淺談天然氣發電技術

何鵬飛

摘 要：近年來，人們對環境保護的重視程度越來越高，國家出臺若干政策來加強治理環境污染，對于作為發電行業中支柱的燃煤發電也采取了相應措施，小機組關停，相應地區新建燃煤電廠限批，天然氣發電作為一種低污染、高效率的發電方式迎來了發展的機遇。本文主要介紹了天然氣發電機組運行原理，簡述了天然氣聯合循環技術，及國內天然氣發電的概況。

關鍵詞：天然氣機組；聯合循環；國內；概況

一、天然氣機組發電簡介

經過長期發展，目前，世界上利用天然氣發電最為經濟高效形式為燃氣—蒸汽聯合循環發電（CCGT），這種方式可以提高天然氣發電的熱效率，與傳統火力發電的熱效率相比，燃氣—蒸汽聯合循環電的熱效率可以提高20%～30%。燃氣—蒸汽聯合循環的實質就是把燃氣輪機與蒸汽輪機結合，把“布雷頓循環”與“朗肯循環”組合形成一個總的循環。

（一）燃氣輪機

燃氣輪機是由壓氣機、燃燒室、燃氣透平三個主要部分組成。空氣進入壓縮機，經過壓氣機的壓縮進入燃燒室，與噴入的天然氣混合，經過燃燒后成為高溫燃氣，然后進入燃氣透平中做功，推動燃氣透平葉輪轉動的同時帶動發電機旋轉發電；燃氣經燃燒、做功后產生的高溫排氣排放至余熱鍋爐再利用，燃氣透平葉輪的轉動除了帶動發電機旋轉發電外，同樣會帶動壓氣機的轉動，燃氣輪機由靜止啟動時，需要起動機帶著旋轉，帶加速到能獨立運行后，起動機才能脫開。

（二）余熱鍋爐

通常余熱鍋爐由省煤器、蒸發器、過熱器以及聯箱和汽包等換熱管組和容器等組成，在有再熱器的蒸汽循環中，可以加設再熱器。燃氣輪機排出的高溫排氣經煙道輸送至余熱鍋爐入口，再流經再熱器、過熱器、蒸發器、省煤器和給水預熱器，溫度逐次降低，最后經煙囪排入大氣。燃氣輪機排氣溫度一般可以達到450～600℃左右，余熱鍋爐排煙溫度一般為 110～200℃，煙氣溫度從高溫降到排煙溫度所釋放出的熱量用來使水變成蒸汽。

鍋爐給水在給水預熱器中加熱后進入常壓除氧器，與從余熱鍋爐來的加熱蒸汽混合除氧，經水泵加壓進入低壓省煤器，加熱后進入低壓汽包。在低壓汽包中，一部分水在低壓蒸發器中循環加熱成飽和蒸汽，經低壓過熱器過熱后進入汽輪機的低壓缸；其余的水分別進入中、高壓省煤器，加熱到一定溫度后進入汽包。汽包中的水經過中、高壓蒸發器的循環加熱成為飽和蒸汽，經中、高壓過熱器過熱后進入汽輪機中、高壓缸。

（三）蒸汽輪機

蒸汽輪機的主要作用是把蒸汽熱能轉換成機械能。過熱蒸汽在噴嘴中發生膨脹，壓力下降，速度增加，熱能轉變為動能。汽流帶動葉輪旋轉，將氣流的動能轉化為汽輪機轉子的機械能，汽輪機轉子帶動發電機轉動發電。蒸汽在汽輪機中，以不同方式進行能量轉換，便構成了不同工作原理的汽輪機。

二、天然氣聯合循環基本理論

利用天然氣在燃氣輪機中直接燃燒做功，由燃氣輪機旋轉帶動發電機旋轉發電，此為單循環發電。在單循環發電的基礎上，把燃氣輪機產生的高溫排氣，經過余熱鍋爐的處理，產生高溫高壓蒸汽，推動蒸汽輪機帶動發電機發電，就成為了雙循環，即聯合循環發電。

從熱力學基本定律可以得出，熱力循環理想的熱效率只取決于循環吸熱及放熱平均溫度，提高吸熱平均溫度及降低放熱平均溫度都能達到提高循環熱效率的目的。理想狀態下的熱機循環熱效率可以表達為η=1- T2/T1，其中T1為吸熱平均溫度，T2為放熱平均溫度。目前純燃氣動力循環的燃氣輪機初溫可以達到1300～1500℃，但排氣溫度約有450～600℃，而對于純蒸汽動力循環來說，由于受到耐溫耐壓材料限制，進氣溫度一般只有500～600℃，但其循環放熱平均溫度很低。在燃氣—蒸汽聯合循環發電技術中，將燃氣輪機產生的高溫排氣送入到余熱鍋爐中，經余熱鍋爐再次燃燒后，使得余熱鍋爐內的水變為水蒸汽，并將水蒸汽引入汽輪機中做功，汽輪機的排汽再進入凝汽器中利用。從而增加了總輸出功率的同時又充分發揮了燃氣輪機循環吸熱平均溫度高和蒸汽輪機循環平均溫度低的優點，使整個循環的熱效率得以提高。

三、國內天然氣發電概況

燃氣——蒸汽聯合循環發電是一種效率高、污染少的發電方式，他具有效率高、投資少、建設周期短、啟停便捷、自動化運行程度高等優點。燃氣電廠其占地面積小，一般為燃煤電廠的50%左右。污染物排放量少，與同容量的傳統火力發電廠相比，氮氧化物排放量為其20%左右，二氧化碳為40%左右，可吸入顆粒物為5%左右，不需要為環保追加新投資。燃氣電廠的噪聲污染也比較小，對于現階段國內技術來說，F級燃氣輪機機組在距離設備1m處，噪音聲壓級可以控制在80～90dB（A）左右。燃氣電廠還有啟動快的優點，在18～20min內便能發出2/3的功率，80min內實現全功率輸出，適合用作調峰電源。在城市用電負荷中心建設天然氣電廠，從而實現就地供電，減輕電網輸電和電網建設的壓力的同時提高了電網運行的穩定性。

天然氣發電經濟性較差。關于天然氣電廠上網電價，2014年國家發展改革委下發了《國家發展改革委關于規范天然氣發電上網電價管理有關問題的通知》，要求各地天然氣發電上網電價具體管理辦法由省級政府價格主管部門制定，并對天然氣發電上網電價與氣價聯動調整的機制做出了指導意見，各地區的管理辦法也正在陸續出臺，這將對天然氣發電的經濟性有所改善。燃料費在天然氣發電機組中占比較大，天然氣的價格成為影響天然氣發電經濟性最重要的因素之一。2015年國內天然氣價格出現大幅下調，一定程度上降低了發電企業的發電成本。

用氣高峰和用電高峰的重合使得天然氣電廠的供氣可靠性存在風險。在我國，天然氣發電分為“調峰電廠”與“熱電聯產”兩類。調峰電廠一般在電網峰荷及腰荷運行，熱電聯產集發電與供熱于一體。氣源的短缺限制了天然氣電廠的發電量，對其盈利能力造成一定影響。

生態環境的制約下，我國天然氣發電需求空間廣闊。除了傳統火力發電外，我國核電受到容量限制，水電受到季節枯汛變化影響，風電及太陽能等可再生能源發電具有不穩定的特點，燃油發電的成本太高。各種發電方式相比較，天然氣發電或將成為燃煤發電的一種重要替代方式。

參考文獻：

[1] 吳創明.城市天然氣輸配方案的選擇[J].煤氣與熱力，2004年05期.

[2] 魯德宏.天然氣用戶需求特點及需求預測方法[J].國際石油經濟，2002年12期.