淺談天然氣發(fā)電技術(shù)

何鵬飛

摘 要：近年來，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越高，國家出臺(tái)若干政策來加強(qiáng)治理環(huán)境污染，對(duì)于作為發(fā)電行業(yè)中支柱的燃煤發(fā)電也采取了相應(yīng)措施，小機(jī)組關(guān)停，相應(yīng)地區(qū)新建燃煤電廠限批，天然氣發(fā)電作為一種低污染、高效率的發(fā)電方式迎來了發(fā)展的機(jī)遇。本文主要介紹了天然氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理，簡(jiǎn)述了天然氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，及國內(nèi)天然氣發(fā)電的概況。

關(guān)鍵詞：天然氣機(jī)組；聯(lián)合循環(huán)；國內(nèi)；概況

一、天然氣機(jī)組發(fā)電簡(jiǎn)介

經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，目前，世界上利用天然氣發(fā)電最為經(jīng)濟(jì)高效形式為燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（CCGT），這種方式可以提高天然氣發(fā)電的熱效率，與傳統(tǒng)火力發(fā)電的熱效率相比，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電的熱效率可以提高20%～30%。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)的實(shí)質(zhì)就是把燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)結(jié)合，把“布雷頓循環(huán)”與“朗肯循環(huán)”組合形成一個(gè)總的循環(huán)。

（一）燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是由壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙饺齻€(gè)主要部分組成?？諝膺M(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過壓氣機(jī)的壓縮進(jìn)入燃燒室，與噴入的天然氣混合，經(jīng)過燃燒后成為高溫燃?xì)?，然后進(jìn)入燃?xì)馔钙街凶龉?，推?dòng)燃?xì)馔钙饺~輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電；燃?xì)饨?jīng)燃燒、做功后產(chǎn)生的高溫排氣排放至余熱鍋爐再利用，燃?xì)馔钙饺~輪的轉(zhuǎn)動(dòng)除了帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電外，同樣會(huì)帶動(dòng)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，燃?xì)廨啓C(jī)由靜止啟動(dòng)時(shí)，需要起動(dòng)機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，帶加速到能獨(dú)立運(yùn)行后，起動(dòng)機(jī)才能脫開。

（二）余熱鍋爐

通常余熱鍋爐由省煤器、蒸發(fā)器、過熱器以及聯(lián)箱和汽包等換熱管組和容器等組成，在有再熱器的蒸汽循環(huán)中，可以加設(shè)再熱器。燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫排氣經(jīng)煙道輸送至余熱鍋爐入口，再流經(jīng)再熱器、過熱器、蒸發(fā)器、省煤器和給水預(yù)熱器，溫度逐次降低，最后經(jīng)煙囪排入大氣。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度一般可以達(dá)到450～600℃左右，余熱鍋爐排煙溫度一般為 110～200℃，煙氣溫度從高溫降到排煙溫度所釋放出的熱量用來使水變成蒸汽。

鍋爐給水在給水預(yù)熱器中加熱后進(jìn)入常壓除氧器，與從余熱鍋爐來的加熱蒸汽混合除氧，經(jīng)水泵加壓進(jìn)入低壓省煤器，加熱后進(jìn)入低壓汽包。在低壓汽包中，一部分水在低壓蒸發(fā)器中循環(huán)加熱成飽和蒸汽，經(jīng)低壓過熱器過熱后進(jìn)入汽輪機(jī)的低壓缸；其余的水分別進(jìn)入中、高壓省煤器，加熱到一定溫度后進(jìn)入汽包。汽包中的水經(jīng)過中、高壓蒸發(fā)器的循環(huán)加熱成為飽和蒸汽，經(jīng)中、高壓過熱器過熱后進(jìn)入汽輪機(jī)中、高壓缸。

（三）蒸汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)的主要作用是把蒸汽熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。過熱蒸汽在噴嘴中發(fā)生膨脹，壓力下降，速度增加，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。汽流帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。蒸汽在汽輪機(jī)中，以不同方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，便構(gòu)成了不同工作原理的汽輪機(jī)。

二、天然氣聯(lián)合循環(huán)基本理論

利用天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)中直接燃燒做功，由燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，此為單循環(huán)發(fā)電。在單循環(huán)發(fā)電的基礎(chǔ)上，把燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫排氣，經(jīng)過余熱鍋爐的處理，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，就成為了雙循環(huán)，即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

從熱力學(xué)基本定律可以得出，熱力循環(huán)理想的熱效率只取決于循環(huán)吸熱及放熱平均溫度，提高吸熱平均溫度及降低放熱平均溫度都能達(dá)到提高循環(huán)熱效率的目的。理想狀態(tài)下的熱機(jī)循環(huán)熱效率可以表達(dá)為η=1- T2/T1，其中T1為吸熱平均溫度，T2為放熱平均溫度。目前純?nèi)細(xì)鈩?dòng)力循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)初溫可以達(dá)到1300～1500℃，但排氣溫度約有450～600℃，而對(duì)于純蒸汽動(dòng)力循環(huán)來說，由于受到耐溫耐壓材料限制，進(jìn)氣溫度一般只有500～600℃，但其循環(huán)放熱平均溫度很低。在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)中，將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫排氣送入到余熱鍋爐中，經(jīng)余熱鍋爐再次燃燒后，使得余熱鍋爐內(nèi)的水變?yōu)樗羝?，并將水蒸汽引入汽輪機(jī)中做功，汽輪機(jī)的排汽再進(jìn)入凝汽器中利用。從而增加了總輸出功率的同時(shí)又充分發(fā)揮了燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)吸熱平均溫度高和蒸汽輪機(jī)循環(huán)平均溫度低的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)循環(huán)的熱效率得以提高。

三、國內(nèi)天然氣發(fā)電概況

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電是一種效率高、污染少的發(fā)電方式，他具有效率高、投資少、建設(shè)周期短、啟停便捷、自動(dòng)化運(yùn)行程度高等優(yōu)點(diǎn)。燃?xì)怆姀S其占地面積小，一般為燃煤電廠的50%左右。污染物排放量少，與同容量的傳統(tǒng)火力發(fā)電廠相比，氮氧化物排放量為其20%左右，二氧化碳為40%左右，可吸入顆粒物為5%左右，不需要為環(huán)保追加新投資。燃?xì)怆姀S的噪聲污染也比較小，對(duì)于現(xiàn)階段國內(nèi)技術(shù)來說，F(xiàn)級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在距離設(shè)備1m處，噪音聲壓級(jí)可以控制在80～90dB（A）左右。燃?xì)怆姀S還有啟動(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)，在18～20min內(nèi)便能發(fā)出2/3的功率，80min內(nèi)實(shí)現(xiàn)全功率輸出，適合用作調(diào)峰電源。在城市用電負(fù)荷中心建設(shè)天然氣電廠，從而實(shí)現(xiàn)就地供電，減輕電網(wǎng)輸電和電網(wǎng)建設(shè)的壓力的同時(shí)提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

天然氣發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差。關(guān)于天然氣電廠上網(wǎng)電價(jià)，2014年國家發(fā)展改革委下發(fā)了《國家發(fā)展改革委關(guān)于規(guī)范天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)管理有關(guān)問題的通知》，要求各地天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)具體管理辦法由省級(jí)政府價(jià)格主管部門制定，并對(duì)天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)與氣價(jià)聯(lián)動(dòng)調(diào)整的機(jī)制做出了指導(dǎo)意見，各地區(qū)的管理辦法也正在陸續(xù)出臺(tái)，這將對(duì)天然氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性有所改善。燃料費(fèi)在天然氣發(fā)電機(jī)組中占比較大，天然氣的價(jià)格成為影響天然氣發(fā)電經(jīng)濟(jì)性最重要的因素之一。2015年國內(nèi)天然氣價(jià)格出現(xiàn)大幅下調(diào)，一定程度上降低了發(fā)電企業(yè)的發(fā)電成本。

用氣高峰和用電高峰的重合使得天然氣電廠的供氣可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)。在我國，天然氣發(fā)電分為“調(diào)峰電廠”與“熱電聯(lián)產(chǎn)”兩類。調(diào)峰電廠一般在電網(wǎng)峰荷及腰荷運(yùn)行，熱電聯(lián)產(chǎn)集發(fā)電與供熱于一體。氣源的短缺限制了天然氣電廠的發(fā)電量，對(duì)其盈利能力造成一定影響。

生態(tài)環(huán)境的制約下，我國天然氣發(fā)電需求空間廣闊。除了傳統(tǒng)火力發(fā)電外，我國核電受到容量限制，水電受到季節(jié)枯汛變化影響，風(fēng)電及太陽能等可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，燃油發(fā)電的成本太高。各種發(fā)電方式相比較，天然氣發(fā)電或?qū)⒊蔀槿济喊l(fā)電的一種重要替代方式。

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