燃气轮机与热电联产

燃气轮机与热电联产

【摘要】燃气轮机是一种环境代价低、能源利用效率高、运行灵活、技术可靠、组合多样化的能量转换装置，已为全世界广泛采用。在电力行业，它不仅被用于基本负荷与调峰发电，更多地被用作为热电联产，并取得了极为理想的环境、社会和经济效益。使用燃气轮机热电联产工艺受到世界各国政府的普遍鼓励与扶持，并通过制定相应的法律、法规予以保护。我国政府面向21世纪，在可持续发展战略指导下，为有力配合西部大开发，正式颁布对发展燃气轮机热电联产的扶持政策--《关于发展热电联产的规定》，对于我国的环境保护、提高资源综合利用效率、加快城镇现代化进程、改善人民生活品质将具有十分深远的意义。

如何确定燃气轮机热电联产的技术指标，将直接影响到这一技术能否健康推广。订立技术指标的基点应该是国家、社会的长期利益，并结合我国的实际情况，同时参考各国及地区政府已经实旋的法律、法规和技术标准。

燃气轮机热电联产的工艺方式

燃气轮机热电联产一般主要有四种工艺方式：

1．燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电联产：这是世界各国最为明令鼓励的工艺方式。

此种工艺首先由燃气轮机对燃料进行首次能源利用，燃烧燃料产生热膨胀功推动动力透平涡轮叶片来驱动发电机发电。其高温乏气通过余热锅炉将烟气转换中温中压以上参数蒸汽，再推动蒸汽轮机作功发电，并将功后乏汽用于供热。这种工艺发电比率高，有效能量转换率高，及烟的转换率高，因此经济效益也较好。后置蒸汽轮机可以是抽汽凝汽式，也可以是背压式，但背压式汽轮机受制约比较大，不利于电网、热网和天然气管网的调节，除非是企业自备的热电厂，用汽、用电稳定，一般在世界上极少采用。燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电厂往往采用两套以上的燃气轮机和余热锅炉拖带1-2台抽汽凝气式汽轮机，或使用余热锅炉补燃，以及双燃料系统提高对电网、热网和天然气管网的调节能力及供能可靠性。2．燃气轮机-仑热锅炉直供热电联产：它与前一工艺方式的区别为只有燃气轮机和余热锅炉，省略了蒸汽轮机，因此，也有将其称为“前置循环”。由于余热锅炉不需要生产能够推动蒸汽轮机的高品位蒸汽，因而工艺系统投资较低。为提高供能可靠性和热、电、天然气的调节能力，国际上往往采用两套以上机组同时加补燃工艺，以及蒸汽回注等技术，所采用的机组一般也比较小。与前一方式比较，燃气轮机更像一个燃烧器。由于燃气轮机实现了对天然气的预热，使之燃烧更充分，其效率大大高于燃气锅炉。其热效率比前一方式高，但发电比率低导致烟的利用率明显降低，因此经济效益也不及前者。

3．煤气-燃气轮机一蒸汽轮机整体化联合循环热电联产(ICCC)：它将原煤在煤气发生装置中转换为高温煤气烟气，并在煤气烟气降温时转换一部分蒸汽，将净化、脱硫的煤气供给燃气轮机发电，再将燃气轮机烟气通过余热锅炉转换高品位蒸汽与煤气发生器的蒸气共同推动蒸汽轮机发电、供热。4．燃气轮机辅助循环热电联产：将较小的燃气轮机加入到传统的燃煤或燃油后置循环热电联产系统中，将燃气轮机的动力用于驱动给水泵或发电，将高温烟气注人余热锅炉用于改善燃烧，提高锅炉效率，稳定低功况条件下的系统运行状况。

热效率与热电比

无论采用上述哪一种工艺方式，应由建设单位根据燃料资源配置情况，热力、电力市场的实际需求，及环境排放的容量空间等因素来决定。总体而言，发展燃气轮机热电联产应该坚持适度规模的原则，以环境、社会：经济效益定规模，以强调提高资源综合利用效率，特别是提高烟的转换率和降低环境代价为核心来确立有关指标。尤其是那些肩负环境污染治理、具有社会公益性质和燃气调节任务的区域性燃气轮机热电厂，应该积极采用对气、热、电均有较好调节能力，经济效益较佳的第1种工艺方式。由于烟的转换、利用率难以确定计算标准，所以将第1种工艺方式的热效率和热电比指标作为政策底线标准应是合理的。

根据对南京汽轮电机厂引进GE公司技术生产的容量39MW等级的MS6561B燃机(联合循环容量56MW，编号STAGl06B)和GE公司生产的容量123Mw等级的阳9171E燃机(联合循环容量170MW，编号STAGl09E)，及Sob公司1MW-12MW燃气轮机联合循环热电联产机组的研究分析，参考原国家四委部计交能[1998]220号文件对燃煤热电联产机组的有关技术指标，结合国内配套设备生产企业产品的技术现状。确定燃气轮机热电联产年平均热效率55％，年平均热电比30％。

1．220号文件将燃煤热电厂的年平均综合热电效率确定在45％，这对于超大型超超临界燃煤火电机组或煤气-喘气一蒸汽整体化联合循环发电机组是一个极限效率值，如果后置循环凝气运行的机组全年平均效率要超过45％，造价将大幅度攀开，经济上将无可行性而言。所以，对于那些容量较小的中温中压后置循环供热机组，如果不大量供热，45％的效率是根本不可能达到的。从节能角度出发，如果燃煤凝气机组能够达到45％的热效率即使不供热，也应该鼓励其多发电。

对于燃气轮机使用三压再热联合循环系统的发电机组，年平均效率55％也是目前的一个极限值。虽然新研制的一些机组效率可达到58％-60％，但这是在ISO功况条件下的一个瞬间值，即：15℃，海平面，空气湿度60％。在中国绝大多数城市达不到这一条件，加之启动、调峰运行的出力变化，实际效率将明显降低。如：S109B的理论效率可达52％，而深圳南山电厂S109E的实际效率仅42％。对于采用单压或双压余热锅炉和抽凝汽轮机的联合循环热电机组，不大量供热也是不可能实现的。

2．TAGl06B热电综合效率要达到55％，需抽汽20吨，热电比对应为30％，相当余热锅炉换热量的27％，蒸汽量的30％(见本文附表之1)；STAG109E热电比达到30％时，热效率要达到57％，需抽汽吨，相当余热锅炉换热量的28％，蒸汽量的35％(见本文附表之2)。世界大多国家对热电联产只有鼓励政策，多没有制定考核标准，少数国家和地区虽然制定了标难，但条件非常宽松。我们建议的总热效率55％，热电比30％，远远高于美国政府对其国内热电厂规定的热电比15％时，总效率达到45％的考核水平。也高于我国台湾实行的总热效率事50％和热电产出比多20％的考核标准，在全世界应属于最高一级标准。建议制定如此高的技术考核标准，并不是我国大陆地区的技术和管理水平比其他国家和地区更高，而是为现实利益格局所制约，不得已而为之，已经充分考虑了在电力市场相对饱和的现状因素。但是，我们又不能违背全世界在努力提高能源利用效率时，特别鼓励提高烟值的转换效率，即多发电的趋势，这也是节能的本质。

3．在制定计算方案时，我们采用杭州汽轮机厂引进德国西门子技术生产的68bM次高压抽凝汽轮机为标准，锅炉采用美国德尔塔公司将在中国合资生产的70bar次高压补燃余热锅炉为标准。大多数生产中温中压设备的国内配套厂家要达到这一标准还需要更多的努力，或者通过提高热电比来达到热效率要求。标准应该比照先进技术制定，这样才有利于整体行业的技术进步。这也强迫热电企业必须采用先进技术，否则将难以达到考核标难，即使通过提高热电比达标，经济上也难以实现平衡。

4．对于采用前置循环方式的燃气一蒸汽联合循环热电厂，虽然轻而易举可达上述热电比和热效率标准，但要在经济上要实现收益平衡，必须大幅度提高热效率，成倍增加供热量(见本文附表之1、2、3)。以每度电0．45元／Kwh，热价34元／GJ为条件比照分析，电价与热价的差值和供电热值与供热热值的平均差均是3．7倍。前置循环机组的供热效率要达到48％时，收益才能达到联合循环系统中蒸汽轮机13％凝汽发电效率时的水平。即：前置循环热电联产效率达80％时，才能达到燃气轮机联合循环凝气发电机组45％时的收益水平，而这一收益比联合循环热电联产效率在55％时的热电综合收益低7％。

5．对于采用煤气一燃气一蒸汽整体化联合循环热电厂，因为有两组蒸汽发生装置，发电、