天然气发电的原理

天然气发电技术研究

一、发电技术概况

天然气发电的流程和使用的设备与燃煤电厂不同,燃煤电厂生产流程是:

天然气发电生产流程为:

燃气轮机排气温度可高达430℃以上, 通过废热锅炉产生的蒸汽既进一步用来发电, 也可用来供热, 提高了热效率。世界上利用天然气发电普遍采用燃气—蒸汽联合电厂(CCGT ) 电厂的形式。天然气发电热效率较高, 燃煤电厂的热效率仅为35%～ 38% , 而燃气—蒸汽联合循环电厂的热效率则高达50%～ 60%。现有火电厂可改用天然气做燃料。燃煤电厂改造为燃气电厂, 在环保、节省人力、运输及工业用水费用等方面均有显著效益。

天然气联合循环发电及其热经济性

天然气联合循环发电机组自二十世纪90年代开始在我国逐步应用与推广，现已积累了一定的建设和使用经验。由于天然气联合循环电厂的一些独特优势，从环境保护、提高能源效率出发，发展天然气联合循环机组是合理的。

与燃煤电厂相比，天然气联合循环电厂具有投资少、对环境污染

小、整体循环效率高、调峰性能好、占地少、建设周期短、厂用电率低、耗水少、可用率高等优点。缺点是对燃料要求较高，上网电价偏高。当今，在世界范围内，燃气轮机及其联合循环发电的市场份额在40%~60%。

1.1 天然气联合循环的基本理论

自二十世纪50年代开始，国外的蒸汽轮机技术是与燃气轮机发电技术同步发展的。随着各自热力参数的提高，蒸汽轮机和燃气轮机的单机容量和供电效率都已获得了巨大的发展。表2-1中给出了我国蒸汽轮机发电机组的技术参数。从中可以看出，随着主蒸汽参数的提高，其供电效率和供电煤耗的改善情况。

表2-2中则给出了国外某些燃气轮机发电机组的技术参数。从中可以看出：目前，燃气轮机发电机组的单机容量已经达到200MW以上，其供电效率也已提高到35%~41.57%，它不仅能作为调峰机组使用，而且也能承担基本负荷。

从表2-1和表2-2中可以发现：目前，蒸汽轮机和燃气轮机发电机组的供电效率都已达到40%左右的水平。为了进一步提高发电机组的效率，可以发展超临界参数（30MPa/600℃/600℃以上）的蒸汽轮机技术，但这对效率的显著提高作用也是有限的。而将蒸汽轮机循环与燃气轮机循环彼此结合起来，就可以创造出效率更高的发电设备。

这种可能性确实是存在的。从热力学基本定律可知，热力循环的理想热效率只取决于循环的吸热平均温度T1和放热平均温度T2，提高T1和降低T2都可以提高循环的热效率。理想热机的循环热效率可表达为

燃气轮机是一种应用广泛的动力机械，其吸热平均温度T1较高。近年来随着材料和冷却技术的发展，燃气轮机初温（进口温度）t3在不断提高，大约每年增加10℃~20℃，发电用大型地面

燃气轮机初温已达1280℃，这种简单燃气轮机装置热效率约为33%~40%。目前采用现代科学技术的气冷叶片可使燃气轮机初温提高到1370℃~1500℃，使燃气轮机循环热效率得到进一步提高大于40%。但是，燃气轮机的排气温度t4约有450℃~600℃，大量的热能随着燃气排入大气，又由于初温受到材料耐温的限制而使简单燃气轮机循环的热效率不可能达到很高的数值。而对于纯蒸汽动力循环来说，由于材料耐温耐压程度的限制，汽轮机进汽温度不可能很高，目前，一般为540℃~560℃。但是，纯蒸汽动力循环具有一个明显的优点，即其循环放热平均温度T2很低，一般为30℃~38℃。近几十年来，蒸汽动力循环采取了回热再热等措施，使其循环热效率有了较大幅度的提高，但目前，其装置热效率一般也不超过41%。可见由于吸热平均温度T1不高，故要期待纯蒸汽动力循环装置的热效率有大幅度提高是不可能的。

怎样才能进一步提高循环热效率呢？我们利用简单燃气轮机循环吸热平均温度高和纯蒸汽轮机循环平均温度低的特点，各取所长，把这两种循环联合起来组成天然气联合循环，此循环具有较高的吸热平均温度和较低的放热平均温度，根据热力学原理，其循环热效率就会很高，这就是天然气联合循环。

燃气-蒸气联合循环型式很多，有无补燃型联合循环、有补燃型联合循环和增压锅炉型联合循环等。图2-1所示为最基本联合循环形式。其基本过程是燃气轮机排气送入余热锅炉用以产生水蒸汽，水蒸汽引入汽轮机中做功，汽轮机排汽再进入凝汽器中放

热。这样即增回了总输出功率，又利用了燃气轮机和蒸汽轮机各

自的优点，使整个循环的热效率得以提高。图2-2中给出了三种

典型联合循环方

案的温熵图。

显然，联合循环的实质就是把燃气轮机的“布雷顿循环”与蒸汽

轮机的“朗肯循环”叠置在一起，组合成为一个总的循环系统而已。图2-2中的1-2-3-4-1表示燃气轮机的实际循环过程；6-7-8-9-10-6表示蒸汽轮机的实际循环过程。在无补燃的余热锅炉型方案中，由燃气轮机排气的冷却过程4-5释放出来的热能，被用来把蒸汽循环中的给水，从工况点6起始加热升温，经历过程6-11-7-8-9，变为具有一定压力的过热蒸汽。在该方案中蒸汽的初温T9必然受到燃气轮机温度T4的限制，即T9T4，因而蒸汽的初温T9可以高于T4（即蒸汽初温不受燃气轮机排气温T4的限制），而蒸汽量可以大幅度地增加。显然，那时蒸汽轮机发出的功率可以剧增，它能比燃气轮机的功率高2~6倍左右。在增压锅炉型方案中，燃气轮机的燃烧室是与蒸汽循环中的增压锅炉合二为一的，因而由压气机送来的温度为T2的空气，着先在增压锅炉中被加热到T13，进而经放热过程13-3释放出来的热能被用来加热给水，使其经历过程11-7-8-9变成过热蒸汽，供蒸汽轮机使用。至于增压锅炉中的燃气在温度降低到T3后，将被送到燃气轮机中去膨胀作功。当然，燃气透平的排气在T4温度下被用来加热给水，使其沿过程线6-11升温。这就是燃气蒸汽联合循环热力过程的大致情况。

自二十世纪50年代初开始实现上述燃气蒸汽联合循环方案以来，