燃气联合循环的新发展
摘 要 从国内外能源结构的调整变化就我国和世界上采用燃气联合循环发电的情况以及能电共生新趋势作了一些介绍和看法，以供规划建设联合循环发电决策参考。
关键词 联合循环；新发展；能电共生
1概述
联合循环指平均高温吸热的布朗顿循环和平均低温放热的朗肯循环相结合，用燃气轮机和蒸汽轮机联合实现之。目前燃气轮机初温已达1500℃左右。全球能源发展的大趋势，即“煤炭——石油——天然气——清洁煤气——生能源”。
近年来许多发达国家在新增容量的能源规划中，燃气蒸汽联合循环(CCGT)发电已占了相当大的比例。我国也很在必要且也有条件发展这一事业。联合循环发电厂能适应多种燃料，如管道天然气、液化天然气、煤气化气、石油(含原油)等。我国天然气资源比较丰富，远景资源量达38亿m3，仅排在美国和俄罗斯之后，居世界第三位；而煤层气储量与天然气储量相当，排世界第一。我国石油产量也较多，远景储量920亿t，已探明可采储量190.68亿t，近期拟加大投入在内地及海上进行油和气的勘探。同时据有关报导还计划从俄罗斯和土库曼斯坦进口天然气，这对我国能源结构调整和优化配置将创造有利条件。
目前我国在国际市场引进燃机设备的同时引进技术，用市场换技术，依靠科技进步，加大电力发展战略技术储备。
2燃气联合循环发电的优点
2.1热效率高
能源资源的占有和利用标志着一个国家的经济实力和发展势头，而把一次能源转化为电能的转化率的高低视为一个国家的发达程度。所谓节约能源有两方面的含义：一是高能源利用率，降低单位产品的能耗，称直接节能，在能量转换过程中，采用高效设备和工艺方案同样应是重要的直接节能；二是调整产业结构减少原材料消耗和提高产品的质量称为间接节能。
就一次能源转换为电能的过程而言，联合循环发电的热效率最高，还可节约大量用水。美国策划到2002年，把燃烧天然气的单循环燃气轮机的发电净效率，提高到45%～47%，使联合循环机组效率达到60%～62%。实际上现在德国Simmsen公司声称已达到了60%。其余即将生产的机组单循环的净效率为39%～40%，联合循环的供电效率60%。
目前已运行的燃煤电厂中的亚临界参数电厂供电效率为38%左右，超临界为40%左右，即使正在研究开发的超超临界参数机组的供电效率也只在41%～45%的范围内。
就自用电讲，一般发达国家天然气在能源结构中的比重为20%～30%，我国仅为2%，用于发电的比重也基本相当。目前世界已投运的燃气蒸汽联合循环发电厂的厂用电率约在3%，这也是能源转换效率高的表现。
按我国电力工业规划目标到2010年发电量要达25 000亿kW·h，每kW·h的标煤耗全国平均按350g计，如果热效率提高1%则年节约标准煤可达1 500万t以上。据“能源管理”杂志介绍，我国的发电效率比某些发达国家要低6%～7%，照此计算，每年将比他们多耗1亿t左右的标准煤。又如100万千瓦的煤发电厂和联合循环电厂相比，年耗标准煤相差50万吨左右。
我国已决定在山东建设一台容量为300MW或4000MW的IGCC(整体煤气化燃气蒸汽联合循环)示范电站，该项目建议书已上报国家计委，四川省也有方案酝酿。
目前IGCC发电净效率可达40%～50%，以后可望提高到50%以上，脱硫效率可达98%以上，NOX污染物仅为20～30PPM，是很有发展前途的发电装置之一。
2.2造价低
燃汽蒸汽联合循环电厂，从工艺系统角度比燃煤电厂减少了燃料输送和灰渣系统两大部分，同时循环水系统也有一定减少，与之相匹配的其它方面均有适当降低，从而使电厂总造价必然降低，估算至少比燃煤电厂降低10%以上。费用的构成也与燃煤电厂的投资费用构成不同。见表。
可以看出，大机组的燃煤电厂，单位造价均在6 000元/kW以上，机组越小单位造价越高；而燃气蒸汽联合循环电厂的单位造价都在5 000元/kW以下，且未考虑建设工期短带来的有效利用资金问题。
2.3污染小
众所周知，联合循环电厂无粉尘排放，而所排出的废气中SOX、NOX以及CO2的含量远比燃煤电厂少，这是因为它用的燃料都是经过脱硫处理的，同时由于采用了低氮燃烧器等新技术或其它的有效措施，致使NOX排放大大减少。目前世界上所有燃机制造商均称其产品排出的NOX量小于25PPM，美国在2000年时就把发电用的燃气蒸汽联合循环机组的废气排放中NOX减少到5PPM。
在燃煤电厂采用脱硫措施除了费用要增加总投资的20%外，后处理事情很麻烦，运行成本也很高。至于NOX，目前根本无法控制，任其排放，如要提上议事日程，更是一大难题。一些发达国家还提出要控制CO2的排放。表4列举了两种类型电厂和几种燃料燃烧的废气排放情况。
联合循环电厂可采用多种燃料，如管道天然气、液化天然气、煤层气、石油等。它所带来的环境效益显而易见。燃煤电厂的粉尘污染、石灰石脱硫，尤其是悬浮在空气中的可吸入颗粒物(DM1O)均令人头疼。煤电厂排放的SO2和NOX是“酸雨形成的主要原因，全国SO2排放量的30%是燃煤电厂产生的，而CO2虽然我国环保方面还尚未提到议事日程，但它加剧了地球的“温室效应”。发达国家已给予了足够重视。
在我国一些地区的“酸雨”问题相当突出，国家环保局划定全国有14个省市自治区的132个大中城市为两控区，四川省就有13个大中城市为“酸雨”控制区，酸雨面积迅速在扩大，发生频率亦呈上升趋势。因此如不改变以煤炭消费为主的能源消费结构，这些地区的环境质量将会进一步恶化，其余地区也会逐渐加重。电力部门是污染物排放大户，环保任务十分艰巨。而采用燃气蒸汽联合循环发电，是减轻电力部门环保压力，改善环境质量的重要措施之一。
2.4占地少
新的国土法即将颁布，要求做好土地利用的总体规划，用地按计划只能在规划范围内，同时凡批准使用的土地实行占用耕地与开发、复垦耕地挂钩，“占多少，垦多少”，开发复垦不少于所占面积且符合质量标准的耕地，所需资金作为建设用地成本列入建设项目总投资。
联合循环发电工程，由于减少了一些工艺环节，占地大为减少，约只有同容量燃煤电厂占地的30%，还尚未考虑因运行管理人员的减少所带来生活区用地的差别。
2.5运行调整灵活
燃机体积小，重量轻，系统简单，自动化程度高，操作灵活。它起特别快，一般在12～15min内达到起动正常至满负荷运行，热起动不超过1h，冷起动也只需约170min，且省了很多麻烦。一般燃煤蒸汽发电机组全套起动都在12～15h，所以燃气轮机组有利于在电力系统中调峰运行。从技术上讲其出力调节范围可以在0～100%内调节运行，这当然还要看在整个电网中最佳变动状态，使综合调度最优。考虑到管道天然气的特性，最好使燃机担任系统中级调峰任务。
3联合循环的新发展
3.1我国燃气联合循环应用概况
我国在60年代就从国外引进燃气轮机发电机组，但机组容量很小，随着改革开放和国民经济的高速发展，又引进了一批燃油燃气轮机。同时南京汽轮电机厂先后与英国JB公司和美国GE公司合作生产，使我国燃气轮机技术发展进入新阶段。
我国航天工业部也积极开发航机改为地面发电机组。目前，中国航空工业燃机动力(集团)公司已研制生产了6个系列10多种机型号的燃气轮机，其与美国联合技术公司联合研制生产的FT8型机已在深圳、海南和四川省建设投运，取得良好效果。
据实地调查统计，目前我国内地有燃气轮机电厂80余座，机组140台(套)，主要分布在广东、海南、深圳、上海、江苏、浙江、福建、武汉、重庆、成都、合肥等地，其余还在大庆、胜利、中原和新疆地区油田和石化工厂的自备电厂。
在全国燃机装置中，联合循环装置容量达5 500MW，占燃机总装置容量的80%，其发电效率都在45%以上；重型燃机有111台，总容量4 559.748MW(其中国产10台，容量330MW)。用于热电厂的很少，只有大庆地区4座和克拉玛依热电厂。
近期拟建单机容量390MW的联合循环电厂和其他较大容量的燃气联合循环机组，且大中小并进也在蕴酿中。
由于历史背景，所装机组容量小，燃料多为轻柴油，发电成本高，导致上网电价高，利用小时低。加之电力市场实行同网同价，各电厂竞争上网，这无疑对燃机电厂的生存带来极大困难，而对环境带来的效益未能体现。相信随着改革开放的进一步深化，上述问题将会得到解决。
与燃气联合循环的主机相匹配的另一主机是余热锅炉，我国杭州锅炉厂已走在了前列，成为最大的余热锅炉研究和开发基地。80年代中期，该厂与巩固约翰(J·B·)公司，荷兰斯坦特·法索(S·F·L·)公司合作制造了多台燃气轮机余热锅炉，迄今为止已自行开发燃机余热炉有13台(套)，其中已投入商业运行7台(套)，与国外合作生产的有11台(套)。
3.2国际发展趋势
电力设施的高效化、分散化和功能多样化是世界能源业的发展走向，是人类环境意识和可持续发展意识增强的必然产物。
航空技术的发展，促进了燃机制造技术的提高和热能利用率的提高。尤其燃气轮机热电机组，其综合效率与容量规模大小之间的联系甚小，所以燃气轮机热电联产设施的小型化、微型化已经成为各国能源工业的一种新潮流。通过小型燃气轮机热电联产系统为一个企业、一所医院、一座大楼、一个机场一个生活小区等直接提供电力、热力、制冷……等，最大限度地减少能源转换、运输环节的损失和污染物的排放，降低能源代价。目前国际上正在研究发展和积极推广微型燃气轮机，这种燃气轮机可以一家一户安装，代替家用燃气炉，在为家庭供暖、制冷和提供生活热水的同时，解决家庭电力供应，实现全能量利用。
另外，燃气轮机热电机组的余热锅炉加补燃装置也是目前国外较普遍采用的技术，它主要是为了加强机组供热与发电的综合调节能力，提高系统的总热效率。
从燃料角度看发展，其历史的燃料利用过程是：
“煤炭——石油——天然气——清洁煤气——再生能源”。据美国能源信息局预测1998～2007年10年内，计划新装机52 044MW，其中燃气机组46 181MW，占88.7%，加燃油机1 444MW(2.8%)，总共已超过90%，燃气燃油机组除少量是单循环，大部份是联合循环机组。
天然气在50年代是令人厌烦的油田中的危险物，现在世界公认是电力工业的最佳燃料，实际上它也是再生能源。
21世纪有5大技术浪潮冲击整个人类社会，其中信息技术和氢能技术最为人们关心，手提式、移动式电站已在科学家的构思之中，都市要求能电设备向“精品型”发展，国际上开始向“微型化”发展，宣称开发微型汽电共生是电站的革命，其燃机转速高达10万r/min，有科学家正在研究开发“镶嵌式电站”；燃机联合循环欣欣向荣；现在的大电厂供电为主的供电方式，正在向大中小结合，多元化的能电联供转变；减少输配电损失或就地发电成为科技的主攻方向；热、电、冷、功同时供应的小巧玲珑型的汽电共生——“爱能鸟”有着很好的发展前景。
4我国石油天然气资源
我国是世界上最大的燃煤国，但煤炭储量仅占世界的11%，人口却占了世界的21%，全球煤炭探明储量可采230年，而我国只能采90年。我国石油仅为世界的2.4%，只能采20年，全球可采48年，因此寻求新能源迫在眉睫。
地球上已探明的天然气储量超过140万亿m3，年采2万多亿m3，可采68年，海洋学家发现在大洋深处的海底由于水压作用，可能存在大量的液态甲烷，预计其数量可支撑人类数十年的文明。
我国天然气已探明地质储量估计超过38万亿m3，可采储量前景看好，预计7～10万亿m3，可采95年，主要资源集中在四川盆地、陕甘宁地区、塔里木盆地和青海，海上资源集中在南海和东海。此外在渤海、华北等地区尚有少量资源。南海天然气资源蕴藏品质最好，汽田储量集中，单井产量大，开发前景看好，但开发难度较大。今年又在内蒙古自治区探明了我国第一个世界级的大气田，为能源优化提供了美好的前景。
邻国俄罗斯拥有世界最丰富的天然气资源，可采储量占世界的40%，天然气出口占世界的30%，东西伯利亚有可靠地质含量8千亿m3，每年可向中国出口300亿m3。
也有不少国家生产液化天然气和液化石油气出口。我国已决定在深圳建设一个LNG接收系统，年接收进口液化天然气300万t，远期规模可增加到600～700万t。国家还计划在长江三角洲地区建设一座同等规模的LNG接收系统。
液化石油LPG也有它的特点，运输、储存和使用都比LNG方便，受系统制约小，但由于价格因素，在使用量大和有条件建大型低成体储存装置的地区和夏季用电采峰特征强同时又缺乏水电调节的电网，如山东电网，可用于季节性调节手段。目前，一些跨国石油公司在我国沿海建设了一些大型LPG周转储库。
世界煤炭储量较多，如何更好利用这一资源，也引起各国的重视。目前已有好几个国家建立起IGCC即整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电厂，但由于造价和成本相对较高，也还有技术问题，尚待进一步研究完善。
我国非常重视天然气的利用和生态环境质量，要求各省作出天然气利用规划，西气东送正在建设之中，全国性的能源结构优化调整力度将会进一步加大。
综上所述，燃气联合循环的新发展一定会给人类生活带来更为幸福美好的文明。