海洋工程技术论文(2)
燃气轮机在热电联产项目中的应用分析
摘要:
燃气轮机是21世纪乃至更长时间内能源高效转换和清洁利用系统的核心动力设备。介绍了燃气轮机的发展现状及其在热电联产项目中的应用，简述了联合循环和简单循环燃气轮机电厂的基本组合方式，并列举了目前应用于热电联产项目的几种主要燃气轮机。阐述了燃气轮机相对于常规火电机组的优势，分析了影响燃气轮机在热电联产项目中推广的因素，并对燃气轮机在我国的发展进行了展望。
关键词:
燃气轮机；联合循环发电厂；废热发电
中国图书馆分类号:TK 479文献识别码:a。
燃气轮机在供热中的应用分析
热电联产项目
孙佩凤，江志强
(1.中国联合工程公司，中国杭州310022；
2.中国华电集团公司，中国北京100031)
摘要:
燃气轮机是21世纪乃至更长时期高效清洁能源系统的核心设备。介绍了燃气轮机的发展现状及其在热电联产项目中的应用。简要介绍了燃气轮机在热电联产项目中的两种应用形式，即简单循环燃气轮机电厂和联合循环电厂，并列举了目前热电联产项目中广泛使用的燃气轮机。阐述了燃气轮机电站相对于常规燃煤机组的优势，分析了影响燃气轮机应用的因素。此外，对燃气轮机在中国的发展前景进行了评估。
关键词:
燃气轮机；联合循环发电厂；热电联产
燃气轮机由压缩机、燃烧室、涡轮、控制系统和辅助设备组成。燃气轮机的设计基于布莱顿循环。压缩机(即压缩机)不断从大气中吸入空气并压缩。压缩空气送入燃烧室，与注入的天然气混合，点火燃烧；燃烧后产生的高温烟气立即流入燃气轮机膨胀做功，推动涡轮带动压气机叶轮一起旋转。被加热的高温气体的做功能力显著提高。因此，在涡轮驱动压缩机的同时，仍有剩余功作为燃气轮机的输出功。
由于燃气轮机的工质是高温烟气而不是蒸汽，因此可以省去锅炉、冷凝器、水处理等大型设备。因此，燃气轮机电站附属设备少，系统简单，占地面积小。
燃气轮机可分为三类:重型燃气轮机、工业燃气轮机和航空改型燃气轮机。重型燃气轮机零部件重，大修周期长，使用寿命超过65438+万h，主要用于满足城市公共电网的需要。比如日立的H25和H80系列燃机，通用电气的F级燃机，西门子的SGT-8000系列燃机，三菱的M701系列燃机和阿尔斯通的GT系列重型燃机等。工业燃气轮机结构紧凑，一般材质好，效率高。如Sola的T130燃机，西门子的SGT-800燃机，在热电联产项目中经常使用。航空改装燃气轮机是由航空发动机改装而成的燃气轮机，广泛应用于航空领域，也用于发电及相关工业领域，如通用电气的LM系列航空改装燃气轮机。航空改型燃气轮机结构最紧凑，最轻，效率最高，但使用寿命短[65438+]
燃气轮机自20世纪30年代诞生以来发展迅速。当今世界最新的G型燃气轮机和H型燃气轮机，单机功率为292~334 MW，发电热效率达到了39.5%。其中，G型燃气轮机组成的联合循环单机功率可达489 MW，发电热效率可达58.7%。H型燃气轮机组成的联合循环机组热效率可达60% [3-5]。由H型燃气轮机组成的联合循环机组是目前火电循环效率最高的大型商用发电方式。而且与以煤为燃料的蒸汽轮机相比，燃气轮机具有重量轻、体积小、效率高、污染小、启停灵活等优点。燃气轮机发电机组可以在没有外部电源的情况下快速启动。操控性好。广泛应用于电网中驱动高峰负荷，作为应急备用电源，也可承载中间负荷，能更好地保障电网安全运行[6]。
国内外科学界和工业界已经认识到，燃气轮机将是21世纪乃至更长时间内能源高效转换和清洁利用系统的核心动力设备。燃气轮机在热电联产项目中的应用模式。38660.88868888666
燃气轮机在热电联产项目中的应用形式主要有两种:一种是燃气轮机联合循环热电厂；另一个是燃气轮机简单循环热电厂。
燃气轮机联合循环热电厂由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机(背压式、反抽式或凝汽式)和发电机组成。燃气轮机排出的高温烟气通过余热锅炉回收烟气中的热量，得到高温蒸汽，注入汽轮机发电。汽轮机的乏汽或在汽轮机中做功后抽出的部分蒸汽用于供热，形式如下:燃气轮机和汽轮机同轴推动发电机的单轴联合循环；燃气轮机和蒸汽轮机推动各自发电机的多轴联合循环。单轴燃气轮机联合循环电厂比较大，比如通用电气的9F系列机组。多轴联合循环机组常见于中小型燃气轮机联合循环电厂。因此，对于电厂规模相对较小的热电联产项目，往往选择多轴燃气轮机联合循环机组。
燃气轮机简单循环热电厂由燃气轮机和废热锅炉组成。这种类型的燃气轮机热电厂不配备汽轮机，而是通过余热锅炉直接向外界供热。因此，这种类型的燃气轮机热电厂的热效率比联合循环燃气轮机热电厂低，大约30% ~ 35%。在热电比和供热成本方面，简单循环燃气轮机热电厂也低于联合循环燃气轮机热电厂[7]。
可以看出，燃气轮机联合循环可以大大提高电厂的整体热效率，即使是由燃气轮机和余热锅炉组成的没有汽轮机的简单循环燃气轮机电厂，其发电效率也比常规的小型燃煤火电厂要高。
2热电联产项目中燃气轮机的选型
热电联产项目接踵而至？以热定电？原则上首先满足外部对蒸汽负荷的需求，一般发电需求比较小。因此，对于热电联产项目，大功率重型燃机的使用相对较少，往往会配备一些中小型燃机。
世界上主要的中小型燃机有:Sola的T130燃机；日立H25和H80燃气轮机；通用电气公司的6F和LM系列航空改型燃气涡轮发动机:西门子SGT-800燃气轮机。各型号主要技术参数见表1(见下页)(表中数据来自各燃机厂家的产品说明书，会因计算的天然气热值等参数而略有变化)。
表1中小型燃气轮机相关性能参数
Tab.1
一些燃气轮机的性能参数
表1中，H25、H80、6F为重型燃气轮机；SGT-800和T130为工业燃气轮机；LM6000是一种航空改型燃气轮机。从表1可以看出，工业和航空改型燃气轮机的单机发电效率明显高于重型燃气轮机，但燃气轮机的排气温度相对较低。由于排入余热锅炉的高温烟气中含有的热量相对较少，工业和航空改型燃气轮机联合循环火力发电厂的整体发电效率较低[8-9]。简单循环燃气轮机热电厂
对于装有汽轮机的燃气轮机联合循环，重型燃气轮机的烟气温度高于工业燃气轮机和航空改型燃气轮机，排入余热锅炉的高温烟气含有相对更多的热量，余热锅炉也产生更多的高温高压蒸汽用于汽轮机发电。因此，重型燃气轮机联合循环的整体发电效率高于工业燃气轮机和航空改型燃气轮机。大多数燃气轮机联合循环火电厂选择重型燃气轮机。
从能量的充分利用和梯级利用的角度来看，燃气轮机联合循环热电厂比燃气轮机简单循环热电厂更有优势。目前，我国燃气轮机热电联产项目多选用重型燃气轮机组成的燃气轮机联合循环热电厂，如浙江某热电厂采用6F级燃气轮机匹配余热锅炉和汽轮机，组成燃气轮机联合循环机组对外供热供电，燃气轮机联合循环热电厂整体热效率约为60%。
但对于一些对占地面积有严格要求的场合，如海上油气平台井，一般可以选择结构紧凑、效率高的工业燃气轮机或航空改型燃气轮机。
具体燃机型号的选择可根据各项目的实际情况，如外部供热参数及供热、装机容量、机组数量、占地面积、整体热效率等进行分析计算确定。
3燃气轮机联合循环热电联产项目相对于常规热电联产的优势[10]
与传统的燃煤小火电热电联产电厂相比，燃气轮机联合循环热电厂的优势主要包括:
(1)高效:燃气轮机联合循环热效率达到甚至超过60%，是一般常规火电机组无法比拟的，甚至高于目前最先进的超超临界机组，居各类火电机组之首。
(2)单位成本低:燃气轮机联合循环机组的单位容量成本约为400美元？KW-1，而常规火电机组成本600 ~ 1，000美元？kW-1；如果我国国产燃气轮机的制造加工水平进一步提高，燃气轮机联合循环机组的单位容量成本仍有很大的下降空间。
(3)低排放:燃气轮机联合循环不排放SO2、飞灰和灰渣；氮氧化合物的排放量也很低，一般达到49.20毫克？M-3，甚至按要求低于30.75 mg？M-3水平，CO2排放量可为11.25毫克？m-3；环保性能优于现有火电机组。
(4)节水:燃气轮机联合循环机组以发电为主，燃气轮机发电机的功率占总容量的70%。联合循环机组的耗水量约为常规燃煤机组的1/3。这在一些缺水地区尤为重要。如果选择带燃气轮机和余热锅炉的简单循环，整个电厂的冷却水需求量将比常规火电厂大大减少。
(5)节地:燃气轮机联合循环机组不需要储煤场和输煤设施，占地面积仅为带脱硫装置的常规火电厂的1/3。这在城市和市区边缘的供热电厂尤为重要。(6)建设周期短:燃机联合循环机组最适合模块化设计，燃机各组成模块可在工厂生产，运到现场吊装，大大缩短了燃料气。
(7)调峰性能好:通过余热锅炉的旁路烟囱，在不运行汽轮机和发电机组的情况下，燃气轮机和发电机组的负荷可在20分钟内达到100%，燃气轮机和发电机组的负荷约占整个燃气轮机联合循环电厂额定负荷的70%，保证了燃气轮机联合循环良好的调节性能，实现了机组的日起夜停和调峰功能。
(8)运行维护人员少:由于燃气轮机联合循环电厂自动化程度高，采用了先进的控制系统，对电厂员工数量的需求大大减少。一般同等容量的常规燃煤电厂，20% ~ 25%的员工就够了。
4影响燃气轮机在热电联产项目中推广的主要因素
燃气轮机联合循环电厂在国外已得到广泛发展，近年来在美国电力市场占据重要地位，欧洲的燃气轮机联合循环电厂也取得了长足的发展。目前，我国燃气轮机联合循环电厂能否大力推广和发展，主要受制于以下三个因素:
(1)中国能为燃气轮机发电行业提供多少天然气资源；目前，我国部分燃气轮机联合循环电厂受燃料供应限制，年运行时间远不及常规燃煤机组。
2012，用？西气东输？当二线的最后几条干线建成并投入运营后，整条输气管道每年将输送300亿立方米的天然气。甚至未来可能在中国规划建设？四行？还是？五号线？进一步促进天然气从西部地区输送到东部地区开发利用。
此外，海上天然气(东海和南海)的开发以及从沿海港口城市进口液化天然气(LNG)也扩大了联合循环发电的供气条件。华北、东北、西北三大煤层气资源储量已探明，将逐步开采。
随着天然气气源渠道的拓展，燃气轮机联合循环电厂的应用范围将大大突破西气东输管网和海上天然气的影响区域。
(2)如何合理确定天然气价格，使燃气轮机联合循环发电的成本能够与污染严重的以煤为燃料的常规火电竞争。
必须指出的是，天然气的价格对燃气轮机和联合循环的运行成本有决定性的影响。在燃气轮机的三大发电成本(设备折旧费、机组运行维护费和燃料费)中，燃料费的比重高达60% ~ 65%。即使在天然气原产地，运输过程成本大大降低，天然气价格也比东南沿海地区便宜，其成本仍占燃气轮机发电成本的比例非常高[4]。
目前，作为工业企业和城市基础设施的重要组成部分，许多中小型燃煤火电厂通常位于城市或郊区，这必然会对当地的大气环境质量产生很大影响。中小型燃煤火电厂改造为燃气轮机联合循环火电厂，对当地环境质量的改善效果非常明显，最容易被民众接受和支持。
火力发电厂的燃料由煤改为天然气。虽然合理调整了能源结构，提高了能源利用效率，减少了煤炭运输中的损耗和浪费，但对于燃机联合循环火电厂来说，燃料成本势必会增加，所以争取群众和企业的理解和参与，是解决天然气市场与成本关系的合理途径。
政府在制定燃气轮机联合循环热电厂的上网电价和供汽价格时，应考虑燃气轮机的环保效益，适当提高上网电价和供汽价格，也是对天然气高成本的一种消化。
(3)从长远来看，我国燃气轮机整体行业水平的提高是决定我国燃气轮机和联合循环电厂能否大力推广的重要因素。
燃气轮机的发展水平代表了一个国家重大装备制造业的整体水平。目前，我国燃气轮机技术水平与世界先进水平还有较大差距。燃气轮机的核心部件依赖进口，燃气轮机的每次大修费用都很高。如果部分燃气轮机只能运回美国等发达国家，成本会更高。
近年来，为了促进燃气轮机行业的发展，根据？市场换技术？中国燃气轮机电站项目规划批量建设的原则？捆绑？招标采购模式是国外先进的燃机制造企业与国内制造企业相互联合，组成联合体，对燃机联合循环电站项目进行竞争性招标，以吸收和引进国外先进技术。在这个过程中，中国同时从世界三大电力集团(通用电气、西门子、三菱)引进了F级重型燃气轮机。在燃气轮机设备制造国产化和国内燃气轮机技术发展方面取得了良好的成绩。在吸收引进国外先进燃气轮机技术的基础上，逐步实现了燃气轮机联合循环电站设备研发的国产化、国产化和知识产权自主化[11-65438+。
2008年，我国具有完全自主知识产权的110mw r 0110燃气轮机点火并通过实验验证。其性能接近目前国际先进的F级燃机，对我国燃机设计、制造和加工的整体水平是一个很大的提升[13-65433]
目前，我国燃气轮机技术水平与国际先进水平的差距正在缩小，我国燃气轮机在自主研发、制造等方面取得了长足进步。9月12，12，上海市科委重大专项？高温合金叶片制造技术研究？通过专家验收，这标志着我国在燃气轮机核心部件国产化、自主生产的道路上迈出了坚实的一步。
从制约燃气轮机联合循环电站发展的三个因素和我国目前的相应情况可知，我国大力发展燃气轮机联合循环电站的条件已经具备，在不久的将来燃气轮机联合循环电站的快速发展将成为可能。
5摘要
实现节能减排，提高能源利用率，是中国能源结构调整的目标。随着天然气资源的开发利用和液化天然气资源的引进，我国燃气轮机联合循环机组的数量将不断增加。燃气轮机联合循环以其高效、清洁、灵活的特点，必将成为我国未来大力发展的一种电厂类型。
目前可用于热电联产的中小型燃气轮机的容量和整个热电厂的供热能力已经非常接近我国广泛使用的汽轮机火电机组的规格。因此，在不改变外部系统，增加发电容量，不间断供热发电的前提下，可以在短时间内实现热电厂以气代煤的改造，投资少，电、热费用合理。这也是燃气轮机联合循环热电厂大力推广的现实条件。
总之，燃气轮机联合循环机组在我国电力工业中的作用将逐步增强，燃气轮机联合循环火电厂的发展任重道远，但前景十分光明。
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