国内外燃气轮机发电技术的进展与前景

国内外燃气轮机发电技术的进展与前景

1前言

随着社会生产力水平的不断提高和经济的迅速增长，对于能源的需求也在快速增长。目前，世界火电站汽轮机长期占统治地位的局面已开始动摇，“大型电站以联合机组为主，中、小型机组以热电并供居多”已是许多工业发达国家电站发展的主要格局。燃气轮机具有极强的适配性，能够作为多种发电模式，以成为当今世界发电的主要形式之一，由于该装置，特别是联合循环发电装置具有效率高、机动性好，不仅可以作为电网的调峰机组，且更多地用于电网的基本负荷发电，又能满足日益严格的环保要求，其地位将得到巩固和加强。

我国自改革开放以来，随着电力工业的迅猛发展和电网峰谷差的日趋增大，燃气轮机发电得到重视和发展。近几年已相继兴建了一批具有80年代国际先进水平的机组，在缓解电力紧缺的同时，有效地发挥了其增强电网调峰能力的作用。跨入21世纪，随着科技发展、能源政策的调整，如何高效、洁净利用化石能源已成为电力领

域的突出问题。燃气—蒸汽联合循环发电越来越受到国家有关方面的重视，必将得到进一步的快速发展。

2 国际燃气轮机发电技术

燃气轮机是从20世纪50年代开始逐渐登上发电工业舞台的，由于当时机组的单机容量小、热效率低而在电力系统中只能作为紧急备用电源和调峰机组。60年代加深了对电网中必须配备一定数量的燃气轮发电机组的认识，从安全和调峰的目的出发，燃气轮发电机组在电网中的比例达到8％～12％。从80年代以后由于燃气轮机的功率和热效率均得到很大程度的提高，特别是燃气—蒸汽联合循环机型成熟，再加上世界范围内天然气资源进一步开发，燃气轮机及其联合循环在世界电力系统中的地位发生了明显变化，它们不仅仅可以用作紧急备用电源和调峰负荷机组，还能带基本负荷和中间负荷。美国在1990～2000年期间新增长的发电容量为1．13亿kW，其中燃气轮机电站和蒸汽轮机电站的容量分别为44％，第一次出现了朗肯循环和布莱顿循环平分秋色的局面，在德国前者则占2／3左右，由此可见在世界范围内燃气轮机及其联合循环已成为火电发展的主要方向。

近几年来，世界燃气轮机工业取得相当的成就和飞速的发展，几家著名的公司GE、ABB、Siemens、西屋等均与航空发动机设计、研究、制造厂彼此联营，保证及时地把航空发动机领域内的先进技术用来武装重型燃气轮机，以确保技术的先进性。如压气机已采用“可控扩压”的概念进行设计，把单轴压气机的压缩比提高到了24～30的水平，透平叶片采用了航空机组的先进冷却结构和定向结晶制造工艺，使透平前的燃气温度提高到了1300℃的水平，由此明显地提高了机组的输出功率和热效率。如GE公司的9FA、Siemens的V94．3A等典型机组的燃机单循环功率为266MW，燃气初温为1270～1300℃，压缩比

为16，净热效率达38％，由此组成的联合循环机组单机功率为380 MW，供电效率已达56～58％。在本世纪初叶，世界上又将会出现新一代的先进燃气轮机，这种技术被称为“G技术”，专门用于50H Z和60H Z发电用燃气轮机发电装置，此类机组的燃气初温将提高到1427℃左右，相应地进一步提高输出功率和热效率，单机功率和净热效率将分别达到480 MW和60％的高水平。

为了降低燃气轮机的排放污染，采用往燃烧室中注蒸汽或水，在排气导管中装设选择性催化还原装置，以及采用干式低NO X排放燃烧室等措施。在工业化的欧洲及世界其它地区，日趋严格的NO X和CO2排放的规定，迫使燃机制造商在一些烧天然气和油的机组中，开发干式低NO X燃烧室装置，其效果已达到NO X排放低于10 ppm水平。

从20世纪70年代出现石油危机后，工业发达国家都在大力进行燃气轮机燃煤的研究工作，燃煤联合循环种类有：整体煤气化联合循环（IGCC）、流化床燃煤联合循环（PFBC—CC和AF－BC—CC）、外燃式燃煤联合循环（IFC）、直接烧煤粉联合循环、整体煤气化燃料电池联合循环（ICFC—CC）及磁流体发电联合循环（MHD—CC）

等形式。目前，IGCC和PFBC—CC在世界范围内已开始进入实用商业化阶段，世界上几乎所有主要石油煤炭公司和动力制造厂商都加入开发行列，将燃煤联合循环技术不断发展。

至今，大型燃气轮机和联合循环机组交钥匙工程的比投资费用分别为＄200～300／kW和＄500～600／kW，而600 MW的燃煤超临界参数机组的造价为＄1100／kW。因此，燃机电站的比投资费用远低于

燃煤电站。

3 我国燃气轮机发电技术

3．1我国燃气轮机发展概况

我国的燃气轮机发电事业始于1959年，当时从瑞士BCC公司引进两套6200 kW的单循环燃气轮机列车发电机组，燃料为大庆原油。20世纪60年代，燃气轮机发电站的建设及其设备的制造生产初具规模，总装机容量达到6万kW，最大单机容量为45000 kW。上汽厂、南汽厂、哈汽厂、东汽厂等制造厂曾先后设计生产过燃气轮机组，这些机组的技术性能都不高，燃气初温一般在600～700℃左右，热效率为16～25％，所建电站基本上是单循环机组。客观地讲国家在当时也投入了不少力量，开辟和启动了燃气轮机发电领域，取得了一些研究成果。但由于燃料政策及政治、经济方面的原因，使兴起不久的这项事业在20世纪60年代末陷入停滞不前的状况。后来，于1972年和1976年分别从英国JB公司和日本日立公司引进了10套MS5000系列、PG5301型单机功率在21700～23000 kW单循环机组，从而使我国燃气轮发电机组总装机容量达到30万kW左右。由于种种原因，我国燃机制造业在20世纪70年代开始萎缩，大部分制造厂停止生产，只保留南京汽轮电机厂为我国唯一生产燃气轮机的制造厂家。目前，该厂与美国GE公司合作，已能批量生产MS6001系列燃机。

改革开放以后，燃气轮机发电事业也随着国家经济而飞速发展，从70年代到90年代，全国燃气轮机电厂由20余座发展到80余座，机组台数从20余台（套）增加到140多台（套），装机总容量从

30万kW增加到近800万kW，尤以沿海经济发展最快的地区最为迅速，如广东、福建、上海、浙江、海南、江苏等地。另外，石油化工部门在大庆、胜利、中原及新疆地区的油田和化工厂共建有燃机电厂30

余座，装机60多套，总容量超过100万kW。近年来，武汉、重庆、合肥、成都等经济发达地区也随着电力市场的需求，逐步稳定地兴建了一批燃机电站。尽管如此，燃机总装机容量在电网中的比例仅2．3％左右，远低于发达国家的水平。

3．2我国燃气轮机发电技术水平

我国于80年代以前所建的燃机电站基本上是简单循环机组，其经济技术性能较差，油耗在330 g／kW·h以上，热效率在26％左右。80年代以后兴建的一批燃机电站，燃机单机容量大多为36 MW和100 MW等级，燃料多为轻柴油、原油或重油。近几年着重发展了PG9E 型的联合循环发电机组，其中浙江镇海、龙湾的两套300 MW燃气—蒸汽联合循环机组为国内最大的机组之一，其燃机技术具有80年代国际先进水平，燃气初温为1094℃，单循环热效率达32．6％左右，联合循环热效率达47．3％左右。由于我国的优质资源相当缺少，价格相对较高，为降低发电成本，着重发展燃重油燃机，但燃重油燃机的发电技术难度很大。深圳南山热电股份公司于90年代初开始在MS6001系列燃机上进行燃用重油试验，通过多次摸索，长期燃用重油连续发电获得了成功，取得了可贵的运行经验和较好的经济效益，目前，上海闸北、浙江镇海和龙湾燃机电厂都逐步掌握并提高了PG9E型燃机用