天然氣能源與天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

技術(shù)經(jīng)濟綜述天然氣能源與天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電王銘忠(國家電力公司熱工研究院,陜西西安710032)[摘要]天然氣將成為2I世紀人類(lèi)的第一能源。天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是當今世界先進(jìn)的發(fā)電方式。為適應我國經(jīng)濟高速發(fā)展的需要,有計劃地發(fā)展一些天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組是必要的。目前我國的天然氣價(jià)格比較高，若能將天然氣價(jià)格降至0.80元/m3以下,則天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的經(jīng)濟性將可與常規燃煤電站相競爭。[關(guān)鍵詞]能源;天然氣;聯(lián)合循環(huán);發(fā)電[中圖分類(lèi)號]TK11[文獻標識碼]A [文章編號 ]1000 - 36(2001)0404 - 009 -04天然氣是-種高熱值清潔燃料。近年來(lái)，世界天降低機組運行效率,增加運行成本。天然氣聯(lián)合循環(huán)然氣的探明儲量與產(chǎn)量都在明顯增長(cháng),天然氣的利用發(fā)電是解決電站環(huán)境污染的重要出路。越來(lái)越引起人們的重視。能源專(zhuān)家預測,在近期的世界能源消費結構中,天然氣比例將與石油相當,到1.2適當調整我國能源結構勢在必行2010年占40% ,2050年將占50%。19世紀前期,人類(lèi)以煤炭代替柴薪為主要能源，帶來(lái)了世界資本主義的發(fā)展;20世紀中期開(kāi)始的以石1發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā) 電是社會(huì )油代替煤炭為主要能源,帶來(lái)了世界經(jīng)濟的繁榮。近經(jīng)濟發(fā)展的需要年來(lái)隨著(zhù)世界天然氣探明儲量與產(chǎn)量的迅速增長(cháng),在21世紀初郎將出現以更清潔的天然氣代替石油為主1.1 經(jīng)濟發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染日益嚴重要能源的又一次能源消費結構的大變革。預計2010我國在經(jīng)濟持續高速發(fā)展的同時(shí)環(huán)境污染日益嚴年世界能源結構中天然氣將達到35% ~ 40%。而成為重,環(huán)境污染的最大來(lái)源是燃煤排放物。我國是以煤人類(lèi)第一大能源。能源結構的變化反映著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的為主要一次能源的國家,在能源消費結構中,煤炭占進(jìn)步,落后的能源結構必然不利于經(jīng)濟的發(fā)展。在經(jīng)75%。我國電力工業(yè)是用煤大戶(hù),因而也是造成環(huán)境濟高速發(fā)展時(shí)期,煤炭的開(kāi)采速度將難以滿(mǎn)足能源需污染的大戶(hù),全國形成酸雨的SO2有30%來(lái)自燃煤電要的高速增長(cháng)。調整能源結構,適量增加石油、天然氣消費比重,不僅可以彌補煤炭供應缺口,而且可以改善廠(chǎng)。日益嚴格的環(huán)保法規給電力工業(yè)發(fā)展帶來(lái)極大壓能源質(zhì)量,將更有利于國家經(jīng)濟的發(fā)展。力。常規燃煤電站要增設高性能脫硫等凈化裝置,不我國當前能源結構的調整為發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)僅造價(jià)高(約占電站全部投資的1/4- 1/5),而且還會(huì )發(fā)電創(chuàng )造了可行條件。[熱力發(fā)電:200(4) ]?技術(shù)經(jīng)濟綜述1.3天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電有利于電網(wǎng)調峰400MW聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)交鑰匙工程單位造價(jià)為450~隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,電網(wǎng)容量越來(lái)越大,晝夜電負荷550美元/kW,比帶有煙氣脫硫裝置的燃煤蒸汽輪機電峰谷差也越來(lái)越大,電網(wǎng)調峰任務(wù)繁重。燃氣輪機與廠(chǎng) 造價(jià)1 100~ 1400美元/kW低得多。燃氣輪機發(fā)電聯(lián)合循環(huán)發(fā)電具有起停迅速,調度靈活,機動(dòng)性好的特機組從設備到達現場(chǎng)至投入商業(yè)運行,一般不超過(guò)半點(diǎn),比常規蒸汽輪機更適合作調峰機組。為保證電網(wǎng)年。聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)建設可以“分階段施工”,有利于資安全可靠運行,電網(wǎng)應有總容量12%- 15%的備用調金回收與周轉。峰機組。僅此一點(diǎn),燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在我國(5)系統簡(jiǎn)單,自動(dòng)化程度高，機動(dòng)性好,起停方就有相當的發(fā)展空間。便,運行可靠。設備可用率高達85%~95%,工廠(chǎng)定員僅為常規火電的20% -25%。設備操作性好,機動(dòng)2天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā) 電是當今世界性強，是經(jīng)濟有效地進(jìn)行電網(wǎng)調峰的重要選擇。其啟先進(jìn)的發(fā)電方式動(dòng)性能與常規電廠(chǎng)的比較見(jiàn)表2。清潔、高效是衡量發(fā)電技術(shù)先進(jìn)與否的2條最重表2幾種電廠(chǎng)的啟動(dòng)性能比較nin要標準。天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電集天然氣清潔(能源)與啟動(dòng)方式燃氣輪機電廠(chǎng)聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)蒸汽電廠(chǎng)聯(lián)合循環(huán)高效(發(fā)電方式)于一身,成為當今世界最受青睞的實(shí)用發(fā)電技術(shù)。目前全世界每年增長(cháng)的發(fā)電容120(冷態(tài))300(冷態(tài))正常14-1690(溫態(tài))180(溫態(tài))量中,有35% ~ 36%為燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,而美60(熱態(tài))90(熱態(tài))國達48%。天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在電力市場(chǎng)中取得緊急9-10 ;如此優(yōu)勢的原因是:(1)高效節能。目前常規火力發(fā)電凈效率為38% ~ 40% ,我國平均供電效率僅為30%左右。而先進(jìn)成熟的天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率已達58%以上,3天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的發(fā)展領(lǐng)域是目前實(shí)用發(fā)電技術(shù)中最高的。(2)清潔環(huán)保。以天然氣為燃料的燃氣輪機或聯(lián)3.1 油氣產(chǎn)區合循環(huán)發(fā)電,對環(huán)境污染極小,其與常規燃煤發(fā)電的比我國的油氣產(chǎn)區大多遠離大電網(wǎng)，缺少煤炭和淡較見(jiàn)表1。水資源。為了開(kāi)發(fā)油氣資源和發(fā)展地方經(jīng)濟,取用當地天然氣能源的燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,是滿(mǎn)足地表1 500 MW電廠(chǎng)的污染物排放比較/年區電力需要最經(jīng)濟有效的途徑。發(fā)電類(lèi)型S02 NO,CO2灰選徽粒3.2大城市及負荷中心常規繼煤，發(fā)電(A8043 5060 2942375 12500 35000 428經(jīng)濟高速發(fā)展使大電網(wǎng)晝夜電負荷峰谷差越來(lái)越大。燃氣輪機成為目前最佳的調峰機組,能最經(jīng)濟、有發(fā)電(B)971 1241 29221效地保障電網(wǎng)安全穩定運行。負荷中心地區的大城市B:A%42附近,往往也是常規火電污染最嚴重地區,適當增加一定數量的帶基本負荷的聯(lián)合循環(huán)機組,將對環(huán)境保護(3)節水省地。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電以燃氣輪機為主,燃與經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生良好效應。氣輪機運行用水極少，甚至可以無(wú)水運行。聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)耗水量?jì)H為常規電廠(chǎng)的30% - 40%。天然氣聯(lián)3.3 老電廠(chǎng)改造合循環(huán)電廠(chǎng)因其系統簡(jiǎn)單,無(wú)常規火電的煤場(chǎng)灰場(chǎng)等,在我國電網(wǎng)中,125 MW以下的中小機組占總容量廠(chǎng)區占地僅為常規火電的30% ~40%,廠(chǎng)房建筑面積的52% ,其技術(shù)落后,經(jīng)濟性差,急需改造或取締。另約為20%。這些對于淡水資源較為貧乏、人多地少的外,20世紀80年代建造的--批200MW、300MW高壓、我國是非常重要的。超高壓機組,其服役年限也接近或超過(guò)20年,技術(shù)經(jīng)(4)建設投資少、工期短。目前,國際市場(chǎng)上200~濟指標相應落后,而且多數沒(méi)有煙氣脫硫等凈化裝置,●[熱力發(fā)電:2001(4)技術(shù)經(jīng)濟綜述環(huán)境污染嚴重。在有油氣供應條件的地方,利用燃氣輪機容量為汽輪機的20% ~ 50%,電站增容較小,而輪機技術(shù),采用聯(lián)合循環(huán)方案對老廠(chǎng)進(jìn)行改造,是一條熱效率相對可提高3%~ 10%。由于改造工程僅需增簡(jiǎn)單易行且行之有效的選擇。設較小容量的燃氣輪機,投資較少;同時(shí)鍋爐仍可保持使用原設計燃料(可以是煤),改造消耗油氣燃料較少。4老電廠(chǎng)改造方案天然氣鍋爐4.1余熱利用型聯(lián)合循環(huán)圖1是目前最為流行的標準聯(lián)合循環(huán)形式。用燃媒7燃氣輪機氣輪機及相應的余熱鍋爐代替原燃煤鍋爐,與經(jīng)適當空氣, 燃氣改造的原有汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)。此方案對原設備改造工作量不太大，而熱效率最高;因需增加整套燃氣輪團2排氣再燃型聯(lián)合循環(huán)機發(fā)電機組及余熱鍋爐設備,故投資較多。采用無(wú)補燃余熱利用型聯(lián)合循環(huán)，改造后電站容量約為原來(lái)的4.3給水加熱型聯(lián)合循環(huán)3倍,使熱效率提高到50%以上。.圖3是用增設的燃氣輪機排氣給原火電機組給水進(jìn)行加熱的一種簡(jiǎn)單聯(lián)合循環(huán)方式，優(yōu)點(diǎn)是僅增設一天然氣\余熱鍋爐臺小容量燃氣輪機,原系統改造工作量很小，改造停工輪機期也很短,適用于緊急電源的改造。但它使原電站的容量效率提高很少,一般用的不多。|氣L燃氣圈1余熱利用型聯(lián)合循環(huán)汽輪機0-4.2排氣再燃型聯(lián)合循環(huán)圖2是一種老廠(chǎng)改造中采用比較多的方案，主要空氣|_燃氣適用于原電廠(chǎng)的鍋爐、汽機、發(fā)電機等主要設備均有較高使用價(jià)值的情況，改造的目的是提高電站技術(shù)經(jīng)濟性。改造僅需增設-套燃氣輪機發(fā)電設備，將燃氣輪圍3給水加熱型聯(lián)合循環(huán)機排氣用于給水加熱與摻混鍋爐送風(fēng)或直接作為鍋爐送風(fēng)進(jìn)人爐膛,以利用燃氣輪機排氣余熱。通常燃氣以上3種聯(lián)合循環(huán)改造方案的特點(diǎn)比較見(jiàn)表3。裹3 3種聯(lián)合循環(huán)改造方案的特點(diǎn)比較改造方案余熱利用型排氣再燃型給水加熱型(1)增設燃氣輪機(1)增故燃(輪機(I)增設燃氣輪機(2)增設余熱鍋爐(2)鍋爐風(fēng)箱改造(2)增設燃氣給水加熱器主要增設改造項目(3)增設煙囪(3)增設燃氣輪機與鋼爐排熱回收裝置(4)增設鍋爐脫硝裝置(4)增設或改造脫硝裝置(4)增設脫硝裝置(5)ST/CT出力比約為0.5(5)SI/GT出力比約為2~5效率高中低改造范圍大小施工期/月12-24[熱力發(fā)電:2001(4)] ?技術(shù)經(jīng)濟綜述(3)俄羅斯遠東地區。5我國天然氣資 源狀況(4)中亞諸國(土庫曼、烏茲別克哈薩克等)。.東南沿海地區除管道天然氣外還可引進(jìn)液化天然發(fā)展燃用天然氣的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的必要前提是要氣。能夠保證天然氣的供給。世界的天然氣資源非常豐富。近年來(lái),天然氣的6天然氣發(fā)電的經(jīng)濟性探明儲量和產(chǎn)量增長(cháng)十分迅速。在工業(yè)發(fā)達國家的一-次能源結構中,大有取代石油而成為第一能源之勢。天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)的建設投資少,系統簡(jiǎn)單，自我國天然氣儲量相對較少,根據中國石油天然氣動(dòng)化程度及 人員勞動(dòng)生產(chǎn)率高，因此其運行經(jīng)濟性主總公司1993年完成的全國油氣資源評價(jià)報告,我國的要取決于天然氣價(jià)格。此外還與機組容量大小、運行天然氣資源總量為3.8x 103 m2。有關(guān)專(zhuān)家預測我國方式、年運行時(shí)數、建設資金構成方式、貸款利率等有天然氣資源遠景儲量可達6.0x 10B3 m3，主要分布在四重要關(guān)系。川、陜甘寧、新疆、青海、海南等地。另外,近海大陸架我國天然氣價(jià)格是比較高的。中國國際工程咨詢(xún)也探明不少天然氣資源。我國天然氣資源狀況見(jiàn)表公司、中國電力科學(xué)研究院等單位聯(lián)合編制的《電力工4。業(yè)利用天然氣發(fā)電的設想》報告中,對于4x 320 MW聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng),取管道天然氣價(jià)格為1. 16元/m ,計算表4我國的天然氣資源分布平均上網(wǎng)電價(jià)為0.446元/(kW.h)。國家電力公司熱產(chǎn)地資源量/1.0x 102 m2工研究院為蘭州西固熱電廠(chǎng)2x247 MW聯(lián)合循環(huán)機組所作方案的計算結果是:當天然氣價(jià)格為0.85塔里木8.4元/m2時(shí),平均上網(wǎng)電價(jià)為0.339元/(kW.h)。因為2川榆7.2個(gè)設計方案的建設投資、天然氣價(jià)格、機組運行方式、陸上中西部陜甘寧4.2人員工資水平、貸款方式利率等均不相同,故上網(wǎng)電價(jià)柴達木1.1也有較大差別。但是,計算表明,當機組運行時(shí)間在其它1.55000h以上,天然氣價(jià)格在0.85元/m以下時(shí),天然東部7.5氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)可與常規燃煤電站相當。海上8.1總計38.07結論近年來(lái)我國天然氣探明儲量與產(chǎn)量都不斷增加。(1)世界天然氣探明儲量與產(chǎn)量均呈上升趨勢。1994年我國天然氣探明儲量為1.7x102m2,到199未來(lái)幾年在世界能源消費結構中 ,天然氣將可能上升年達2.25x 1012 m'。我國的天燃氣產(chǎn)量1996年為至第1位。發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電符合當今世界能2.01x1010 m?,2000年達2.96x10*0-3.67x 1010 m2,源發(fā)展主流。到2010年預計產(chǎn)量達7.0x 100~8.0x 1010 mr,而(2)天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電有熱效率高,利于環(huán)境保2010年天然氣消費量將達1.1x10"-1.3x 1o0" m'。護,調峰運行方便，用水、占地少等突出優(yōu)點(diǎn)。有計劃由此可見(jiàn)，我國的天然氣產(chǎn)量遠不能滿(mǎn)足國內需要,必地發(fā)展一些天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)是必要的。須引進(jìn)國外天然氣資源。(3)目前我國的天然氣價(jià)格還比較高(一般>1.0從國外引進(jìn)天然氣有2種形式:管道天然氣與液元/m),因此發(fā)電成本也比較高。若能將天然氣價(jià)格化天然氣。降至0.80元/m3以下,則天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的經(jīng)濟我國發(fā)展管道天然氣貿易,從近鄰俄羅斯引進(jìn)最性將可與常規燃煤電站相競爭。為有利?？梢栽谝韵聨讉€(gè)地區進(jìn)行:(4)進(jìn)-一步落實(shí)我國天然氣作為一次能源的長(cháng)遠(1)俄羅斯西西伯利亞。供應潛力,以制定合理的、長(cháng)遠的天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(2)俄羅斯東西伯利亞。規劃。?C熱力發(fā)電:2001(4) ]