輪機工程技術論文(2)
燃氣輪機在熱電聯產工程中的應用狀況分析
摘要：
燃氣輪機是21世紀乃至更長時間內能源高效轉換與潔凈利用系統的核心動力裝備.介紹了燃氣輪機的發展現狀及其在熱電聯產工程中的應用，簡述了聯合循環和簡單循環燃氣輪機電廠的基本組合方式，並列舉了目前應用在熱電聯產工程中的幾種主要的燃氣輪機.闡述了燃氣輪機相對於常規火電機組的優點，分析了影響燃氣輪機在熱電聯產工程中推廣的因素，並對我國燃氣輪機的發展前景進行了展望.
關鍵詞：
燃氣輪機; 聯合循環電廠; 熱電聯產
中圖分類號： TK 479文獻標誌碼： A
Analysis of the application of gas turbines in heat and
power cogeneration projects
SUN Peifeng， JIANG Zhiqiang
(1. China United Engineering Corporation， Hangzhou 310022， China;
2. China Huadian Corporation， Beijing 100031， China)
Abstract：
The gas turbine is the core equipment of highefficiency clean energy systems in the 21st century and even longer period of time. The current situation of gas turbine development and its application in heat and power cogeneration projects were showed in this paper. Two types of application of gas turbines in heat and power cogeneration projects were briefly introduced， namely， the simple cycle gas turbine power plant and the combined cycle power plant， and gas turbines widely used at present in heat and power cogeneration plants were enumerated. The advantages of the gas turbine plant compared with conventional coalfired power units were described and factors which could influence the application of the gas turbine were analyzed. In addition， the prospects for the development of gas turbines in China were evaluated.
Key words：
gas turbine; combined cycle power plant; heat and power cogeneration
燃氣輪機由壓氣機、燃燒室、透平、控制系統和輔助設備組成.燃氣輪機的設計是基於布萊頓循環.壓氣機(即壓縮機)連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮;壓縮後的空氣送入燃燒室，與噴入的天然氣混合，並點火燃燒;燃燒後產生的高溫煙氣隨即流入燃氣透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機葉輪壹起旋轉.加熱後的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因此，透平在帶動壓氣機的同時，還有余功作為燃氣輪機的輸出功輸出.
由於燃氣輪機的工質是高溫煙氣而不是水蒸氣，故可省去鍋爐、冷凝器、給水處理等大型設備.因此，燃氣輪機電廠附屬設備較少，系統簡單，占地面積較少.
燃氣輪機可分為重型燃氣輪機、工業型燃氣輪機和航改型燃氣輪機三類.重型燃氣輪機的零件較為厚重，大修周期長，壽命可在10萬h以上，主要用於滿足城市公用電網需求，例如日立的H25和H80系列燃氣輪機、通用電氣的F級燃氣輪機、西門子的SGT-8000系列燃氣輪機、三菱的M701系列燃氣輪機和阿爾斯通的GT系列重型燃氣輪機等.工業型燃氣輪機的結構緊湊，所用材料壹般較好，燃氣輪機的效率較高，例如索拉的T130燃氣輪機和西門子SGT-800燃氣輪機，常用於熱電聯產工程.航改型燃氣輪機是由航空發動機改裝而成的燃氣輪機，在航空領域運用較多，但也有應用於發電及相關工業領域，例如通用電氣的 LM 系列航改型燃氣輪機等.航改型燃氣輪機的結構最緊湊，最輕巧，效率最高，但壽命較短[1-2].
燃氣輪機自上世紀30年代誕生以來發展迅速.當今國際上最新型的G型燃氣輪機和H型燃氣輪機，單機功率已達到292～334 MW，發電熱效率已達到39.5%.其中，由G型燃氣輪機組成的聯合循環單機功率可達489 MW，發電熱效率可達58.7%;由H型燃氣輪機組成的聯合循環機組的發電熱效率可達60%[3-5].H型燃氣輪機組成的聯合循環機組是目前已掌握的熱-功循環效率最高的大規模商業化發電方式.不僅如此，燃氣輪機與以煤為燃料的蒸汽輪機相比，它具有重量輕、體積小、效率高、汙染少、啟停靈活等優點.燃氣輪機發電機組能在無外界電源的情況下迅速啟動，機動性好.在電網中用它帶動尖峰負荷和作為緊急備用電源，還能攜帶中間負荷，能較好地保障電網的安全運行，所以得到廣泛應用[6].
國內外科技界與產業界已經認識到燃氣輪機將是21世紀乃至更長時期內能源高效轉換與潔凈利用系統的核心動力裝備. 1燃氣輪機在熱電聯產工程中的應用方式
燃氣輪機在熱電聯產工程中的應用形式主要有兩種：壹種是燃氣輪機聯合循環熱電廠;另壹種是燃氣輪機簡單循環熱電廠.
燃氣輪機聯合循環熱電廠由燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機(背壓式、抽背式或者抽凝式)和發電機***同組成.燃氣輪機排出的做功後的高溫煙氣通過余熱鍋爐回收煙氣中的熱量而得到高溫水蒸氣，水蒸氣註入蒸汽輪機發電.蒸汽輪機的排汽或者部分在蒸汽輪機中做功後的抽汽用於供熱，形式有：燃氣輪機、蒸汽輪機同軸推動壹臺發電機的單軸聯合循環;燃氣輪機、蒸汽輪機推動各自的發電機的多軸聯合循環.單軸的燃氣輪機聯合循環電廠規模較大，例如通用電氣的9F系列機組.而多軸的聯合循環機組常見於中小型的燃氣輪機聯合循環電廠.因此，對於電廠規模相對較小的熱電聯產工程來說，常選擇多軸的燃氣輪機聯合循環機組.
燃氣輪機簡單循環熱電廠由燃氣輪機和余熱鍋爐組成.該類型燃氣輪機熱電廠不配置蒸汽輪機，通過余熱鍋爐直接對外供熱.因此該類型燃氣輪機熱電廠發電熱效率相對聯合循環燃氣輪機熱電廠較低，約為30%～35%之間;熱電比和供熱成本的指標方面，簡單循環燃氣輪機熱電廠也低於聯合循環燃氣輪機熱電廠[7].
由此可見，燃氣輪機聯合循環可大大提高發電廠整體發電熱效率.即使只有燃氣輪機和余熱鍋爐組成的不配置蒸汽輪機的簡單循環燃氣輪機發電廠，其發電效率也高於常規的小型燃煤熱電廠.
2熱電聯產工程中燃氣輪機機型選擇
熱電聯產工程遵循?以熱定電?原則，首先滿足外界對蒸汽負荷的需求，壹般對發電量的需求相對較少.因此，對於熱電聯產工程來說，大功率的重型燃氣輪機使用相對較少，常配置壹些中小型的燃氣輪機.
世界主要的中小型燃氣輪機有：索拉的T130燃氣輪機;日立的H25和H80燃氣輪機;通用電氣的6F和LM系列的航改型燃氣輪機;西門子的SGT-800燃氣輪機.各機型的主要技術參數如表1(見下頁)所示(表中數據來自各個燃氣輪機廠家產品宣傳手冊，且會因計算的天然氣熱值等參數變化而發生微小的變化).
表1各中小型燃氣輪機相關性能參數
Tab.1
Performance parameters of some gas turbines
表1中，H25，H80 和6F為重型燃氣輪機;SGT-800和T130為工業型燃氣輪機;LM6000為航改型燃氣輪機.從表1可知，工業型和航改型燃氣輪機單機發電熱效率相對重型燃氣輪機的單機發電效率明顯更高，但燃氣輪機的排煙溫度相對較低.由於排到余熱鍋爐的高溫煙氣所包含的熱量相對較少，因此對於整個聯合循環熱電廠，工業型和航改型燃氣輪機聯合循環熱電廠的整體發電熱效率反而低些[8-9].簡單循環的燃氣輪機熱電廠若選擇工業型燃氣輪機及航改型燃氣輪機，其熱電廠發電熱效率會較高.
對於配置蒸汽輪機的燃氣輪機聯合循環，重型燃氣輪機因其排煙溫度較工業型燃氣輪機和航改型燃氣輪機高，排到余熱鍋爐的高溫煙氣所包含的熱量相對較多，余熱鍋爐產出的供蒸汽輪機發電用的高溫高壓的蒸汽也更多.因此，重型燃氣輪機聯合循環整體發電熱效率比工業型燃氣輪機和航改型燃氣輪機聯合循環的發電熱效率高.燃氣輪機聯合循環熱電廠中大多選擇重型燃氣輪機.
從能量的充分利用和逐級利用角度講，相比於燃氣輪機簡單循環熱電廠，燃氣輪機聯合循環熱電廠更具有優勢.目前我國燃氣輪機熱電聯產工程中，大多選擇重型燃氣輪機組成的聯合循環燃氣輪機熱電廠，如浙江省的某熱電廠，采用6F級燃氣輪機匹配余熱鍋爐和蒸汽輪機組成燃氣輪機聯合循環機組對外供熱供電，燃氣輪機聯合循環熱電廠整體發電熱效率約60%.
但是對於某些對占地面積有嚴格要求的場合，如海上油氣平臺井等，壹般可選擇結構緊湊、效率高的工業型燃氣輪機或者航改型燃氣輪機機.
具體燃氣輪機機型的選擇可根據各工程的實際情況進行分析、計算、確定，如熱電廠的對外供熱參數和供熱量、裝機容量、機組數量、占地面積、整體熱效率等.
3燃氣輪機聯合循環熱電聯產工程相對於常規火力發電熱電聯產的優勢[10]
相對於常規燃煤的小型火力發電的熱電聯產電廠，燃氣輪機聯合循環熱電廠的優勢主要有：
(1) 高效：燃氣輪機聯合循環的發電熱效率已經達到甚至突破60%，這是壹般常規火電機組無法比擬的，甚至高於目前最先進的超超臨界機組而穩居各類火電機組之首.
(2) 單位造價低：燃氣輪機聯合循環機組單位容量造價約400美元?kW-1，而常規火電機組造價為600～1 000美元?kW-1;若我國國產燃氣輪機的制造加工水平進壹步提升，燃氣輪機聯合循環機組單位容量造價還有非常大的下降空間.
(3) 低排放：燃氣輪機聯合循環不排放SO2以及飛灰和灰渣;NOx的排放量也非常低，壹般都可以達到49.20 mg?m-3以下，甚至可以根據需要達到小於30.75 mg?m-3的水平，CO2的排放量可以做到11.25 mg?m-3;環保性能居於現有各種火電機組之上.
(4) 節水：燃氣輪機聯合循環機組以燃氣輪機發電為主，燃氣輪機發電機功率占總容量的70%，聯合循環機組所需用水量約為常規燃煤機組的1/3.這在某些缺水的地區顯得尤為重要.若選擇燃氣輪機和余熱鍋爐配置的簡單循環，整個電廠對機組冷卻水量的需求相對於常規火電廠的冷卻水量更是大幅度減少.
(5) 省地：燃氣輪機聯合循環機組因附屬設備較少，無需儲煤場、輸煤設施，占地面積僅為加脫硫裝置的常規火電廠的1/3.這在城市邊緣及城區的供熱電廠顯得尤為重要. (6) 建設工期短：燃氣輪機聯合循環機組最適合模塊化設計，燃氣輪機各部件模塊可工廠化生產，運至現場吊裝，因而大大縮短了燃氣輪機電廠的建設工期.
(7) 調峰性能好：通過余熱鍋爐的旁路煙囪，不運行蒸汽輪機及發電機組的情況下，壹般在20 min 內就能達到燃氣輪機及發電機組的100%負荷，而燃氣輪機及其發電機組負荷占整個燃氣輪機聯合循環電廠額定負荷的70%左右，這保證了燃氣輪機聯合循環的良好調控性能，實現機組的日啟夜停和調峰功能.
(8) 操作運行和維護人員少：因為燃氣輪機聯合循環電廠自動化程度高，采用先進的控制系統，電廠對員工數量的需求大幅下降.壹般情況下占同容量常規燃煤電廠人員的20%～25%就足夠了.
4影響燃氣輪機在熱電聯產工程中推廣的主要因素
燃氣輪機聯合循環電廠在國外已經得到了普遍發展，近幾年已占據美國電力市場的重要地位，歐洲的燃氣輪機聯合循環電廠也獲得了長足的發展.目前我國燃氣輪機聯合循環電廠能否獲得大力推廣和發展，主要受制於如下三個因素：
(1) 我國能提供多少天然氣資源供燃氣輪機發電工業使用;當前國內已有部分燃氣輪機聯合循環電廠因受制於燃料供應，每年運行的時間遠遠少於常規燃煤機組.
2012年，隨著?西氣東輸?二線最後幾條幹線的建成投產，整個輸氣管道實現每年輸氣300億m3.未來中國甚至有可能規劃修建?四線?或者?五線?，進壹步便於西部地區的天然氣輸送到東部地區開發利用.
另外，海上(東海、南海)天然氣的開發、沿海港口城市液化天然氣(LNG)的進口，也為聯合循環發電擴充了氣源供應條件.國內已經探明了華北、東北、西北三大煤層氣資源儲量，並將逐步開采.
隨著天然氣來源渠道的擴大，燃氣輪機聯合循環電廠的應用範圍將大大突破西氣東輸管網和海上天然氣所能影響的地區.
(2) 如何合理確定天然氣價格，使燃氣輪機聯合循環發電成本能夠與嚴重汙染的以煤為燃料的常規火電相競爭.
必須指出，天然氣的價格對燃氣輪機及聯合循環的運行成本有著決定性的影響.在燃氣輪機三項發電成本的組成中(設備折舊成本、機組運行維護成本、燃料成本)，燃料成本的比例高達60%～65%，即使在天然氣的產地，運輸過程費用大為降低，天然氣價格相對東南沿海地區更加便宜，其成本占燃氣輪機發電成本的比例仍然是非常高的[4].在天然氣價格居高不下的今天，燃料成本高已經成為制約燃氣輪機發電大力推廣的壹個關鍵性因素.
當前，作為工業企業及城市基礎設施的重要組成部分的許多中小型燃煤熱電廠，通常地處城市之中或者城市郊區，因此不可避免地會對當地大氣環境質量產生很大影響.中小型燃煤熱電廠改造為燃氣輪機聯合循環熱電廠，對當地環境質量的改善效果非常明顯，也最容易得到人民群眾的接受和支持.
熱電廠的燃料從煤炭改造為天然氣，雖然合理調整了能源結構，提高了能源利用效率，減少了煤炭運輸環節的損失和浪費，但是對燃氣輪機聯合循環熱電廠來說，燃料成本必然要增加，能源代價必然會提高，因此爭取群眾和企業的理解和參與，合理分擔部分天然氣成本因素，是解決天然氣市場和成本關系的壹條合理途徑.
政府在制定燃氣輪機聯合循環熱電廠上網電價和外供蒸汽價格時，應考慮到燃氣輪機的環境效益，適當提高上網電價和外供蒸汽價格，這也是對天然氣成本過高的壹種消化.
(3) 從長遠的角度看，我國燃氣輪機整體行業水平的提高是決定我國燃氣輪機及聯合循環電廠能否大力推廣的壹個重要因素.
燃氣輪機的發展水平代表著壹個國家的重大裝備制造業的總體水平.當前我國的燃氣輪機技術水平與世界先進水平之間的差距還很大，燃氣輪機的核心部件依賴於進口，燃氣輪機的每次大修花費很大.若某些燃氣輪機的大修只能運回美國等發達國家進行，則其費用更大.
近年來，為了推動燃氣輪機工業的發展，按照?市場換技術?的原則，我國對規劃批量建設的燃氣輪機發電站工程項目采取?打捆?式招標采購模式，由國外先進燃氣輪機制造企業與國內制造企業相互結合組成聯合體，進行燃氣輪機聯合循環電站工程項目的競爭投標，以吸收和引進國外先進技術.在這壹過程中，我國同時引進了世界三大動力集團(通用電氣、西門子、三菱)的F級重型燃氣輪機.在實現燃氣輪機設備制造本土化和國產燃氣輪機技術開發方面都取得了良好的成果.在吸收和引進國外先進燃氣輪機技術的基礎上，逐步實現了燃氣輪機聯合循環電站設備研發和制造的國產化、本地化和知識產權自主化[11-12].
2008年，我國具有完全自主知識產權的110 MW級R0110燃氣輪機進行了點火及實驗驗證，其性能已經接近於目前國際上先進的F級燃氣輪機，對我國的燃氣輪機設計、制造和加工的整體水平是壹個巨大的提升[13-14].
目前，我國燃氣輪機技術水平與國際先進水平之間的差距正在不斷縮小，我國的燃氣輪機自主研發、生產制造等方面取得了重大進展.2012年9月12日，上海市科委重大專項課題?高溫合金葉片制造技術研究?通過專家驗收，這標誌著我國在燃氣輪機核心部件國產化、自主化生產的道路上邁出了堅實的壹步.
從制約燃氣輪機聯合循環電廠發展的三個因素及我國目前的相應情況可知，我國大力發展燃氣輪機聯合循環的條件已經具備，燃氣輪機聯合循環電廠的快速發展在近期將成為可能.
5總結
實現節能減排，提高能源利用率是我國能源結構調整的目標.隨著我國天然氣資源的開發、利用及液化天然氣資源的引進，我國燃氣輪機聯合循環機組將不斷增加.燃氣輪機聯合循環以其高效、清潔和靈活的特點，必將成為我國未來大力發展的電廠類型.
目前可用於熱電聯產的中小型燃氣輪機容量和整個熱電廠供熱能力與我國廣泛使用的蒸汽輪機熱電機組的規格十分接近，因而可在不改變外部系統，不增加發電容量和不間斷供熱、發電的前提下，以較短的時間、較低的投資和較合理的電、熱成本實現對熱電廠以氣代煤的改造.這也是燃氣輪機聯合循環熱電廠可獲得大力推廣的現實條件.
總之，燃氣輪機聯合循環機組在我國電力工業中的作用將逐漸增強，發展燃氣輪機聯合循環熱電廠任重而道遠，但是前景是非常光明的.
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