燃气发电在节能减排中的应用

产业论坛IndustryForum产业论坛IndustryForum新能源产业www.ehome.gov.cn1617科学研究ScientificResearch燃气发电在节能减排中的应用姜书石峰摘　要：介绍了燃气发电的技术方式，指出了现在的使用现状和应用前景。关键词：节能减排燃气蒸汽轮机内燃机燃气轮机　　随着全球气候变暖温室效应的日趋严重，节能减排是当今世界发展潮流的必然选择。同时《京都议定书》于2005年2月16日正式生效，该议定书中规定工业化国家将在2008到2012年间，使他们的全部温室气体排放量比1990年减少5%。目前全球已有141个国家和地区签署议定书，其中包括30个工业化国家。　　其中甲烷在大气中引起的温室效应比二氧化碳强20倍，如直接排入大气，造成的后果极其严重。同时它的热值很高，是很好的燃料。煤矿中的煤层气、焦炉煤气、高炉煤气等都是大气甲烷的重要排放源，因此，拓宽煤气的利用领域已变得非常紧迫。　　燃气发电是解决含有大量甲烷的重要排放源直接排入大气的手段，减轻温室效应带来的危害。这不仅仅是治理环境污染，更主要的是节约资源，提高能源利用效率，解决目前的电力、煤炭供应紧张局面，维持国家社会和经济的持续发展。　　我国目前的燃气发电技术可通过最传统的蒸汽轮机、以气体为燃料的往复式内燃机和燃气轮机三种技术方式得以实现。　　1.蒸汽发电机组由锅炉、凝汽式汽轮机和发电机组成。这是一个非常传统的技术，也是大家比较熟悉的工艺方式。即以燃气作为蒸汽锅炉的燃料产生高温高压蒸汽，带动汽轮机和发电机组发电。此技术成熟可靠，已在国内相关行业中广泛应用。对于燃料气体要求比较低，对燃料适应强，只要燃气燃烧器能够承受的气体，一般都可以适应，燃气只需要有限的压力，因而燃气处理系统投资比较简单，并且属于国内常规电站设计模式，电站的运行、维修、管理等方面国内都有一套可参考的成熟经验。但其工艺和设备复杂，投资相对较大，厂房结构复杂，建设周期比较长，难以再移动，能量转换少，水消耗量大，效率低。机组启动较慢，约需2小时以上，且低负荷运行对机组效率影响大。检修工作量大，需要的人员多，机组自耗电量达12％，机组综合热利用率仅为为20%左右。　　2.往复式内燃机包括火花点火式和压缩点火式内燃机。1876年，德国发明家奥托（Otto）运用罗沙的原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机，仍以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转平稳。经过10年的不断改进之后，德国的另一个机械师“奔驰汽车之父”戴姆勒•本茨才将这种四冲程发动机改进为汽油发动机。1892年，德国工程师狄塞尔（Diesel）受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机(柴油机)于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。内燃发动机热效率高，燃料气的入口压力低，由于内燃机气缸内的核心区域工作温度可以达到1400℃，使其效率大大超过了蒸汽轮机，甚至燃气轮机。燃气内燃机的发电效率通常在30％～40％之间，比较常见的机型一般可以达到35％。燃气内燃机最突出的优点正是发电效率比较高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低。但一次性投资高，维修费用昂贵，投入使用后需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发电机组台数的办法，来消除利用率低对其运行造成的影响。同时对于低热值燃料，机组出力明显下降。燃气内如含有腐蚀性成分时，可能会对内燃机设备造成腐蚀，需要采取一些必要措施加以克服。总之，内燃机是一种比较合适的技术选择。国外的卡特彼勒和GE颜巴赫等公司的内燃机组已经具备相当成熟的技术和丰富的运行经验，并且已在国内煤层气发电等领域中投入使用。在山西，60台卡特彼勒G3520系列的发电机组已交付给中国山西省晋城市的寺河煤矿。该项目预计将成为同类发电项目的世界之最。目前国内也已经有厂家可以提供相应的机组，如济南柴油机厂等。　　3.燃气轮机燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，它通过压气机涡轮将空气压缩，高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，急遽膨胀做功，推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电，因为是旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体。燃气发电机组是由燃气发动机、发电机、控制屏等主要部件组成的。燃气轮机比较适用于高含氢低热值和气体含杂质较多的劣质燃料，一些燃气轮机甚至使用原油和高硫渣油燃料，因此燃气发动机以天然气、井口伴生气、煤矿瓦斯气、水煤气、炼化尾气、沼气、焦炉煤气、高炉煤气、污水处理气等多种可燃性气体作为燃料，广泛应用于如油田、煤矿、煤气公司、化肥科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch新能源产业www.ehome.gov.cn1819厂、焦化厂、污水处理厂等有燃气源的地区和单位，作为生产动力用电或并网发电。燃气轮机自身的发电效率不算是很高，一般在30％～35％之间，但是产生的废热烟气温度高达450～550℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机——蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到45%~50%，一些大型机组甚至可以超过55％。采用燃气轮机的优势相对比较多，首先是设备的可用性和可靠性都比较高，综合利用率一般可以保持在90％；其次，对于燃料的适应性比较强，含硫、含尘高一点问题都不大；再有就是发电出力一般不会减少，甚至因为燃料进气量增加而有所增加；此外，燃气轮机设备紧凑、占地少、效率高、效益好，并且燃气发电机组具有启动迅速操作简便，并设有自动保护系统、可实现无人值守，是节能、环保型动力设备。但世上没有十全十美的事情，燃气轮机检修时必须运回制造厂检修，因此需要较多的备品备件，同时要求操作工人有较高的技术素质。燃气轮机燃料进气压力要求比较大，并且越是发电效率高的机组燃料进气压力越高，再加上燃气本身可能没有什么压力时，这就需要使用燃气压缩机，增加燃气增压调节输送系统，压缩燃气需要消耗大量的能量，影响到设备的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗燃气轮机15%~20%的功率，对于联合循环项目达到影响可能是10%~15%的输出功率；如采用燃气轮机——蒸汽轮机联合循环系统存在与蒸汽轮机相同的水资源条件要求，系统比较复杂，投资也比较大，同时搬迁也比较困难。燃气轮机在我国燃气发电方面上已经取得了不少的成功经验。GE公司，阿尔斯通公司，索拉公司等国外燃气轮机公司机组均已在国内相关行业内投入使用，以其成熟的技术和设备稳定可靠的性能，在国内燃气发电领域占有一席之地。同时国内的燃气轮机生产厂家也在不断的吸取经验技术，不断的研发创新，全力打造属于中国人自己的燃气轮机。中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司成功的研制生产出我国首台完全拥有自主知识产权的产品QD128轻型燃气轮机，现已投入市场。国家“十五”、“863”项目——R0110重型燃气轮机，也已在调试阶段，R0110是中国自主研制的第一台重型燃气轮机，它的研制成功预示着中国将成为世界上第五个具备重型燃气轮机研制能力的国家。这对于提高中国的综合国力具有积极推动作用。国内生产的燃气轮机还包括大量的航空改型机组，航空改型机组主要以株洲南方航空公司的涡桨6发动机和沈阳黎明公司的涡喷6发动机为主。株洲南方航空公司采用涡轮螺旋桨燃气发动机改进的QDR20燃气轮机发电机组已经在国内焦化行业投入使用多年，技术已日趋成熟，设备性能稳定可靠。同时其性价比高，具有投资少，见效快的特点，产生的社会效益及企业内部效益较大，经济效益明显，具备很强的市场竞争力。　　燃气热电联产和热电联合循环系统既减轻了当地的环境污染，达到减排的目的，同时使能源的利用率大幅度提高，又达到了节能的目的，形成社会效益和经济效益双赢的局面。　　热电联产是热能和电能联合生产的一种高效能源生产方式，发电的同时，为工业和家庭提供廉价的取暖用热，与热电分产相比，可以显著提高燃料利用率。随之出现的冷热电三联供，是传统热电联产的一种进化和发展。同时向用户输出冷、热、电能。它从20世纪80年代开始发展，到现在已经成为一种技术成熟的能源供应方式。冷热电三联供被视为21世纪最具经济潜力的组合方式。上述三种技术方式均可以实现热电联产。以燃气轮机发电机组为例，见下图。科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch新能源产业www.ehome.gov.cn1819　　热电联合循环燃气轮机——蒸汽轮机联合循环：这是世界各国最为鼓励的发电方式。首先由燃气轮机对燃气进行首次能源利用，燃气经加压后去燃气轮机燃烧并驱动发电机发电。燃烧后排出的烟气排入余热锅炉以回收能量，余热锅炉产出蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机推动蒸汽轮机作功发电（蒸汽也可直接进入厂区蒸汽管网以供生产和生活使用），并将功后乏汽进入凝汽器，通过凝结水泵经过相关工艺处理后再次送入余热锅炉，也可将乏汽直接用于供热。燃气轮机—蒸汽轮机热电联合循环的整体效率高，有效能量转换率高，因此经济效益也较好。　　结束语现今开发清洁能源和推进节能减排是全球应对能源与环保问题、实现可持续发展的主课题。燃气发电适应这一新形势，充分利用煤层气、焦炉煤气、高炉煤气等可燃气体为燃料，产生新型绿色环保动力，具备变废为宝、运行安全方便，成本效益高。既符合国家节能减排的有关政策，保护了环境，同时形成了资源综合利用的分布式能源格局，更有利于缓解目前的资源供应紧张的局面。参考文献[1]中国煤层气资源的勘探、开发和利用．中国21世纪议程[2]中国天然气发电前景广阔．中国机电日报．2001.08.01[3]黄庆宏.汽轮机与燃气轮机原理及应用.东南大学出版社．2005.[4]焦树建.于目前世界上IGCC发展情况与趋势的评论．燃气轮机技术．2004.[5]袁亮.中国煤矿区煤层气清洁发展机制项目开发理论与实践.煤炭工业出版社．2008.