天然氣發(fā)電的重要性及其發(fā)展趨勢

張慶兵，李國紅，秦鶴年

（1.中國石油潤滑油公司，北京100028；2.中國石油北京潤滑油銷售分公司，北京100101）

1 引言

與煤炭及燃料油相比，天然氣具有燃燒完全、燃燒熱值高、碳排放低、有害物質(zhì)排放少等特點，有利于改善空氣質(zhì)量。而且天然氣資源豐富，生產(chǎn)成本低，開采出來后經(jīng)適度處理就可以直接作為燃料使用，屬于廉價易得的清潔型燃料。目前各大城市為改善空氣質(zhì)量，已開始采用燃氣發(fā)電與供熱。尤其是近期國際油氣價格的持續(xù)走低，全球油氣產(chǎn)能的過剩對燃氣發(fā)電項目的實施與發(fā)展都非常有利。目前天然氣發(fā)電已作為一項新興技術產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，并且在多個領域得到推廣應用，同時也帶動了燃氣輪機和燃氣發(fā)動機等燃氣動力設備及其所需潤滑油的發(fā)展。天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀、特點及未來發(fā)展前景，對相關產(chǎn)業(yè)的帶動作用，將在此進行研究與討論。

2 國內(nèi)外天然氣發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

目前全球天然氣發(fā)電在總發(fā)電量中所占份額達到了20%以上。從發(fā)達國家的情況來看，天然氣已成為美國最重要的電力供應來源，自美國引導頁巖氣革命以來，其天然氣發(fā)電量不斷上漲，2000-2012年美國天然氣發(fā)電量增長了96%。此外，日本70%的天然氣用于發(fā)電，占其國內(nèi)發(fā)電總量的28%；歐洲天然氣發(fā)電比例也超過20%。而目前國內(nèi)天然氣的消費僅占一次性能源的5%，其中發(fā)電用氣僅占天然氣消費的18%。

近年來，我國天然氣發(fā)電裝機量不斷增加。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015-2020年中國天然氣發(fā)電行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》顯示，截至2011年底，我國天然氣發(fā)電裝機容量達到32650MW，占全國總裝機量的3.09%，發(fā)電量為1.048×1011kW·h，占全國總發(fā)電量的2.22%，發(fā)電用氣占全國天然氣消費量的15%左右。截至2012年底，我國天然氣發(fā)電裝機容量約45000MW，同比增長約38%，約占中國總裝機容量的4%。截至2013年底，我國天然氣發(fā)裝機容量已達46680MW，發(fā)電量為1.143×1011kW·h。

天然氣發(fā)電又分為集中式和分布式。集中式規(guī)模及用氣量較大，以發(fā)電供熱為主要目的，要求天然氣來源有充分保障，如陸地管道輸送或進口液化天然氣LNG。截至2012年底，全國共有集中式天然氣發(fā)電機組167臺，裝機容量38830MW，占全國燃氣發(fā)電總裝機容量的96.4%，2013年裝機容量超過40000MW。我國集中式天然氣發(fā)電裝機主要分布在京津塘、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)，天然氣主要來源于“西氣東輸”管道、進口LNG和海上氣田。分布式規(guī)模較小，以利用中小型氣田氣、油田伴生氣、沼氣及回收可燃性氣體發(fā)電為主要目的，具有就地取材、投資較少以及開停靈活等特點，在我國起步較晚，主要是入網(wǎng)困難，但有利于資源的充分利用，可實現(xiàn)錯峰用電調(diào)節(jié)，因此同樣具有發(fā)展前途。

3 燃氣發(fā)電設備的現(xiàn)狀與發(fā)展

燃氣發(fā)電設備大體分為以下幾類：燃氣鍋爐，固定式或移動式燃氣發(fā)動機，燃氣輪機，燃氣與蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。

3.1 燃氣鍋爐發(fā)電機組

該機組是通過天然氣等或煤氣等可燃性氣體的燃燒產(chǎn)生的熱能加熱水，產(chǎn)生水蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機，再帶動發(fā)電機發(fā)電，余熱可用于供熱。燃氣鍋爐發(fā)電機組一般為“煤改氣”的燃煤鍋爐發(fā)電機組，因現(xiàn)在燃煤發(fā)電機組對裝機容量有嚴格的要求，300MW以下機組面臨淘汰，煤電行業(yè)為了維持部分老舊設備的繼續(xù)運行，即對設備進行改造，將燃料由煤炭改為天然氣、煤層氣或煤氣。其特點是僅僅改變了燃料，無需對原有設備進行較大的改動，并且能夠減少二氧化硫等有害氣體排放以及實現(xiàn)低碳排放，滿足環(huán)保要求，但功率和熱能利用率較低，屬于燃氣發(fā)電的“過渡形式”。

3.2 燃氣發(fā)動機動力設備

以燃氣發(fā)動機為動力的發(fā)電設備主要用來為油氣田鉆井或采油設備提供電能，或為野外施工機械提供電能。其特點是發(fā)動機與燃油發(fā)動機結構相同，使用天然氣為燃料，可有效地減少有害氣體的排放，降低燃料成本。但發(fā)動機結構復雜，功率有限，一般用于3.5MW以下的發(fā)電設備。燃氣發(fā)動機所用天然氣因產(chǎn)地不同組分差異較大，還有使用單一氣體燃料和使用天然氣與柴油混合燃料的。

3.3 燃氣輪機與燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)渦輪機組

燃氣輪機的特點是結構簡單，功率大，轉速高，熱能利用率高，適用燃料范圍廣，氣體燃料與液體燃料幾乎都可使用，而且無需使用冷卻液，余熱可以得到利用。

一般來講，燃氣輪機是10MW以上發(fā)電容量的首選燃氣發(fā)電技術，主要針對集中式發(fā)電，但隨著新興技術的發(fā)展，出現(xiàn)了適用于5MW以下的微型燃氣輪機發(fā)電技術，可以部分替代柴油發(fā)電機和燃氣內(nèi)燃發(fā)電機，用于分布式發(fā)電[1]。

燃氣輪機做功后的尾氣仍具有很高的溫度，可以二次利用來加熱水產(chǎn)生水蒸汽進一步發(fā)電，即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，熱能利用率得到進一步的提高，可達60%，已成為集中式天然氣發(fā)電的主流。燃氣余熱也可用于供熱，形成熱電聯(lián)產(chǎn)。

4 天然氣發(fā)電在相關領域中的應用及其重要意義

從世界發(fā)達國家和一些東南亞國家發(fā)展經(jīng)驗來看，天然氣發(fā)電是實現(xiàn)節(jié)能減排和能源供應可持續(xù)發(fā)展的必由之路，具有節(jié)能減排、提高供電安全性、電力與燃氣供應削峰填谷以及促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展等眾多優(yōu)勢，是現(xiàn)代能源領域發(fā)展的不可逆轉的潮流。

4.1 城市供電與供熱

天然氣燃燒完全，有害物質(zhì)的排放很少，接近“零排放”，對改善空氣質(zhì)量很有幫助，因此已開始在北京等大城市中得到應用，替代燃煤發(fā)電與供熱。

在仍以煤電供應為主的情況下，天然氣發(fā)電具有開停容易、操作方便以及供電穩(wěn)定等特點，在用電高峰時可開啟天然氣發(fā)電設備補充供電，或天然氣供應過剩時用于發(fā)電，對城市用電量及天然氣供應可起到很好的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)削峰填谷。

4.2 中小型天然氣田的開發(fā)

中國氣田以中小型居多，大多數(shù)氣田的地質(zhì)構造比較復雜，勘探開發(fā)難度大，因產(chǎn)氣量有限而難以用管道遠距離輸送。為了更好地開發(fā)中小型天然氣田，對其所生產(chǎn)天然氣的輸送可采用兩種方式，一種是制備液化天然氣LNG，用罐車運送，另一種方式為就地燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過電網(wǎng)外送。LNG生產(chǎn)和天然氣發(fā)電共同采用，能起到優(yōu)勢互補的作用，可針對市場需求靈活調(diào)整LNG產(chǎn)量和發(fā)電量，從而使氣井產(chǎn)量平穩(wěn)。

4.3 油田伴生氣的利用以及原油的開采

油田伴生氣是指在開采石油的同時所采出的天然氣。石油伴生氣的產(chǎn)量很大，每采出一噸石油，就伴生幾十立方米到幾百立方米的油田氣。新開采的油田，油田氣的產(chǎn)量會更多。我國油田伴生氣資源豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅部分因地域限制、分散的小油田每年燒掉的伴生氣就高達10×108m3左右，相當于10×106t石油。如能有效利用油田伴生氣資源，既可以增加工程項目收益，又可以有效降低溫室氣體的排放。

油田伴生氣同樣可用來制備LNG和燃氣發(fā)電，燃氣發(fā)電所產(chǎn)生的熱能還可用于稠油的加熱開采。另外天然氣的燃燒能夠產(chǎn)生純度較高的CO2，因此天然氣發(fā)電所產(chǎn)生的尾氣還可用來做油田的驅(qū)油劑使用，從而減少購買商品CO2所需費用。另外油田目前擁有大量的固定式柴油發(fā)電機，如改用燃氣發(fā)電可實現(xiàn)燃料就地取材，從而節(jié)省大量的燃料費用。

4.4 煤層氣的開采利用

我國煤層氣資源也很豐富，居世界第三，穩(wěn)定年產(chǎn)量在6.33×1010～9.35×1010m3。煤層氣存在于煤礦中，通常成為煤炭開采的安全隱患，因此煤炭的開采需事先抽采煤層氣，我國煤層氣的開采和利用剛處于起步階段，對煤層氣還未得到很好的利用，被很多礦區(qū)煤層氣抽采后被直接排放。煤層氣的組分與天然氣類似，同樣可用來制備LNG和燃燒發(fā)電，對煤炭資源的綜合利用及煤礦安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

4.5 沼氣的利用

沼氣也是富含甲烷的氣體，是各種有機物質(zhì)在隔絕空氣的條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而產(chǎn)生的，屬于二次能源，具有可再生性。農(nóng)林副產(chǎn)物的發(fā)酵，城鄉(xiāng)污水、垃圾與糞便的處理均會產(chǎn)生大量的沼氣，因此沼氣發(fā)電對污物的處理與環(huán)保都具有非常重要的意義。

4.6 遠洋船舶及海洋鉆井平臺的應用

船舶的動力裝置通常有汽輪機、柴油機、燃氣輪機和聯(lián)合動力裝置等，柴油機占據(jù)了船舶動力的主導地位。但柴油機多用于排水量在50000t級以下的船舶，超過該排水量的大型遠洋船舶則使用燃油鍋爐和蒸汽輪機發(fā)電機組。因船舶柴油機及鍋爐使用重質(zhì)燃料油，硫含量較高，因此國際MARPOL73/78防污染公約附則Ⅵ規(guī)定，總重400噸及以上的船舶或平臺，所使用的任何燃料油硫含量不超過4.5%，隨著環(huán)保要求的日趨嚴格，該公約要求自2012年起，燃料油的硫含量不大于3.5%，到2020年不大于0.5%。對于以蒸汽輪機為動力的超大型遠洋船舶，要求船上安裝高效廢氣凈化裝置，以確保其排放符合防污染公約要求。面對要求日趨嚴格的海洋環(huán)保公約，LNG動力船舶受到關注，該船舶以LNG為燃料，以燃氣輪機為動力裝置進行發(fā)電或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，為船舶動力等設施提供用電。LNG作為燃料可大幅度減少污染排放，甚至實現(xiàn)零排放。此外，LNG動力船舶還具有以下功效：①燃氣發(fā)電的余熱還可以用來淡化海水，為船員提供生活用水，從而減少淡水的攜帶量；②LNG氣化時產(chǎn)生的冷能可用于船舶的空調(diào)制冷及食品保鮮；③LNG不僅是動力燃料，也可用于炊事燃料；④燃氣輪機油或燃氣與蒸汽聯(lián)合循環(huán)渦輪機油換油周期較長，可延長船舶的換油養(yǎng)護周期，由此節(jié)省大量的潤滑養(yǎng)護費用。燃氣發(fā)電不僅適用于船舶，還可用于海洋油氣鉆井平臺，而且燃料可直接采用海洋油氣田生產(chǎn)的天然氣。

4.7 其他領域的應用

以燃氣輪機為動力源的燃氣發(fā)電，不僅可使用天然氣為燃料，還可使用煤氣等各類可燃性氣體。目前為了減少污染排放，政府對煤電的要求越來越苛刻，而且提高了燃煤發(fā)電的稅收。煤炭行業(yè)為了生存，開始由直接燃煤發(fā)電向煤炭氣化發(fā)電轉變，即利用煤炭氣化產(chǎn)生的煤氣CO用于燃燒發(fā)電，使污染排放大幅度降低。

5 對未來發(fā)展前景的展望和相關建議

5.1 天然氣來源的保障

發(fā)展天然氣發(fā)電的核心問題就是天然氣的來源能否有充足的保障。從目前的勘探情況來看，國內(nèi)天然氣已探明儲量約為3.8×1013m3，而且隨著勘探技術的進步新增探明儲量還在不斷增加。進口天然氣也在持續(xù)增長，俄羅斯、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和蒙古等陸地鄰國都有著豐富的天然氣資源，而且修建了中俄與中吉烏油氣管道，尤其是當前歐美國家對俄羅斯進行制裁，歐盟國家減少了對俄羅斯天然氣進口的依賴，迫使俄羅斯天然氣出口由西向東轉移，使中國進一步擴大了進口天然氣來源。液化天然氣LNG的進口量也在持續(xù)增加，卡塔爾、澳大利亞和印尼等LNG的主要出口國在當前經(jīng)濟不景氣的情況下產(chǎn)能已嚴重飽和，使中國市場成為LNG需求新的增長點。

另外非常規(guī)天然氣，如煤層氣、頁巖氣及可燃冰等，經(jīng)勘探表明儲量較常規(guī)天然氣更為豐富，一旦開采技術取得突破，天然氣有望超過煤炭成為第一大能源。由此可見，天然氣的來源十分豐富，發(fā)展前景廣闊。

5.2 燃氣動力裝置的發(fā)展

燃氣輪機已作為集中式大功率天然氣發(fā)電機組的動力裝置，而且形成了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，使熱能利用率得到進一步的提高，目前我國已成為世界最大的燃氣輪機潛在市場，燃氣輪機已納入長期發(fā)展規(guī)劃中，尤其是重型燃氣輪機為國家優(yōu)先發(fā)展的10項重大技術裝備之一，也是國家裝備制造業(yè)重點發(fā)展的領域。

此外隨著分布式小型燃氣發(fā)電機組的推廣，小型或微型燃氣輪機以及燃氣發(fā)動機的研發(fā)也十分活躍，將越來越多地用于中小型天然氣田和油田的開發(fā)，以及可燃性氣體的回收利用。尤其是對于新能源汽車的發(fā)展，車載式LNG燃氣發(fā)電機有望成為混合動力汽車未來的主要動力源。