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【專家解說】：">燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展對(duì)策研究

[摘 要] 論述了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的總能系統(tǒng)概念,介紹了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)發(fā)展和
用狀況,并就國家對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的發(fā)展定位,發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)政策進(jìn)行了探討。
[關(guān)鍵詞]燃?xì)廨啓C(jī);聯(lián)合循環(huán);能源節(jié)約;環(huán)境保護(hù);對(duì)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?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電狀況和需求
從20世紀(jì)80年代以來,隨著燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)新概念的確立,材料科學(xué)、制造技術(shù)的進(jìn)步特別是能源結(jié)構(gòu)的變化及環(huán)境保護(hù)的要求，更加嚴(yán)格,燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(fù)荷,還被用來帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷。21世紀(jì)以來世界燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期,我國燃?xì)廨啓C(jī)引進(jìn)、開發(fā)和應(yīng)用又進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在:單機(jī)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(jī)容量中,有l(wèi)/3以上系采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(jì),全世界現(xiàn)有燃油和燃天然氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘考撼^400 GW。當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)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(shù)已使燃用天然氣和蒸餾油時(shí)的NOx排放量分別低于25mg/kg和42mgkg,提高了燃?xì)廨啓C(jī)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(shù)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(shù)(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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是一個(gè)重要措施。據(jù)有關(guān)調(diào)研預(yù)測,未來10年我國對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)總需求量達(dá)34 000 MW左右。中國已開始利用西氣東輸,東海、南海油氣,進(jìn)口LNG(液化天然氣)和開發(fā)煤氣化等清潔能源。一批300 MW級(jí)燃?xì)?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(jià)的減低,燃用天然氣和煤氣等大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組,必將成為中國電力工業(yè)一個(gè)重要組成部分。
2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)概念
燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是將兩個(gè)使用不同工質(zhì)的獨(dú)立的動(dòng)力循環(huán),通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán),兼顧了燃?xì)廨啓C(jī)布雷登(Bragton)循環(huán)高溫加熱的優(yōu)勢(shì)和汽輪機(jī)朗肯(Rankine)循環(huán)低溫排熱損失小的優(yōu)勢(shì),形成了總能系統(tǒng)設(shè)計(jì)新概念,匯集燃?xì)廨啓C(jī)的先進(jìn)技術(shù)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢(shì),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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率大于60%。
常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的高溫?zé)嵩礈囟?燃?xì)鈾C(jī)初溫)高達(dá)1 100~1 300℃以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般蒸汽循環(huán)采用的主蒸汽溫度540~566℃,而燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的低溫冷源溫度(凝汽器溫度)29~33℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般燃?xì)夂唵窝h(huán)的排氣溫度450~640℃,也就是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)從非常高的高溫?zé)嵩次鼰?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(gè)單獨(dú)循環(huán)的熱效率都要高得多。在聯(lián)合循環(huán)中,提高燃?xì)廨啓C(jī)效率ηgt比同等程度地提高余熱鍋爐效率ηHRSG和汽輪機(jī)效率ηSt對(duì)于改善聯(lián)合循環(huán)效率ηcc的效果更為明顯。因此在設(shè)計(jì)聯(lián)合循環(huán)時(shí),首先應(yīng)選擇功率和效率都能滿足要求的燃?xì)廨啓C(jī)作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn),然后再從整個(gè)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(dāng)燃?xì)獬鯗匾欢〞r(shí),高壓比的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較低,雖然燃?xì)廨啓C(jī)本身的效率比低壓比的燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度較高,雖然燃?xì)廨啓C(jī)本身的效率比高壓比的燃?xì)廨啓C(jī)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(shù),取得蒸汽循環(huán)的高效率。當(dāng)評(píng)價(jià)一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)聯(lián)合循環(huán)是否合適時(shí),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?xì)廨啓C(jī)在一定的初溫條件下,都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳的壓比和排氣溫度。而聯(lián)合循環(huán)在一定的燃?xì)獬鯗貤l件下,也有一個(gè)效率最高的最佳壓比和排氣溫度。這個(gè)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?xì)廨啓C(jī)的比功達(dá)到最大值時(shí)的壓比非常接近;這個(gè)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?xì)廨啓C(jī),還應(yīng)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?xì)庋h(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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展趨勢(shì)
燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)是一項(xiàng)多專業(yè)、高密集 型的高新技術(shù),傳統(tǒng)的提高性能途徑是不斷地提高
透平初溫、相應(yīng)地增大壓氣機(jī)壓比和完善有關(guān)部件。20世紀(jì)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(shù),T3平均每年提升20℃。從70年代開始,充分吸取先進(jìn)的航空技術(shù)和傳統(tǒng)汽輪機(jī)新技術(shù),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(shù)產(chǎn)品,它們代表著當(dāng)今商業(yè)化的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的最高水平,T3=1 430℃,這也許是傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和材料所能達(dá)到透平初溫的極限,壓氣機(jī)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(shù),高溫部件的材料仍以超級(jí)合金為主,燃?xì)馔钙綒んw選用CrMO鋼,轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)輪選用Inconel706,采用定向結(jié)晶,單
晶材料,Co-Cr-Al-Y噴涂等先進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng),并更加重視環(huán)保。對(duì)未來燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)思將基于采用航空航天最新技術(shù)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(dá)1 600℃~1 800℃?，F(xiàn)采用的熔點(diǎn)1 200℃、密度為8 g/cm3的葉片超級(jí)合金將被淘汰,新的高級(jí)料應(yīng)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(lǐng)域,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組比常規(guī)的燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組有更大的比較優(yōu)勢(shì)。
( 1)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的供電效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤蒸汽輪機(jī)循環(huán)?，F(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(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)燃煤蒸汽輪機(jī)電廠,甚至比超超臨界參數(shù)的燃煤蒸汽輪機(jī)機(jī)組的預(yù)期值(45. 2% ~47. 7%,未扣除脫硫值)還要優(yōu)越。
(2)建設(shè)費(fèi)用比燃煤汽輪機(jī)機(jī)組以及核電機(jī)組低。對(duì)于一座2 000MW電廠,汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(shè)方式建廠,資金利用最有效。建設(shè)周期短,只需5~10個(gè)月。
(4)用地、用水都比較少。
(5)單機(jī)容量大,啟、停快,運(yùn)行靈活性好,適宜兩班制運(yùn)行。提高燃?xì)廨啓C(jī)在總裝機(jī)容量中的比重,將會(huì)改善電網(wǎng)的運(yùn)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(yùn)行可靠性高,可用率高達(dá)85% ~95%,易于快速“黑啟動(dòng)”,有助于改善電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。
( 7)采用天然氣或液體燃料時(shí),一般污染物排放很少。在燃燒天然氣時(shí),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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)展對(duì)策探討
雖然中國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電始于20世紀(jì)50年代末期,但由于燃料政策的原因在很長時(shí)間內(nèi)發(fā)展緩慢。目前我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置設(shè)計(jì)、制造水平與國際上先進(jìn)國家差距較大,裝機(jī)容量及運(yùn)行管理水平與我國電網(wǎng)發(fā)展很不相稱。為促進(jìn)我國燃?xì)廨啓C(jī)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(xué)定位,統(tǒng)籌規(guī)劃,完善政策。結(jié)合國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃,應(yīng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的發(fā)展進(jìn)行科學(xué)定位,制定中國燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和燃料、電能、熱能價(jià)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(jì)規(guī)律,在已重點(diǎn)引進(jìn)一批先進(jìn)、成套的300MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)示范工程的基礎(chǔ)上,兼顧大、中、小型先進(jìn)、實(shí)用技術(shù)的引進(jìn),通過產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合和消化、吸收、再創(chuàng)新,迅速提高我國燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝備的技術(shù)水平。
(2)嚴(yán)把引進(jìn)設(shè)備技術(shù)質(zhì)量關(guān)。實(shí)行機(jī)、電行業(yè)結(jié)合,先以市場換技術(shù),提高進(jìn)口機(jī)組的可靠性、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能和電廠設(shè)計(jì)優(yōu)化水平,提高備品備件國產(chǎn)化率,降低維護(hù)費(fèi)用。努力改變目前國內(nèi)機(jī)、電行業(yè)分離,引進(jìn)技術(shù)分散,重復(fù)引進(jìn),配套性差,甚至引進(jìn)性能落后的設(shè)備和技術(shù)的局面。
(3)提高國家制造技術(shù)水平。在現(xiàn)有制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,瞄準(zhǔn)國外最先進(jìn)的水平,有計(jì)劃的成套引進(jìn)一批先進(jìn)適用的機(jī)型、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件、關(guān)鍵制造工藝、控制保護(hù)系統(tǒng)及測試技術(shù)。在消化、吸收的基礎(chǔ)上,努力創(chuàng)新,不斷提高關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化率和設(shè)計(jì)、制造、配套能力。盡快開發(fā)出運(yùn)行可靠,性能價(jià)格比高,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、成套的國產(chǎn)機(jī)組。建議在中西部(如:成都、武漢)建立燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)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。
(4)加強(qiáng)關(guān)鍵高溫金屬材料的引進(jìn)生產(chǎn)和科研攻關(guān)。目前燃?xì)廨啓C(jī)最高初溫達(dá)到1 500℃~1 600℃,國外直接采用最先進(jìn)的航空、航天工業(yè)新材料。國外廠家一般不會(huì)轉(zhuǎn)讓最先進(jìn)的制造技術(shù),國內(nèi)應(yīng)軍民結(jié)合,產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合,組織聯(lián)合科技攻關(guān),盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化,以降低成本。
(5)加強(qiáng)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)分析、故障診斷和處理研究,特別是對(duì)單軸(即由壓氣機(jī)+燃?xì)馔钙?汽輪機(jī)+發(fā)電機(jī)串聯(lián)成一根單軸)大型機(jī)組的壓氣機(jī)喘振及軸承振動(dòng)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(jī)組,目前燃煤的燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)技術(shù)已成熟。當(dāng)采用9H型燃?xì)廨啓C(jī)組成IGCC聯(lián)合循環(huán)時(shí),單機(jī)功率可提高到550MW,供電效率可增升到50% ~62%。國家應(yīng)加速IGCC整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的步伐和燃煤潔凈發(fā)電機(jī)組的進(jìn)程,以適應(yīng)中國電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。
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