天然气能源与天然气联合循环发电

技术经济综述天然气能源与天然气联合循环发电王铭忠(国家电力公司热工研究院,陕西西安710032)[摘要]天然气将成为2I世纪人类的第一能源。天然气联合循环发电是当今世界先进的发电方式。为适应我国经济高速发展的需要,有计划地发展一些天然气联合循环发电机组是必要的。目前我国的天然气价格比较高，若能将天然气价格降至0.80元/m3以下,则天然气联合循环发电的经济性将可与常规燃煤电站相竞争。[关键词]能源;天然气;联合循环;发电[中图分类号]TK11[文献标识码]A [文章编号 ]1000 - 36(2001)0404 - 009 -04天然气是-种高热值清洁燃料。近年来，世界天降低机组运行效率,增加运行成本。天然气联合循环然气的探明储量与产量都在明显增长,天然气的利用发电是解决电站环境污染的重要出路。越来越引起人们的重视。能源专家预测,在近期的世界能源消费结构中,天然气比例将与石油相当,到1.2适当调整我国能源结构势在必行2010年占40% ,2050年将占50%。19世纪前期,人类以煤炭代替柴薪为主要能源，带来了世界资本主义的发展;20世纪中期开始的以石1发展天然气联合循环发 电是社会油代替煤炭为主要能源,带来了世界经济的繁荣。近经济发展的需要年来随着世界天然气探明储量与产量的迅速增长,在21世纪初郎将出现以更清洁的天然气代替石油为主1.1 经济发展带来的环境污染日益严重要能源的又一次能源消费结构的大变革。预计2010我国在经济持续高速发展的同时环境污染日益严年世界能源结构中天然气将达到35% ~ 40%。而成为重,环境污染的最大来源是燃煤排放物。我国是以煤人类第一大能源。能源结构的变化反映着社会经济的为主要一次能源的国家,在能源消费结构中,煤炭占进步,落后的能源结构必然不利于经济的发展。在经75%。我国电力工业是用煤大户,因而也是造成环境济高速发展时期,煤炭的开采速度将难以满足能源需污染的大户,全国形成酸雨的SO2有30%来自燃煤电要的高速增长。调整能源结构,适量增加石油、天然气消费比重,不仅可以弥补煤炭供应缺口,而且可以改善厂。日益严格的环保法规给电力工业发展带来极大压能源质量,将更有利于国家经济的发展。力。常规燃煤电站要增设高性能脱硫等净化装置,不我国当前能源结构的调整为发展天然气联合循环仅造价高(约占电站全部投资的1/4- 1/5),而且还会发电创造了可行条件。[热力发电:200(4) ]❾技术经济综述1.3天然气联合循环发电有利于电网调峰400MW联合循环电厂交钥匙工程单位造价为450~随着经济的发展,电网容量越来越大,昼夜电负荷550美元/kW,比带有烟气脱硫装置的燃煤蒸汽轮机电峰谷差也越来越大,电网调峰任务繁重。燃气轮机与厂 造价1 100~ 1400美元/kW低得多。燃气轮机发电联合循环发电具有起停迅速,调度灵活,机动性好的特机组从设备到达现场至投入商业运行,一般不超过半点,比常规蒸汽轮机更适合作调峰机组。为保证电网年。联合循环电厂建设可以“分阶段施工”,有利于资安全可靠运行,电网应有总容量12%- 15%的备用调金回收与周转。峰机组。仅此一点,燃气轮机及联合循环发电在我国(5)系统简单,自动化程度高，机动性好,起停方就有相当的发展空间。便,运行可靠。设备可用率高达85%~95%,工厂定员仅为常规火电的20% -25%。设备操作性好,机动2天然气联合循环发 电是当今世界性强，是经济有效地进行电网调峰的重要选择。其启先进的发电方式动性能与常规电厂的比较见表2。清洁、高效是衡量发电技术先进与否的2条最重表2几种电厂的启动性能比较nin要标准。天然气联合循环发电集天然气清洁(能源)与启动方式燃气轮机电厂联合循环电厂蒸汽电厂联合循环高效(发电方式)于一身,成为当今世界最受青睐的实用发电技术。目前全世界每年增长的发电容120(冷态)300(冷态)正常14-1690(温态)180(温态)量中,有35% ~ 36%为燃气蒸汽联合循环机组,而美60(热态)90(热态)国达48%。天然气联合循环发电在电力市场中取得紧急9-10 ;如此优势的原因是:(1)高效节能。目前常规火力发电净效率为38% ~ 40% ,我国平均供电效率仅为30%左右。而先进成熟的天然气联合循环发电净效率已达58%以上,3天然气联合循环发电的发展领域是目前实用发电技术中最高的。(2)清洁环保。以天然气为燃料的燃气轮机或联3.1 油气产区合循环发电,对环境污染极小,其与常规燃煤发电的比我国的油气产区大多远离大电网，缺少煤炭和淡较见表1。水资源。为了开发油气资源和发展地方经济,取用当地天然气能源的燃气轮机及联合循环发电,是满足地表1 500 MW电厂的污染物排放比较/年区电力需要最经济有效的途径。发电类型S02 NO,CO2灰选徽粒3.2大城市及负荷中心常规繼煤，发电(A8043 5060 2942375 12500 35000 428经济高速发展使大电网昼夜电负荷峰谷差越来越大。燃气轮机成为目前最佳的调峰机组,能最经济、有发电(B)971 1241 29221效地保障电网安全稳定运行。负荷中心地区的大城市B:A%42附近,往往也是常规火电污染最严重地区,适当增加一定数量的带基本负荷的联合循环机组,将对环境保护(3)节水省地。联合循环发电以燃气轮机为主,燃与经济发展产生良好效应。气轮机运行用水极少，甚至可以无水运行。联合循环电厂耗水量仅为常规电厂的30% - 40%。天然气联3.3 老电厂改造合循环电厂因其系统简单,无常规火电的煤场灰场等,在我国电网中,125 MW以下的中小机组占总容量厂区占地仅为常规火电的30% ~40%,厂房建筑面积的52% ,其技术落后,经济性差,急需改造或取缔。另约为20%。这些对于淡水资源较为贫乏、人多地少的外,20世纪80年代建造的--批200MW、300MW高压、我国是非常重要的。超高压机组,其服役年限也接近或超过20年,技术经(4)建设投资少、工期短。目前,国际市场上200~济指标相应落后,而且多数没有烟气脱硫等净化装置,●[热力发电:2001(4)技术经济综述环境污染严重。在有油气供应条件的地方,利用燃气轮机容量为汽轮机的20% ~ 50%,电站增容较小,而轮机技术,采用联合循环方案对老厂进行改造,是一条热效率相对可提高3%~ 10%。由于改造工程仅需增简单易行且行之有效的选择。设较小容量的燃气轮机,投资较少;同时锅炉仍可保持使用原设计燃料(可以是煤),改造消耗油气燃料较少。4老电厂改造方案天然气锅炉4.1余热利用型联合循环图1是目前最为流行的标准联合循环形式。用燃媒7燃气轮机气轮机及相应的余热锅炉代替原燃煤锅炉,与经适当空气, 燃气改造的原有汽轮机组成联合循环。此方案对原设备改造工作量不太大，而热效率最高;因需增加整套燃气轮團2排气再燃型联合循环机发电机组及余热锅炉设备,故投资较多。采用无补燃余热利用型联合循环，改造后电站容量约为原来的4.3给水加热型联合循环3倍,使热效率提高到50%以上。.图3是用增设的燃气轮机排气给原火电机组给水进行加热的一种简单联合循环方式，优点是仅增设一天然气\余热锅炉台小容量燃气轮机,原系统改造工作量很小，改造停工轮机期也很短,适用于紧急电源的改造。但它使原电站的容量效率提高很少,一般用的不多。|气L燃气圈1余热利用型联合循环汽轮机0-4.2排气再燃型联合循环图2是一种老厂改造中采用比较多的方案，主要空气|_燃气适用于原电厂的锅炉、汽机、发电机等主要设备均有较高使用价值的情况，改造的目的是提高电站技术经济性。改造仅需增设-套燃气轮机发电设备，将燃气轮围3给水加热型联合循环机排气用于给水加热与掺混锅炉送风或直接作为锅炉送风进人炉膛,以利用燃气轮机排气余热。通常燃气以上3种联合循环改造方案的特点比较见表3。裹3 3种联合循环改造方案的特点比较改造方案余热利用型排气再燃型给水加热型(1)增设燃气轮机(1)增故燃(轮机(I)增设燃气轮机(2)增设余热锅炉(2)锅炉风箱改造(2)增设燃气给水加热器主要增设改造项目(3)增设烟囱(3)增设燃气轮机与钢炉排热回收装置(4)增设锅炉脱硝装置(4)增设或改造脱硝装置(4)增设脱硝装置(5)ST/CT出力比约为0.5(5)SI/GT出力比约为2~5效率高中低改造范围大小施工期/月12-24[热力发电:2001(4)] ➊技术经济综述(3)俄罗斯远东地区。5我国天然气资 源状况(4)中亚诸国(土库曼、乌兹别克哈萨克等)。.东南沿海地区除管道天然气外还可引进液化天然发展燃用天然气的联合循环发电的必要前提是要气。能够保证天然气的供给。世界的天然气资源非常丰富。近年来,天然气的6天然气发电的经济性探明储量和产量增长十分迅速。在工业发达国家的一-次能源结构中,大有取代石油而成为第一能源之势。天然气联合循环电厂的建设投资少,系统简单，自我国天然气储量相对较少,根据中国石油天然气动化程度及 人员劳动生产率高，因此其运行经济性主总公司1993年完成的全国油气资源评价报告,我国的要取决于天然气价格。此外还与机组容量大小、运行天然气资源总量为3.8x 103 m2。有关专家预测我国方式、年运行时数、建设资金构成方式、贷款利率等有天然气资源远景储量可达6.0x 10B3 m3，主要分布在四重要关系。川、陕甘宁、新疆、青海、海南等地。另外,近海大陆架我国天然气价格是比较高的。中国国际工程咨询也探明不少天然气资源。我国天然气资源状况见表公司、中国电力科学研究院等单位联合编制的《电力工4。业利用天然气发电的设想》报告中,对于4x 320 MW联合循环电厂,取管道天然气价格为1. 16元/m ,计算表4我国的天然气资源分布平均上网电价为0.446元/(kW.h)。国家电力公司热产地资源量/1.0x 102 m2工研究院为兰州西固热电厂2x247 MW联合循环机组所作方案的计算结果是:当天然气价格为0.85塔里木8.4元/m2时,平均上网电价为0.339元/(kW.h)。因为2川榆7.2个设计方案的建设投资、天然气价格、机组运行方式、陆上中西部陕甘宁4.2人员工资水平、贷款方式利率等均不相同,故上网电价柴达木1.1也有较大差别。但是,计算表明,当机组运行时间在其它1.55000h以上,天然气价格在0.85元/m以下时,天然东部7.5气联合循环发电上网电价可与常规燃煤电站相当。海上8.1总计38.07结论近年来我国天然气探明储量与产量都不断增加。(1)世界天然气探明储量与产量均呈上升趋势。1994年我国天然气探明储量为1.7x102m2,到199未来几年在世界能源消费结构中 ,天然气将可能上升年达2.25x 1012 m'。我国的天燃气产量1996年为至第1位。发展天然气联合循环发电符合当今世界能2.01x1010 m?,2000年达2.96x10*0-3.67x 1010 m2,源发展主流。到2010年预计产量达7.0x 100~8.0x 1010 mr,而(2)天然气联合循环发电有热效率高,利于环境保2010年天然气消费量将达1.1x10"-1.3x 1o0" m'。护,调峰运行方便，用水、占地少等突出优点。有计划由此可见，我国的天然气产量远不能满足国内需要,必地发展一些天然气联合循环发电产业是必要的。须引进国外天然气资源。(3)目前我国的天然气价格还比较高(一般>1.0从国外引进天然气有2种形式:管道天然气与液元/m),因此发电成本也比较高。若能将天然气价格化天然气。降至0.80元/m3以下,则天然气联合循环发电的经济我国发展管道天然气贸易,从近邻俄罗斯引进最性将可与常规燃煤电站相竞争。为有利。可以在以下几个地区进行:(4)进-一步落实我国天然气作为一次能源的长远(1)俄罗斯西西伯利亚。供应潜力,以制定合理的、长远的天然气联合循环发电(2)俄罗斯东西伯利亚。规划。❷C热力发电:2001(4) ]