燃气轮机联合循环发电意义和建议

燃气轮机联合循环发电意义和建议

摘要：本文以IGCC联合循环为例阐述了燃气-蒸汽联合循环的基本工作流程及工作原理。分析了燃气轮机和汽轮机发电系统循环方式的特点及其特性参数。就目前国内外燃气-蒸汽联合循环发展及应用状况为我国发展联合循环发电系统提出了一些建议。

关键词：联合循环、燃气轮机、汽轮机

目前，全世界电能消费已占终端能源消费总量的40％左右。其中，热力发电占据主要位置，其发电量约占全世界发电总量的80％。我国大多采用燃煤火力发电厂发电，其最高发电效率略高于40％，由于材料的限制，继续提高蒸汽参数很困难，汽轮机发电机组供电效率进一步提高的余地已经不大，能预测到的不会超过10个百分点。

燃气-蒸汽联合循环发电是解决上述问题的一个理性方案[1]。燃气-蒸汽联合循环发电机组具有热效率高、污染排放低、节省投资、建设周期短、启停快捷、调峰性能好、占地少、节水、厂用电率低和可靠性强、维修方便等优点[2]，目前整体煤气化联合循环技术发电净效率可达到60％。与常规燃煤电厂相比，联合循环机组具有极大的优势，已受到研究者及政府的重视。

1 燃气-蒸汽联合循环

燃气-蒸汽联合循环机组由燃气轮机、余热锅炉和供热汽轮机三大装置组成，其分类型式也是多种多样，各种循环都有自己的特点，分别适用于不同的场合。本文以整体煤气化联合循环（IGCC-Interrated Gasification Combined Cycle）为例，阐述单纯发电用联合循环工作原理[3]。

IGCC由两大部分组成，即煤的气化与煤气净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化系统；第二部分的主要设备有燃气轮机系统、余热锅炉、汽轮机、发电机。IGCC的工艺过程（见图1）如下：煤经过气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进人余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动汽轮机做功。

图1 IGCC联合循环系统典型系统图（虚线部分为联合循环动力系统）

2 燃气轮机与汽轮机的发电系统循环方式

燃气轮机是以空气和燃气为工质的热机，由压气机、燃烧室和透平三大部分组成，系统图见图2-(a)。其中压气机的作用是提高工质的压力；燃烧室的作用是提高工质的温度，将燃料的化学能转化为工质的热能；透平的作用是通过工质的膨胀将热能装换为机械能。理想燃气轮机循环的温-熵图如图2-(b)所示，在该循环中，单位质量工质所获得的热量可由图中的面积a-2-3-b-a表示，对外所做的功由面积1-2-3-4-1表示，向大气放出的热量由面积a-1-4-b-a表示，效率由面积1-2-3-4-1与面积a-2-3-b-a之比间接表示。燃气轮机循环的性能主要取决于压缩比π和温度比τ两个热力参数，压缩（简称压比）π=P2*/P1*，温度比（简称温比）τ=T3*/T1*。描述燃气轮机性能的主要指标是比功ωn和循环热效率ηgt，比功（也称比输出）ωn=ωt -ωc，循环热效率ηgt=ωn/q b。

图2 燃气轮机热力循环：(a)系统图；(b)温-熵图

C-压气机；B-燃烧室；T-燃气轮机；G-发电机；1-2-空气压缩过程；

2-3-空气与燃料混合燃烧过程；3-4-燃气膨胀过程；4-1-排气在大气中放热过程汽轮机是以水和水蒸气为工质的热机，由给水泵、锅炉、汽轮机和凝汽器四大部分组成，系统图见图3-(a)。其中给水泵的作用是提高工质的压力，为实现热能向机械能转换提供条件；锅炉的作用是提高工质的温度，将燃料的化学能转化为工质的热能；汽轮机的作用是通过工质的膨胀将热能装换为机械能，并带动发电机发电；凝汽器的作用是用冷却水吸收掉工质中的废热，并回收工质。理想汽轮机循环的温-熵图如图3-(b)所示，在该循环中，单位质量工质所获得的热量可由图中的面积a-2-3-4-5-b-a表示，对外所做的功由面积1-2-3-4-4-6-1表示，向大气放出的热量由面积a-1-6-b-a表示，效率由面积1-2-3-4-5-6-1与面积a-2-3-4-5-b-a 之比间接表示。汽轮机循环的性能主要取决于新蒸汽温度T5、新蒸汽压力P5、背压P6三个热力参数。描述汽轮机循环性能的主要指标有热耗率、汽耗率等。

图3 汽轮机热力循环：(a)系统图；(b)温-熵图

P-给水泵；B-锅炉；T-汽轮机；C-凝汽器；G-发电机；1-2-给水压缩过程；

2-3-4-5-给水转化为蒸汽过程；4-6-蒸汽膨胀过程；6-1-排汽凝结过程

3国外发展状况及我国应用状况

世界各国都非常重视燃气轮机联合循环装置的发展[4, 5]，产品的发展呈现出产品技术不断发展和创新、机组容量等级不断增大、单位千瓦造价相应降低、燃机进气温度不断增高、单机出力和热效率相应提高、广泛采用燃气-蒸汽联合循环、装置功率和热效率显著提高的趋势[6]。Siemens Westinghouse、Mitsubishi、ABB、GE等公司在燃气轮机及联合循环装置的发展上做了极大贡献，燃烧、冷却、气动、漏泄、控制、测试以及材料、涂层等技术有了很大的发展和创新，燃机单机出力达~ 300MW（60Hz），联合循环出力（1台燃机+1台汽机）达~ 420MW（60Hz），燃机的进气温度超过~ 1500℃，联合循环装置热效率高达~ 60% ，并实现机组运行高可靠性、高可用率、维修性好、负荷适应性好、燃料适应性好以及低NOx 排放。

近年来，美、欧、日都制定了一系列对燃气轮机发电的鼓励政策，如：法国对联合循环热电联产投资给予15%的政策补贴。由于政策的正确引导，使联合循环热电联产得到稳定而迅速的发展。欧盟诸国联合循环机组占总装机容量的比例仍有不断上升的趋势，如芬兰热电机组占全国总装机容量的30%，荷兰约占40%，在这些联合循环中有70%以上采用天然气为燃料。

我国对于发展燃气-蒸汽联合循环发电技术也很重视[7, 8]。近年来随着国内天然气消费的快速增长，特别是随着西气东输、川气东送、大鹏LNG、莆田LNG等天然气储运基础设施项目的建成投产，促使广东、福建、浙江、上海等省市一批燃气发电项目陆续建成投产，在满足电力需求增长的同时，创造了较好的经济效益和社会效益，其推广应用进程在逐步加快。以IGCC为例[9-11]，2005年底华能集团提出绿色煤电战略，2006年各大发电集团竞相展开IGCC技术在国内的发展和应用，IGCC技术出现了大力发展的趋势。华能天津绿色煤电IGCC电站和华电杭州半山IGCC电站是目前我国推广IGCC电站的示范项目。

4 国内发展联合循环发电的建议

燃气-蒸汽联合循环发电技术把高效、清洁、节水和多联产等特点结合起来，更符合21 世纪发电技术的发展方向。随着近期示范工程项目的建设，也已经初步具备了进一步发展的基本条件。但是，现阶段我国燃气-蒸汽联合循环项目单位造价和运行成本仍比正常燃煤加脱硫电站高，上网电价高于当地脱硫标杆上网电价，经济效益情况相对较差。为此需要通过政府引导与市场机制相结合，给予一些政策性优惠。具体建议如下：

（1）继续推进燃气-蒸汽联合循环示范电站建设，通过一系列示范电站的建设，带动燃气-蒸汽联合循环技术的验证和提高，可以有效提高与燃气-蒸汽联合循环电站配套的设备制造商设计、制造水平，降低发电成本，提高经济效益。

（2）电价对经济效益影响非常明显，因此国家可以通过给予燃气-蒸汽联合循环发电的上网电价优惠政策，以促使燃气-蒸汽联合循环技术经济效益的改善。

（3）机组年利用小时数对电价影响较为明显，因此国家应采取鼓励引进联合循环先进技术政策和技术设备国产化政策，提高机组利用小时，积极推动联合循环技术的推广应用。

（4）通过优惠的税收政策和环境政策鼓励联合循环技术的普遍应用。

也给出其他一些建议：

（1）能源多极化，同时开发整体煤气化联合循环、天然气联合循环等。

（2）充分利用可再生资源[12]，例如采用沼气发电、高炉煤气发电。

参考文献

[1] 胡宗军，吴铭岚. 燃蒸联合循环将成为能源动力发展的重点[J]. 能源技术. 1997(04): 6-10.

[2] 马金凤，陈海耿，李国军. 整体煤气化联合循环的发展现状及环保优势[J]. 材料与冶金学报. 2004(02): 149-153.

[3] 迟全虎，林汝谋，徐玉杰，等. IGCC联合循环的类型与构成部件[J]. 燃气轮机技术. 2004(03): 14-19.

[4] 姜秀民，孙键，秦裕琨，等. 整体煤气化联合循环技术及其在美国的发展[J]. 电力建设. 1995(11): 52-55.

[5] 王玉蓉，周海澜. 世界联合循环电站发展概况及我国发展道路[J]. 东方电气评论. 1994(03): 176-183.

[6] 徐连兵. 整体煤气化联合循环发电技术的发展现状和前景[J]. 电力勘测设计. 2005(06): 8-11.

[7] 姚尔昶，黄瓯，易晖. 燃气轮机及联合循环的现状和我国的发展前景(下)[J]. 上海汽轮机. 1999(01): 29-35.