Technology& Study on the DevelopmentCountermeasures
WANG Bo-ren
(HubeiElectricPowerTesting& Research Institute,Wuhan430077,China)
[Abstract]The totalenergy conceptofcombined steam and gas turbine cyclewas expounded.Presentstate of
combined steam and gas turbine cycle powergeneration technology and its applicationwere introduced.The de-
velopmentorientation, plan and related policy of statewere discussed.
[Key words]gas turbine; combined cycle; energy saving; environmentprotection; countermeasures

1　燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電狀況和需求
　　從20世紀80年代以來,隨著燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)新概念的確立,材料科學、制造技術的進步特別是能源結構的變化及環(huán)境保護的要求，更加嚴格,燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組在世界電力，系統(tǒng)中的地位發(fā)生了顯著變化,不僅可以用作緊急，備用電源和尖峰負荷,還被用來帶基本負荷和中間負荷。21世紀以來世界燃氣輪機進入了一個新的發(fā)展時期,我國燃氣輪機引進、開發(fā)和應用又進入了一個新的發(fā)展階段。燃氣輪機技術進步主要表現(xiàn)在：單機容量增大,熱效率提高與污染物排放量降低。目前全世界每年新增的裝機容量中,有l(wèi)/3以上系采用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,而美國則接近l/2,日本則占火電的43%。據(jù)不完全統(tǒng)計,全世界現(xiàn)有燃油和燃天然氣的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的總?cè)萘考撼^400 GW。當前燃氣輪機單機功率已
經(jīng)超過300MW,簡單循環(huán)熱效率超過39%;聯(lián)合循環(huán)功率已經(jīng)超過780 MW,聯(lián)合循環(huán)熱效率超過58. 5%,干式低NOx燃燒技術已使燃用天然氣和蒸餾油時的NOx排放量分別低于25mg/kg和42mgkg,提高了燃氣輪機在能源與電力中的地位與作用。
從目前世界火力發(fā)電技術水平來看,提高火電廠效率和減少污染物的排放的方法,除帶脫硫、除塵裝置的超臨界發(fā)電技術(USC)、循環(huán)流化床(CFB)和增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC)等外,燃天然氣、燃油及整體煤氣化等燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)是一個重要措施。據(jù)有關調(diào)研預測,未來10年我國對燃氣輪機總需求量達34 000 MW左右。中國已開始利用西氣東輸,東海、南海油氣,進口LNG(液化天然氣)和開發(fā)煤氣化等清潔能源。一批300 MW級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠已經(jīng)建成或即將建成投產(chǎn)?？梢哉f,隨著國產(chǎn)化率的提高,造價的減低,燃用天然氣和煤氣等大型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,必將成為中國電力工業(yè)一個重要組成部分。
2　燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)概念
　　燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將兩個使用不同工質(zhì)的獨立的動力循環(huán),通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán),兼顧了燃氣輪機布雷登(Bragton)循環(huán)高溫加熱的優(yōu)勢和汽輪機朗肯(Rankine)循環(huán)低溫排熱損失小的優(yōu)勢,形成了總能系統(tǒng)設計新概念,匯集燃氣輪機的先進技術、余熱鍋爐和汽輪機發(fā)電的優(yōu)勢,使聯(lián)合循環(huán)的效率提高。例如目前三壓鍋爐、亞臨界參數(shù)、再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率大于60%。
常規(guī)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的高溫熱源溫度(燃氣機初溫)高達1 100~1 300℃以上,遠遠高于一般蒸汽循環(huán)采用的主蒸汽溫度540~566℃,而燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的低溫冷源溫度(凝汽器溫度)29~33℃,遠遠低于一般燃氣簡單循環(huán)的排氣溫度450~640℃,也就是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)從非常高的高溫熱源吸熱,向盡可能低溫的冷源放熱。因此聯(lián)合循環(huán)的熱效率比組成它的任何一個單獨循環(huán)的熱效率都要高得多。在聯(lián)合循環(huán)中,提高燃氣輪機效率ηgt比同等程度地提高余熱鍋爐效率ηHRSG和汽輪機效率ηSt對于改善聯(lián)合循環(huán)效率ηcc的效果更為明顯。因此在設計聯(lián)合循環(huán)時,首先應選擇功率和效率都能滿足要求的燃氣輪機作為設計出發(fā)點,然后再從整個聯(lián)合循環(huán)的效率和投資角度,來考慮余熱鍋爐和汽輪機系統(tǒng)和形式是否配置合理的問題。研究表明,在聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機效率取最大值,并不等于獲得最優(yōu)化的聯(lián)合循環(huán)效率。當燃氣初溫一定時,高壓比的燃氣輪機排氣溫度較低,雖然燃氣輪機本身的效率比低壓比的燃氣輪機高,但余熱鍋爐的能量利用率、蒸汽參數(shù)和蒸汽循環(huán)效率都較低。而低壓比的燃氣輪機的排氣溫度較高,雖然燃氣輪機本身的效率比高壓比的燃氣輪機低,但蒸汽循環(huán)得以利用成熟的高溫高壓、亞臨界和再熱技術,取得蒸汽循環(huán)的高效率。當評價一臺燃氣輪機對聯(lián)合循環(huán)是否合適時,不但要考慮其效率,還要考慮與其匹配的蒸汽循環(huán)的效率以及整體聯(lián)合循環(huán)的效率。簡單循環(huán)的燃氣輪機在一定的初溫條件下,都對應著一個最佳的壓比和排氣溫度。而聯(lián)合循環(huán)在一定的燃氣初溫條件下,也有一個效率最高的最佳壓比和排氣溫度。這個最佳壓比要比簡單循環(huán)的最佳壓比低得多,它與使簡單循環(huán)的燃氣輪機的比功達到最大值時的壓比非常接近;這個最佳排氣溫度要比簡單循環(huán)的最佳
排氣溫度高得多。因此要獲得聯(lián)合循環(huán)的最大效率,不能僅僅選擇高效率的燃氣輪機,還應選擇盡可能高的氣初溫和聯(lián)合循環(huán)的最佳壓比和排氣溫度。即既要兼顧到燃氣循環(huán)的效率,又要兼顧到蒸汽循環(huán)的效率,才能獲得聯(lián)合循環(huán)的最大效率。
3　燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展趨勢
　　燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)是一項多專業(yè)、高密集 型的高新技術,傳統(tǒng)的提高性能途徑是不斷地提高
透平初溫、相應地增大壓氣機壓比和完善有關部件。20世紀50年代初,透平初溫(T3)只有600℃~700℃,靠耐熱材料性能的改善,平均每年上升約10℃; 60年代后,還借助于空氣冷卻技術,T3平均每年提升20℃。從70年代開始,充分吸取先進的航空技術和傳統(tǒng)汽輪機新技術,沿著傳統(tǒng)的途徑不斷提高其性能,現(xiàn)已開發(fā)出一批“F、FA、FB、H”新型高透平初溫技術產(chǎn)品,它們代表著當今商業(yè)化的工業(yè)燃氣輪機的最高水平,T3=1 430℃,這也許是傳統(tǒng)的冷卻技術和材料所能達到透平初溫的極限,壓氣機壓比ε=10~30,簡單循環(huán)效率ηgt=36% ~40%,聯(lián)合循環(huán)效率ηcc=55% -60%。正在開發(fā)的新一代產(chǎn)品的主要特征是采用蒸汽冷卻技術,高溫部件的材料仍以超級合金為主,燃氣透平殼體選用CrMO鋼,轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)輪選用Inconel706,采用定向結晶,單
晶材料,Co-Cr-Al-Y噴涂等先進工藝,部分靜止部件采用陶瓷材料,初溫提高到T3=1 500℃~1 600℃。采用智能型微機控制系統(tǒng),并更加重視環(huán)保。對未來燃氣輪機的構思將基于采用航空航天最新技術新材料,燃燒器處于或接近在理論燃燒空氣量條件下工作,T3將達1 600℃~1 800℃。現(xiàn)采用的熔點1 200℃、密度為8 g/cm3的葉片超級合金將被淘汰,新的高級料應是小密度(<5 g/cm3),有更好的綜合高溫性能,陶瓷材料是一種選擇。
4　兩種循環(huán)的性能比較
　　在火電領域,燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組比常規(guī)的燃煤汽輪發(fā)電機組有更大的比較優(yōu)勢。
( 1)燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的供電效率遠遠高于常規(guī)燃煤蒸汽輪機循環(huán)。現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)的效率已經(jīng)超過58~60%。其熱效率之高,不僅遠遠超過常規(guī)燃煤蒸汽輪機電廠,甚至比超超臨界參數(shù)的燃煤蒸汽輪機機組的預期值(45. 2% ~47. 7%,未扣除脫硫值)還要優(yōu)越。
(2)建設費用比燃煤汽輪機機組以及核電機組低。對于一座2 000MW電廠,汽輪發(fā)電機組、燃氣輪機發(fā)電機組、燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組單位投資分別約為6 000、2 122、6 530元/kW。
(3)可以按“分階段”建設方式建廠,資金利用最有效。建設周期短,只需5~10個月。
(4)用地、用水都比較少。
(5)單機容量大,啟、?？?運行靈活性好,適宜兩班制運行。提高燃氣輪機在總裝機容量中的比重,將會改善電網(wǎng)的運行狀況,為電網(wǎng)提供更加靈活的備用電源,增大調(diào)峰的靈活性。
(6)運行可靠性高,可用率高達85% ~95%,易于快速“黑啟動”,有助于改善電網(wǎng)運行的安全性。
( 7)采用天然氣或液體燃料時,一般污染物排放很少。在燃燒天然氣時,還可以大大地減少CO2的排放量。如果以燃料燃燒釋放的單位能量比較,并以燃油排放的CO2量為,l則煤和天然氣燃燒排放的CO2大致為1. 22和0. 67。
5　燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展對策探討
　　雖然中國燃氣輪機發(fā)電始于20世紀50年代末期,但由于燃料政策的原因在很長時間內(nèi)發(fā)展緩慢。目前我國燃氣輪機發(fā)電裝置設計、制造水平與國際上先進國家差距較大,裝機容量及運行管理水平與我國電網(wǎng)發(fā)展很不相稱。為促進我國燃氣輪機發(fā)電事業(yè)的快速健康發(fā)展,在此提出一些不成熟的建議,以拋磚引玉。
(1)科學定位,統(tǒng)籌規(guī)劃,完善政策。結合國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃,應對燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的發(fā)展進行科學定位,制定中國燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的中、長期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和近期安排,制定和完善燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和燃料、電能、熱能價格等配套政策、法規(guī),加大資金和科技投入。按照市場經(jīng)濟規(guī)律,在已重點引進一批先進、成套的300MW級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)示范工程的基礎上,兼顧大、中、小型先進、實用技術的引進,通過產(chǎn)、學、研結合和消化、吸收、再創(chuàng)新,迅速提高我國燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的技術水平。
(2)嚴把引進設備技術質(zhì)量關。實行機、電行業(yè)結合,先以市場換技術,提高進口機組的可靠性、綜合技術經(jīng)濟性能和電廠設計優(yōu)化水平,提高備品備件國產(chǎn)化率,降低維護費用。努力改變目前國內(nèi)機、電行業(yè)分離,引進技術分散,重復引進,配套性差,甚至引進性能落后的設備和技術的局面。
(3)提高國家制造技術水平。在現(xiàn)有制造技術的基礎上,瞄準國外最先進的水平,有計劃的成套引進一批先進適用的機型、關鍵設計技術、軟件、關鍵制造工藝、控制保護系統(tǒng)及測試技術。在消化、吸收的基礎上,努力創(chuàng)新,不斷提高關鍵部件的國產(chǎn)化率和設計、制造、配套能力。盡快開發(fā)出運行可靠,性能價格比高,具有自主知識產(chǎn)權、成套的國產(chǎn)機組。建議在中西部(如:成都、武漢)建立燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組研發(fā)中心及制造基地,將產(chǎn)品盡快推向國內(nèi)外市場。天貓美國普衛(wèi)欣提示：霧霾天氣出行記得做好防護。
(4)加強關鍵高溫金屬材料的引進生產(chǎn)和科研攻關。目前燃氣輪機最高初溫達到1 500℃~1 600℃,國外直接采用最先進的航空、航天工業(yè)新材料。國外廠家一般不會轉(zhuǎn)讓最先進的制造技術,國內(nèi)應軍民結合,產(chǎn)、學、研結合,組織聯(lián)合科技攻關,盡快實現(xiàn)關鍵材料國產(chǎn)化,以降低成本。
(5)加強燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組轉(zhuǎn)子結構動力學和振動分析、故障診斷和處理研究,特別是對單軸(即由壓氣機+燃氣透平+汽輪機+發(fā)電機串聯(lián)成一根單軸)大型機組的壓氣機喘振及軸承振動的快速診斷、處理。
(6)我國煤炭資源較豐富,為替代常規(guī)燃煤汽輪發(fā)電機組,目前燃煤的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術已成熟。當采用9H型燃氣輪機組成IGCC聯(lián)合循環(huán)時,單機功率可提高到550MW,供電效率可增升到50% ~62%。國家應加速IGCC整體煤氣化燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的步伐和燃煤潔凈發(fā)電機組的進程,以適應中國電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。