燃气蒸汽联合循环发电装置在我国的应用及

燃气—蒸汽联合循环发电装置在我国的应用及中小热电厂改造为燃气—蒸汽联合循环热电站南京汽轮电机（集团）有限责任公司薛福培一、前言燃气—蒸汽联合循环发电装置，由于其具有高效低耗、启动快、可用率高、投资省、建设周期短及环境污染少等优点，越来越得到世界各国的重视而迅速发展。据统计，从一九六八年至一九九五年期间，在世界范围内销售的发电用燃气轮机有13373台，总销售容量3.77517亿千瓦。其中，一九九O年至一九九五年的六年间，销售4311台，1.64517亿千瓦，一九九五年创历史最高记录，达3051.7万千瓦。在1990~2000年间美国新增的1.13亿千瓦发电容量中，燃气轮机电站容量占44%，与燃煤蒸汽轮机电站容量相当，这也是世界发电设备生产过程中出现重大转折的标志。从2000年以后，在新增的发电设备总装机容量中，燃气—蒸汽联合循环发电装置超过常规火电站，占电力发展的主导地位。改革开放以来，我国的电力工业发生了巨大的变化，电力装备达到了一定的规模。二ＯＯＯ年末发电设备装机容量已达到3.1932亿千瓦，（其中单机6000KW以上机组28509.64万KW，其中火电22563.7万KW，火电机组中，燃气轮机组552.811万KW，仅占火电机组的2.32%），年发电量达到13684.82亿千瓦时。根据我国电力规划总目标，在新增的机组中，除重视发展高参数大型机组外，还将大力发展高效率、低污染并且具有调峰能力的大型机组，亦即在机组的选择上，主要发展30万、60万千瓦的大型火电机组，发展区域性集中供热的热电机组，同时要积极发展燃天然气的燃气—蒸汽联合循环发电机组，以达到高效、节能、改善环境和有利于提高电网调峰能力的目的，这已成为今后我国电力发展的主要方向。由此可见，燃气—蒸汽联合循环发电装置由于其特殊的优点，将在我国得到发展。本文就我国发展联合循环发电装置的应用和中小热电厂改造提出初步的看法，以供交流讨论。二、燃气—蒸汽联合循环发电装置的主要特点燃气—蒸汽联合循环装置是四十年代末开始发展起来的一种能源综合利用技术，其特征是将具有较高平均吸热温度的燃气轮机循环（布雷顿循环）与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机循环（朗肯循环）结合起来，使燃气轮机的废热成为汽轮机循环的加热源，达到扬长避短，相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平较燃气轮机循环或汽轮机循环都有明显的提高。燃气—蒸汽联合循环发电装置的主设备由三大块组成：1、燃气轮发电机组。它用可燃气体（如天然气、焦炉煤气、高炉煤气或煤层气）或油为（如轻柴油或重油）燃料，通过高温、高压空气做功发电。2、余热锅炉。其热源为燃气轮机的排气，因此称为余热锅炉，其产生的蒸汽按汽轮机来匹配。3、汽轮发电机组。利用余热锅炉供给的蒸汽选配蒸汽轮机，既可配纯发电的汽轮发电机组，也可配热电联供的汽轮发电机组。燃气—蒸汽联合循环发电装置的主要优越性燃气/蒸汽联合循环装置是一种能源综合利用技术，相对于蒸汽轮机发电技术具有如下明显的优点：1、具有较高的热效率。在同等功率条件下效率要高出15%以上。60MW等级燃气/蒸汽联合循环的效率已达46%以上，300MW等级的已达55%以上，而同等功率的蒸汽轮机发电效率为30%和40%左右。众所周知，常规的火电机组由于其自身设备及系统的限制，它的热效率已很难有突破性的提高。根据统计，1996年我国火力发电机组的平均供电标煤耗为409g/kwh，折算的平均供电效率为30%。目前我国最大的单机容量为600MW的火力发电机组，如北仑港发电厂等，其发电效率约40%左右。1989年6月日本九洲松浦发电厂正式投入商业运行的东芝700MW超临界参数的汽轮发电机组，采用液化石油气（LNG）为燃料，其发电效率达41.9%。这一电站代表当今世界最先进的火电站水平。而燃气—蒸汽联合循环装置的热效率则远好于这一数据。我国南京汽轮电机厂与美国GE公司合作生产的PG6581B型40MW燃气轮发电机组，其简单循环时供电效率为32%，如配置国产余热锅炉和汽轮机，组成58MW等级的联合循环，其供电效率可达46%~48%。近年来，国外正在发展具有更大容量、效率更高的先进型燃气轮机，透平前温从1100℃级提高到1300℃级，使燃气轮机的热效率大大提高，如美国GE公司的MS9001F/FA，燃气轮机单机容量226MW，供电效率35%，其联合循环S—109FA，容量348MW，供电效率55%；ABB公司的GT26型燃气轮机，单机功率240MW，供电效率37%，其联合循环KA26—1，容量为362MW，供电效率为57%；西门子公司的V94.3A型燃气轮机，单机容量为240MW，供电效率为38%，其联合循环GVDIS94.3A，容量为354MW，供电效率为57%。目前各大公司即将推出或正在研制的“G”级和“H”级燃气轮机，燃气初温达到1427℃，简单循环单机容量为280MW，联合循环单机容量达500MW左右，供电效率将超过60%。表一100MW等级电站效率比较（%）电站类别联合循环电站蒸汽轮机电站电站类型常规型煤气化（IGCC）3336~4040~42一般水平43~4840~42先进水平5242~46发展水平55~5846~502、环保性能好，对环境的污染少。燃气—蒸汽联合循环发电装置CO、Nox排放少，称之为“清洁电厂”。由于这种发电装置采用油或天然气为燃料，燃烧生成产物没有灰渣，无需灰渣排放；加上燃烧完全，燃烧生成产物中虽亦有一定量的Nox存在，但可以采用注水、注汽、DLN、SCT等方法，将Nox的含量降低到国家排放标准以下。当前，国家对发电厂污染物排放量要求日益严格，常规火电站为了满足国家环保规定，需花费大量资金、场地，用于环保治理，如烟气脱硫装置等。据统计，大型火电厂用于烟气脱硫、脱销的费用，将占发电厂总投资的1/4~1/3。在这一方面，燃气—蒸汽联合循环发电装置是有其明显的优点。燃气轮机、余热锅炉是一种户外布置的动力设备，通过将机组装在有隔音设施的罩壳内，阻止了运行时噪声外传，同时采用在排气道装设高效消音器等措施，使机组噪音水平能达到国家标准的规定。表二燃气轮机有害物排放量及噪音参考数据测量项目实测结果国家有关规定Nox（mg/m3）0.1120.15/0.10SO2(mg/m3)0.0560.50/0.15远场噪声（dBA）56.8603、投资省，目前每千瓦的投资费用仅4000~5000元/KW左右，甚至更低，而蒸汽轮机发电站投资目前高达8000~11000元/KW左右。4、建设周期短，由于土建少，又可以分阶段建设，首先建设燃机电站，再建联合循环电站，从而使资金最大效率化。5、占地少、用水少。一般仅常规蒸汽轮机电站的三分之一左右。6、运行可靠，高度自动化，运行人员可大大减少。60MW规模电厂人员约50余人。以天津滨海燃气电厂为例，投运以来，年运行小时数达7500小时以上，非常可靠。7、运行方式灵活，既可以作为基本负荷运行，也可以调峰运行。起动快，燃机快速起动只要十多分钟，就可达到满负荷，包括蒸汽轮机在内的联合循环，蒸汽轮机冷起动也仅1.5小时以内。8、可燃用多种燃料：a）天然气；b）轻柴油；c）重油；d）高炉煤气（掺少量焦炉煤气或天然气）；e）焦炉煤气、转炉煤气；f）煤层气、煤层气化气、煤制气；g）也可油、气混烧。联合循环电厂占地、建筑面积、用水量、定员及一次投资费用与同类火电厂相比，其所占比例大致为：表三比较内容占同等规模火电厂的比例%占地面积30~40电厂建筑面积20简单循环用水量5~10联合循环用水量30工厂定员20~25一次投资65~70表四电站启动时间比较单位：分钟启动方式燃机电站联合循环电站蒸汽轮机电站正常启动14~16快速启动9~10冷态启动120300温态启动90180热态启动6090注：上述数据以57MW电站为例三、燃气—蒸汽联合循环发电装置的应用燃气轮发电机组的用途非常广泛，以用户为例，主要是以下几个方面：1、基本负荷运行。由于燃气/蒸汽联合循环具有非常高的效率，且重型燃机具有很长的寿命，因此完全适合带基本负荷运行。如：天津滨海电力有限公司、深圳南山热电有限公司、深圳美视光电有限公司等。2、调峰运行。由于燃机的起、停时间很短，且可在额定负荷的10%~100%范围内稳定运行，因此适合用于电网调峰。如：常州常亚发电有限公司、浙江绍兴电力有限公司。3、城市供热电站。燃气/蒸汽联合循环可配置供热蒸汽轮机给城市区域供热，也可配置低参数的余热锅炉直接供热。由于燃机污染排放低，环保性能好，且占地少，布置灵活，因此特别适合城市热电站，以满足城市环保要求。如：建于陕西省杨凌企业示范区的杨凌燃机热电厂。4、老电厂技术改造。用燃气轮机排气余热配置的余热锅炉替代原有锅炉，余热锅炉产汽送到原有的汽轮发电机组，这样大大提高了电厂热效率，降低了成本，减少了环境污染，又增加了电厂的容量。如：大连发电总厂，该厂是位于市区的供热电厂，为了增加电厂的容量，提高效率，减少污染的排放，该厂用2套MS6001B燃气轮发电机组、2套余热锅炉部分替代原有锅炉，利用原有的汽轮发电机组，进行了老电厂改造。随着“西气东输”的实施，输气管线沿线城市的热电厂均可以采用这种改造模式来改造热电厂。5、废气回收利用。通过多年努力，南汽和GE公司联合开发了PG6561B-L型49.35MW低热值气体燃料燃气轮机，将首先应用于通化钢铁集团有限责任公司和济南钢铁公司，利用该公司对空排放的高炉煤气，掺混少量的焦炉煤气，当然也可混入更少量的天然气，通过燃气/蒸汽联合循环发电，又供工业生活用热，经济效益显著。该燃气轮机还可广泛用于焦炉煤气、转炉煤气、煤矿的煤层气的回收利用，也可使用煤气化炉产生的低热值煤气，为我国低热值气体的高效利用提供了出路。该机的燃料只要其低热值大于1300kcal/Nm3即可。6、南汽机组已实践了多种燃料，如：1）轻柴油，如：深圳金岗电力有限公司、浙江绍兴电力有限公司、江苏常州常亚发电有限公司。2）重油，如：深圳南山热电有限公司、浙江宁波舜龙丰山发电有限公司、大连发电总厂。3）海洋石油伴生气，如：天津滨海电力有限公司。4）天然气，如：陕西省杨凌燃机热电厂。5）高炉煤气，如：通化钢铁集团有限责任公司。四、关于老电厂/热电厂改造为燃气/蒸汽联合循环热电厂问题1、前提条件良好1.1西气东输，给管线站线送来了优质燃料天燃气，就东南沿海地区的能源结构来讲，由于缺乏能源，煤供应不足，也迫切需要一定数量的天然气能源。1.2环保的要求越来越高，国家规定：火电厂烟囱二氧化硫和氮氧化物最高戏许排放浓度，目前一般燃机电厂已难以达到：如北京市为迎接奥运会，提出了更严格的规定，如氮氧化物的排放要求控制在300mg/m3（煤为燃料），200mg/m3（油或天然气为燃料），对二氧化硫的排放也提出了更高的规定，这就为发展燃气—蒸汽联合循环创造了先机。1.3计基[2000]1268号《关于发展热电联产的规定》，第七条各类热电联产机组应符合的热电比；燃气—蒸汽联合循环热电联产的热电比为大于30%，比常规的供热式汽轮发电机组热电比的指标低很多，这为目前现有的常规中小热电联产企业进行燃气—蒸汽联合循环改造提供了政策保证的前提。2、改造实例简介大连第一发电厂改造工程：大连第一发电厂地处大连市区内，承担着电厂附近地区的工厂、事业单位的工业用汽和民用采暖的任务，至1999年底采暖供热面积已达230万M2。随着大连市经济建设的迅速发展，在大连一厂附近兴建起一批商贸、会展、旅游及高科技开发区等大型建筑和高层民用建设，根据大连市区的总体规划，电厂供热区域内建筑将达到约360万M2，同时随着大连市城市环境保护要求的日益严格，一批效率低、污染严重的小锅炉相继停产，这样，城市的热负荷以及对集中供热的要求迅速增长，对大连一厂的供热量和可靠性也提出了更高的要求。而大连一厂由于其1号、2号机组运行多年，设备陈旧老化、效率低、油耗高，导致全厂经济效益差，因此，有必要对电厂进行技术改造，利用目前较先进的技术装备电厂，提高电厂的供热和发电能力，同时满足大连地区电网调峰、改善环境质量的要求，提高电厂的经济