发展燃气轮机优化火电结构

中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会 董卫国

摘 要：本文从我国电力工业的现状和优化火电结构的必要性出发，介绍了国际上燃气轮机技术的现有水平和发展趋势，分析并展望了燃气轮机及其联合循环发电技术在我国电力工业发展中的作用及广阔前景。
关键词：燃气轮机 火力发电 联合循环

引 言

    自从1939年世界上第一台大功率发电用燃气轮机由瑞士BBC公司研制成功，世界各国都大力研究和发展燃气轮机发电技术。近十几年来世界燃气轮机进入了一个新的发展时期燃气轮机技术进步主要表现在单机容量增大、热效率提高与污染排放降低。目前燃气轮机功率已经超过300MW，简单循环热效率超过39％，联合循环热效率超过58％。干式低NOx燃烧技术已使燃用天然气和蒸馏油时的NOx排放量低于25ppm和42ppm。大大提高了燃气轮机在能源与电力领域中的地位与作用。

1．中国电力工业现状

    改革开放的20年是中国电力工业大发展的时期，到1999年底全国发电装机容量达到2.987亿千瓦，年发电量达到12331.4l亿千瓦时，仅次于美国，成为世界上第二大电力生产国家。根据预测，到2005、2010、2015年全国发电装机容量将分别达到3．65、 4．5和5．5亿千瓦。中国是世界上少数几个能源消费以煤为主的国家，中国以煤为主的能源消费格局在比较长的一段时间内不会改变。1999年底全国装机容量中火电占74．79％，发电量中火电占81．48%。预测到2050年中国装机容量将达到16亿千瓦，火电机组将仍占总装机容量的60％以上。但是，为了实现我国电力工业的可持续发展，减少对环境的影响，必须不断增加清洁能源的比重。
电力工业高速度的发展，基本满足了经济发展对电力的需求，扭转了长期严重缺电的局面。然而，我国的用电水平还很低，我国电力工业的素质与国际水平相比也还有很大差距电力结构性矛盾非常突出。
1．大机组的比重过小。1998年全国6000千瓦及以上的汽轮发电机组共3413台，总容量为1．865亿千瓦，平均机组容量仅为5．4万千瓦。10万千瓦及以下的机组共有287l台，占火电机组容量的32．5％。
2．火电厂的供电煤耗高。1999年为399g／kwh，约比世界先进水平差60—70g/kwh。
3．火电机组的品种比较单一。火电机组中除了大约5％的燃气轮机和柴油机发电机组Al，其余都是常规的燃煤火电机组，机组的调峰性能比较差，给电网的调峰造成很大的困难。
4．燃煤火电厂污染物的排放特别是S0₂和NOx未能得到有效控控制。因此，火电厂对环境的影响很大。

      随着电力供需矛盾的缓和及环境保护越来越大的压力，1997年国家电力公司明确提出“优化火电结构”的方针，下决心调整电力结构。核心是关停小火电机组，以高效大机组代替中、低压小机组，体现电力工业技术进步，提高电力工业的整体素质。

    优化火电结构的主要技术措施包括：

1. 关停小火电机组；
   

2. 改造老机组，提高机组效率、减少污染物的排放、提高机组的可靠性及机组的使用寿命；
   

3. 加快发展高效、低污染的大型火电机组：
   

4. 加快开发洁净煤发电技术的步伐：
   

5. 鼓励发展热电联产机组；
   

6. 重视燃气轮机发电在今后火电发展中的地位。
   
   

2．燃气轮机技术的发展

      从80年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，特别是燃气-蒸汽联合循环渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，及为了减轻对环境的影响，燃气轮机得到了非常迅速的发展，燃气轮机及其联合循环在世界电力工业中的地位也发生了明显的变化。它们不仅可以用作紧急备用电源和尖蜂负荷机组，而且还能作为基本负荷和中间负荷机组运行。由于燃机联合循环装置效率高；机动性好，能满足日益严格的环保要求，目前全世界每年新增的装机容量中，有l／3以上系采用燃气-蒸汽联合循环机组，而美国则接近l／2。据不完全统计，全世界现有烧油和烧天然气的燃气轮机及其联合循环的装机总容量己超过4亿kw。从1987年开始美国发电用燃气轮机年生产总功率数已经超过了发电用蒸汽轮机的年生产总功率数。应该说这是世界发电设备制造业发展过程中出现的一次重大的历史性转折，预示着今后燃气轮机及其联合循环的广阔发展前景。1998年6月至1999年5月世界燃气轮机市场订货情况为：机组台数为875台，总功率64254MW。比1997—1998年度增加了121台，忌功率翻了一番。大型燃气轮机订货数量急剧增加，中、小型燃气轮机订货数量呈下降趋势，1—2MW的微型燃气轮机订货数量大幅上升。为了把燃气轮机及其联合循环的性能提高到一个新的水平，国际上有一系列研究开发计划。美国能源部从1992年开始实施一项名为“先进燃气轮机系统”(ATS)的研究与发展计划。主要目标是：

• 发电用燃气轮机净效率提高15％；
  

• 燃气一蒸汽联合循环净效率提高到60％以上；
  

• 联合循环发电成本下降10％，使更具竞争性；
  

• NOx排放量下降10％，达到9ppm以下，突出燃气轮机的环保优势。该项成果将于2002年进入商业化应用，以适应21世纪电力工业发展的需要。
  

      美国GE公司是燃气轮机和联合循环制造业的先驱。几年前已经推出了燃气初温t3=1288℃的FA型燃气轮机及其联合循环机组。配合ATS计划的执行，又开发研制了G型和H型两种新型燃气轮机，提高压气机的压缩比、提高燃气温度到1430℃、采用封闭式蒸汽冷却技术和干式低NOx燃烧室，最终提高了单机功率和效率，机组结构更加紧凑，减小比投资费用。

       美国西屋公司拟在50lF燃气轮机的基础上进一步开发501G和M70lG型机组。也通过提高压气机压比；采用蒸汽冷却方案，使透平第一级导叶的入口温度提高到1500℃，导叶出口温度为1427℃等措施，使机组性能得到进一步提高。
        ABB公司开发了采用再热式循环的GT24和GT26型燃气轮机及其联合循环。采用前后串联的两级燃烧室，出口燃气温度均取为1235℃。两个燃烧室都是干式低NOx的环形燃烧室结构。由于压力机的前三级进口导叶均可以调节，加上再热循环的特点，可以使GT24和GT26具有非常良好的变工况性能，大大地提高低负荷工况下机组的效率。
      德国Siemens公司推出了3A系列的燃气轮机及其联合循环。机组的燃气初温和压缩比等参数与GE公司的的FA系列机组十分接近，但由于注意改善压气机和透平的部件效率，使其简单循环与联合循环的效率非常接近G级机组的水平。
      下面两个表中列出了世界上几家主要燃气轮机制造商目前能提供的功率最大的燃气轮机机组及其相应的联合循环装置。

表1  几种主要的大功率燃气轮机

表2   几种主要的大容量联合循环发电装置

3．燃气轮机在我国电力工业中的作用

3．1 我国燃气轮机发电现状
    虽然我国燃气轮机发电始于50年代末期， 但由于燃料政策的原因在很长时间内发展缓慢。自80年代以来，随着我国国民经济的迅速发展，燃气轮机电站得到了较大规模的应用。目前，我国燃机发电的总装机容量为720万千瓦，占全国总装机容量的2.4％。主要分布在东南沿海地区和内陆边远地区，为我国油田开发和沿海经济特区的发展作出了很大贡献。
3．2 燃气轮机及其联合循环的主要优势和在我国电力工业中的作用
3．2．1 燃气轮机联合循环的供电效率远远高于常规燃煤蒸汽轮机电站。现有联合循环的效率已经超过58％，很快就会超过60%。

3．2．2 建设费用低。在国外，交钥匙工程的比投资费用约为500—600美元／kw，比带PGD的燃煤电站(1100—1400美元／kw)低很多。
3．2．3 建设周期短，可以按“分阶段” 建设方式建厂，资金利用最有效。
3．2．4 用地用水都比较少。我国西北地区水资源短缺，燃气轮机最适宜缺水地区的应用。西部还有些地震频发地区，交通不便地区，燃气轮机以其轻、小，易于启动，也是很合适的发电设备。再加上西部地区的油气资源，燃气轮机在西部开发中将大有作为。
3．2．5 启、停快，运行灵活性好，适宜两班制运行。提高燃气轮机在总装机容量中的比重，将会改善电网的运行状况，为电网提供了更加灵活的备用电源，增大了调峰的灵活性。
3．2．6 运行可靠性高，可用率高达85％—95％，易于快速“黑起动”，有助于改善电网的安全性。欧美国家的经验表明，从安全和调蜂的目的出发，在电网中配置功率份额为8％-12％的燃气轮机发电机组是合适的。
3．2．7 环境性能好。采用天然气或液体燃料时，一般来说污染物排放很少。在燃烧天然气时，还可以大大地减少C0₂的排放量。如果以燃料燃烧释放的单位能量比较，并以燃油排放的C0₂量为l，则煤和天然气燃烧排放的C0₂大致为1．22和0．67。
3．2．8 燃气轮机的快速发展也为清洁煤发电技术的发展提供了基础。无论是PFM—CC还是IGCC，都是因为有了大容量和高效率的燃气轮机联合循环，才能在清洁利用煤炭资源的同时获得高的发电效率，才能真正具有商业应用的价值。PFBC—CC是正压锅炉型联合循环，但可采用亚临界或超临界蒸汽参数，在燃机进口温度较低时也能得到比较高的效率，第一代PFBC—CC净效率约为42％。第二代PFBC—CC利用煤的部分气化产生的煤气在燃烧室中补燃，提高燃机初温，净效率可达(45—48)％，甚至50%。IGCC采用余热锅炉型联合循环，具有更高的热效率及发展潜力。在目前技术水平下，IGCC发电的诤效率可达43％—45％，今后可能达到52％或更高，而污染物排放量仅为目前发达国家先进环保标准的若干分之一。既有发电的高效率，又有极好的环保性能，因而成为世界瞩目的极有发展前途的一种洁净煤发电技术。
3．2．9 我国还有很多老的燃煤蒸汽电站，都面临着降低污染、提高效率的改造任务。自80年代中期开始，国外就已着手研究用燃气轮机来改造燃煤老电站的工作，并在工业实践中取得了成果。用燃气轮机改造现有燃煤蒸汽电站一般可采用：①改造成为“常规的、不补燃”的燃气一蒸汽联合循环；②改造成为“排气助燃锅炉型”的燃气一蒸汽联合循环；②改造成为“并列动力布置型”的燃气一蒸汽联合循环；④改造成为“给水加热型”的燃气一蒸汽联合循环。它们都可以使旧电站的功率、效率和污染排放水平获得一定程度的改善。
3．2．10 从80年代未开始，世界电力工业已经开始向传统电力工业的模式告别，向着依靠大型和小型发电站广泛结合过渡的“分散”电力系统。可以极大地改善效率和减轻当今电力行业对环境的影响。燃气轮机发电技术打破了传统的大机组、大电厂、大电网的旧模式，使得小型化、分散化发电成为可能。
3．2．11 燃气轮机及其联合循环的应用有助于降低火电的能源构成中的煤炭比重，尽可能多利用西部天然气发展高效低污染的燃气—蒸汽联合循环发电机组，在现今有利的国际环境下，沿海地区还可适当使用进口燃料作为补充，实现能源来源多样化。

4． 结论

    燃气轮机及其联合循环是一种先进的发电技术，在电力生产行业中的地位日益提高，开发大容量的高效率的燃气轮机及其联合循环是一个必然的趋势，它既能节省世界上日趋紧张的能源资源，又能保护环境。燃气轮机及其联合循环的发电机组必将成为世界电力工业中的一个重要组成部分，并随着能源结构的变化和清洁煤利用技术的发展，它的作用也将日益重要。
我国目前燃气轮机及联合循环的装机容量仅占总装机容量的2．4％，且机组容量偏小，在数量和性能水平上与发达国家相比都有很大差距。随着我国经济的发展和电力工业改革的深入，进一步优化火电结构，优化火电能源结构，保护环境的要求将更为突出。在2l世纪，燃用天然气和燃煤的燃气轮机联合循环发电机组将会在我国得到越来越广泛的应用。

参考文献
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[2] 江哲生，贯彻优化火电结构的方针促进电力可持续发展，全国火力发电技术学术年会论文集，1999年5月
[3] 危师让、董卫国，关于下世纪我国火力发电、燃气轮机和联合循环发展的初步分析，燃气轮机发电技术，l999年第1期