天然氣發(fā)電的重要性及其發(fā)展趨勢(shì)

張慶兵+李國(guó)紅+秦鶴年

【摘 要】對(duì)天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀及其重要意義進(jìn)行了介紹，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)看法與建議。認(rèn)為天然氣發(fā)電對(duì)空氣污染的治理，減少碳排放是十分有效的，能夠充分利用油氣資源及各類富含甲烷的可燃性氣體，而且有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。天然氣發(fā)電還帶動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，尤其是燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電不僅提高了熱能利用率，余熱還可用于供熱，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)。

【Abstract】 This paper introduces the present situation and significance of natural gas power generation， and studies its development prospect， and puts forward some suggestions. It is considered that natural gas power generation is very effective for air pollution control and carbon emission reduction， and it can make full use of oil and gas resources and various kinds of methane rich flammable gases， and has wide application fields. Natural gas power generation has also promoted the application and development of gas turbine and gas engine， especially gas and steam combine to generate electricity circularly， which has not only increased the utilization of heat energy， but also can be used for heating， and realized the combined heat and power generation.

【關(guān)鍵詞】天然氣發(fā)電；治污減排；聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；熱電聯(lián)產(chǎn)；油氣資源利用

【Keywords】natural gas power generation； pollution control and emission reduction； combined cycle power generation； cogeneration； utilization of oil and gas resources

【中圖分類號(hào)】F407.22 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）02-0155-03

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(diǎn)，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(lái)后經(jīng)適度處理就可以直接作為燃料使用，屬于廉價(jià)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?xì)獍l(fā)電與供熱。尤其是近期國(guó)際油氣價(jià)格的持續(xù)走低，全球油氣產(chǎn)能的過(guò)剩對(duì)燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施與發(fā)展都非常有利。目前天然氣發(fā)電已作為一項(xiàng)新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，并且在多個(gè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，同時(shí)也帶動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)等燃?xì)鈩?dòng)力設(shè)備及其所需潤(rùn)滑油的發(fā)展。天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展前景，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用，將在此進(jìn)行研究與討論。

2 國(guó)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(dá)到了20%以上。從發(fā)達(dá)國(guó)家的情況來(lái)看，天然氣已成為美國(guó)最重要的電力供應(yīng)來(lái)源，自美國(guó)引導(dǎo)頁(yè)巖氣革命以來(lái)，其天然氣發(fā)電量不斷上漲，2000-2012年美國(guó)天然氣發(fā)電量增長(zhǎng)了96%。此外，日本70%的天然氣用于發(fā)電，占其國(guó)內(nèi)發(fā)電總量的28%；歐洲天然氣發(fā)電比例也超過(guò)20%。而目前國(guó)內(nèi)天然氣的消費(fèi)僅占一次性能源的5%，其中發(fā)電用氣僅占天然氣消費(fèi)的18%。

近年來(lái)，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)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(guó)天然氣發(fā)電行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，截至2011年底，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到32650MW，占全國(guó)總裝機(jī)量的3.09%，發(fā)電量為1.048×1011kW·h，占全國(guó)總發(fā)電量的2.22%，發(fā)電用氣占全國(guó)天然氣消費(fèi)量的15%左右。截至2012年底，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)容量約45000MW，同比增長(zhǎng)約38%，約占中國(guó)總裝機(jī)容量的4%。截至2013年底，我國(guó)天然氣發(fā)裝機(jī)容量已達(dá)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(lái)源有充分保障，如陸地管道輸送或進(jìn)口液化天然氣LNG。截至2012年底，全國(guó)共有集中式天然氣發(fā)電機(jī)組167臺(tái)，裝機(jī)容量38830MW，占全國(guó)燃?xì)獍l(fā)電總裝機(jī)容量的96.4%，2013年裝機(jī)容量超過(guò)40000MW。我國(guó)集中式天然氣發(fā)電裝機(jī)主要分布在京津塘、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲地區(qū)，天然氣主要來(lái)源于“西氣東輸”管道、進(jìn)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(diǎn)，在我國(guó)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(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電調(diào)節(jié)，因此同樣具有發(fā)展前途。

3 燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展

燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備大體分為以下幾類：燃?xì)忮仩t，固定式或移動(dòng)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。

3.1 燃?xì)忮仩t發(fā)電機(jī)組

該機(jī)組是通過(guò)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(dòng)蒸汽輪機(jī)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，余熱可用于供熱。燃?xì)忮仩t發(fā)電機(jī)組一般為“煤改氣”的燃煤鍋爐發(fā)電機(jī)組，因現(xiàn)在燃煤發(fā)電機(jī)組對(duì)裝機(jī)容量有嚴(yán)格的要求，300MW以下機(jī)組面臨淘汰，煤電行業(yè)為了維持部分老舊設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行，即對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，將燃料由煤炭改為天然氣、煤層氣或煤氣。其特點(diǎn)是僅僅改變了燃料，無(wú)需對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行較大的改動(dòng)，并且能夠減少二氧化硫等有害氣體排放以及實(shí)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?xì)獍l(fā)電的“過(guò)渡形式”。endprint

3.2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備

以燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的發(fā)電設(shè)備主要用來(lái)為油氣田鉆井或采油設(shè)備提供電能，或?yàn)橐巴馐┕C(jī)械提供電能。其特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率有限，一般用于3.5MW以下的發(fā)電設(shè)備。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)渦輪機(jī)組

燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率大，轉(zhuǎn)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(wú)需使用冷卻液，余熱可以得到利用。

一般來(lái)講，燃?xì)廨啓C(jī)是10MW以上發(fā)電容量的首選燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)，主要針對(duì)集中式發(fā)電，但隨著新興技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了適用于5MW以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，可以部分替代柴油發(fā)電機(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)，用于分布式發(fā)電[1]。

燃?xì)廨啓C(jī)做功后的尾氣仍具有很高的溫度，可以二次利用來(lái)加熱水產(chǎn)生水蒸汽進(jìn)一步發(fā)電，即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，熱能利用率得到進(jìn)一步的提高，可達(dá)60%，已成為集中式天然氣發(fā)電的主流。燃?xì)庥酂嵋部捎糜诠幔纬蔁犭娐?lián)產(chǎn)。

4 天然氣發(fā)電在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其重要意義

從世界發(fā)達(dá)國(guó)家和一些東南亞國(guó)家發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，天然氣發(fā)電是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能源供應(yīng)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?xì)夤?yīng)削峰填谷以及促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等眾多優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代能源領(lǐng)域發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)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(duì)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(yīng)用，替代燃煤發(fā)電與供熱。

在仍以煤電供應(yīng)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(diǎn)，在用電高峰時(shí)可開啟天然氣發(fā)電設(shè)備補(bǔ)充供電，或天然氣供應(yīng)過(guò)剩時(shí)用于發(fā)電，對(duì)城市用電量及天然氣供應(yīng)可起到很好的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

4.2 中小型天然氣田的開發(fā)

中國(guó)氣田以中小型居多，大多數(shù)氣田的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，勘探開發(fā)難度大，因產(chǎn)氣量有限而難以用管道遠(yuǎn)距離輸送。為了更好地開發(fā)中小型天然氣田，對(duì)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(yùn)送，另一種方式為就地燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過(guò)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(shì)互補(bǔ)的作用，可針對(duì)市場(chǎng)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(shí)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(huì)更多。我國(guó)油田伴生氣資源豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(dá)10×108m3 左右，相當(dāng)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(xiàng)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(lái)制備LNG和燃?xì)獍l(fā)電，燃?xì)獍l(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(lái)做油田的驅(qū)油劑使用，從而減少購(gòu)買商品CO2所需費(fèi)用。另外油田目前擁有大量的固定式柴油發(fā)電機(jī)，如改用燃?xì)獍l(fā)電可實(shí)現(xiàn)燃料就地取材，從而節(jié)省大量的燃料費(fèi)用。

4.4 煤層氣的開采利用

我國(guó)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(guó)煤層氣的開采和利用剛處于起步階段，對(duì)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(lái)制備LNG和燃燒發(fā)電，對(duì)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(jī)物質(zhì)在隔絕空氣的條件下，經(jīng)過(guò)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(huì)產(chǎn)生大量的沼氣，因此沼氣發(fā)電對(duì)污物的處理與環(huán)保都具有非常重要的意義。

4.6 遠(yuǎn)洋船舶及海洋鉆井平臺(tái)的應(yīng)用

船舶的動(dòng)力裝置通常有汽輪機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合動(dòng)力裝置等，柴油機(jī)占據(jù)了船舶動(dòng)力的主導(dǎo)地位。但柴油機(jī)多用于排水量在50000t級(jí)以下的船舶，超過(guò)該排水量的大型遠(yuǎn)洋船舶則使用燃油鍋爐和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。因船舶柴油機(jī)及鍋爐使用重質(zhì)燃料油，硫含量較高，因此國(guó)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(tái)，所使用的任何燃料油硫含量不超過(guò)4.5%，隨著環(huán)保要求的日趨嚴(yán)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(duì)于以蒸汽輪機(jī)為動(dòng)力的超大型遠(yuǎn)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(duì)要求日趨嚴(yán)格的海洋環(huán)保公約，LNG動(dòng)力船舶受到關(guān)注，該船舶以LNG為燃料，以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力裝置進(jìn)行發(fā)電或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，為船舶動(dòng)力等設(shè)施提供用電。LNG作為燃料可大幅度減少污染排放，甚至實(shí)現(xiàn)零排放。此外，LNG動(dòng)力船舶還具有以下功效：①燃?xì)獍l(fā)電的余熱還可以用來(lái)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(shí)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(dòng)力燃料，也可用于炊事燃料；④燃?xì)廨啓C(jī)油或燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)油換油周期較長(zhǎng)，可延長(zhǎng)船舶的換油養(yǎng)護(hù)周期，由此節(jié)省大量的潤(rùn)滑養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。燃?xì)獍l(fā)電不僅適用于船舶，還可用于海洋油氣鉆井平臺(tái)，而且燃料可直接采用海洋油氣田生產(chǎn)的天然氣。endprint

4.7 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力源的燃?xì)獍l(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(duì)煤電的要求越來(lái)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(zhuǎn)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(duì)未來(lái)發(fā)展前景的展望和相關(guān)建議

5.1 天然氣來(lái)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(lái)源能否有充足的保障。從目前的勘探情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)天然氣已探明儲(chǔ)量約為3.8×1013m3，而且隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步新增探明儲(chǔ)量還在不斷增加。進(jìn)口天然氣也在持續(xù)增長(zhǎng)，俄羅斯、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和蒙古等陸地鄰國(guó)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(dāng)前歐美國(guó)家對(duì)俄羅斯進(jìn)行制裁，歐盟國(guó)家減少了對(duì)俄羅斯天然氣進(jìn)口的依賴，迫使俄羅斯天然氣出口由西向東轉(zhuǎn)移，使中國(guó)進(jìn)一步擴(kuò)大了進(jìn)口天然氣來(lái)源。液化天然氣LNG的進(jìn)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(guó)在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下產(chǎn)能已嚴(yán)重飽和，使中國(guó)市場(chǎng)成為L(zhǎng)NG需求新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

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

5.2 燃?xì)鈩?dòng)力裝置的發(fā)展

燃?xì)廨啓C(jī)已作為集中式大功率天然氣發(fā)電機(jī)組的動(dòng)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(jìn)一步的提高，目前我國(guó)已成為世界最大的燃?xì)廨啓C(jī)潛在市場(chǎng)，燃?xì)廨啓C(jī)已納入長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中，尤其是重型燃?xì)廨啓C(jī)為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的10項(xiàng)重大技術(shù)裝備之一，也是國(guó)家裝備制造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。

此外隨著分布式小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的推廣，小型或微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)也十分活躍，將越來(lái)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(duì)于新能源汽車的發(fā)展，車載式LNG燃?xì)獍l(fā)電機(jī)有望成為混合動(dòng)力汽車未來(lái)的主要?jiǎng)恿υ础?/p>

【參考文獻(xiàn)】

【1】李浩軍，馮良，陸萍.小型燃?xì)獍l(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 城市煤氣，2001，321（11）：13-16.endprint