天然气发电的原理.doc

天然气发电技术研究一、发电技术概况天然气发电的流程和使用的设备与燃煤电厂不同，燃煤电厂生产流程是：煤炭水一》锅炉A蒸汽轮机”发电机”外输电天然气发电生产流程为：天然气燃气轮机发电机组>发电软化水—►废热锅炉►蒸汽轮机发电机组燃气轮机排气温度可高达430C以上，通过废热锅炉产生的蒸汽既进一步用来发电，也可用来供热，提高了热效率世界上利用天然气发电普遍采用燃气一蒸汽联合电厂（CCGT）电厂的形式天然气发电热效率较高，燃煤电厂的热效率仅为35%^38%,而燃气一蒸汽联合循环电厂的热效率则高达50%-60%现有火电厂可改用天然气做燃料燃煤电厂改造为燃气电厂，在环保、节省人力、运输及工业用水费用等方面均有显著效益天然气联合循环发电及其热经济性天然气联合循环发电机组自二十世纪90年代开始在我国逐步应用与推广，现已积累了一定的建设和使用经验由于天然气联合循环电厂的一些独特优势，从环境保护、提高能源效率出发，发展天然气联合循环机组是合理的与燃煤电厂相比，天然气联合循环电厂具有投资少、对环境污染小、整体循环效率高、调峰性能好、占地少、建设周期短、厂用电率低、耗水少、可用率高等优点缺点是对燃料要求较高，上网电价偏高。

当今，在世界范围内，燃气轮机及其联合循环发电的市场份额在40%~60%1.1天然气联合循环的基本理论自二十世纪50年代开始，国外的蒸汽轮机技术是与燃气轮机发电技术同步发展的随着各自热力参数的提高，蒸汽轮机和燃气轮机的单机容量和供电效率都已获得了巨大的发展表2-1中给出了我国蒸汽轮机发电机组的技术参数从中可以看出，随着主蒸汽参数的提高，其供电效率和供电煤耗的改善情况疑2-1我佃感汽轮机啟电机爼的技狀辱数t机恨电煤耗•与效压力温度煤耗供电效率(.MWjcm1冷曲Wh)f%)62.S4435fiOD~8OD7DO17.5510012-253.434355D0-5LO50524.3372.1450-10DSS323539U42940930.0453.4312512.75550/5503S2-336319954Sd20D1275550/550376-3SS39232.1654573DD16.2550/550376^33237?32.42M.14机组33137.1247.2?表2-2中则给出了国外某些燃气轮机发电机组的技术参数从中可以看出：目前，燃气轮机发电机组的单机容量已经达到200MWft上，其供电效率也已提高到35%~41.57%它不仅能作为调峰机组使用，而且也能承担基本负荷。

社司名称机匍fl号ISOM功来MWJRtt曲TW.Wffr划JkWGEK电PGP^KEC)1690142128834.P3133PG9?31(FA)236515.01^0菇&1SSABBGT13E21642}sa35.71210GT26240030.Q131035.79204Siemens(KWU)V64.3A700{6.6⑶口36.S1319VS4.3A171.01&丘131038.COVM.3A24DJ016.514273S.0019SH£t5D1G23521921349却mISO7Q1F236J\5.61冋3677137GEM4匸业LM600D-E^41229.63?.?S296Tient51.1935.a1?1141.J7304怦惠ns25.422033S.13362从表2-1和表2-2中可以发现：目前，蒸汽轮机和燃气轮机发电机组的供电效率都已达到40%左右的水平为了进一步提高发电机组的效率，可以发展超临界参数（30MPa/600C/600C以上）的蒸汽轮机技术，但这对效率的显著提高作用也是有限的而将蒸汽轮机循环与燃气轮机循环彼此结合起来，就可以创造出效率更高的发电设备这种可能性确实是存在的。

从热力学基本定律可知，热力循环的理想热效率只取决于循环的吸热平均温度T1和放热平均温度T2,提高T1和降低T2都可以提高循环的热效率理想热机的循环热效率可表达为冋近（2-1）燃气轮机是一种应用广泛的动力机械，其吸热平均温度T1较高近年来随着材料和冷却技术的发展，燃气轮机初温（进口温度）t3在不断提高，大约每年增加10C~20C，发电用大型地面燃气轮机初温已达1280C,这种简单燃气轮机装置热效率约为33%~40%目前采用现代科学技术的气冷叶片可使燃气轮机初温提高到1370C~1500C，使燃气轮机循环热效率得到进一步提高大于40%但是，燃气轮机的排气温度t4约有450C~600C，大量的热能随着燃气排入大气，又由于初温受到材料耐温的限制而使简单燃气轮机循环的热效率不可能达到很高的数值而对于纯蒸汽动力循环来说，由于材料耐温耐压程度的限制，汽轮机进汽温度不可能很高，目前，一般为540C~560C但是，纯蒸汽动力循环具有一个明显的优点，即其循环放热平均温度T2很低，一般为30C~38C近几十年来，蒸汽动力循环采取了回热再热等措施，使其循环热效率有了较大幅度的提高，但目前，其装置热效率一般也不超过41%可见由于吸热平均温度T1不高，故要期待纯蒸汽动力循环装置的热效率有大幅度提高是不可能的。

怎样才能进一步提高循环热效率呢？我们利用简单燃气轮机循环吸热平均温度高和纯蒸汽轮机循环平均温度低的特点，各取所长，把这两种循环联合起来组成天然气联合循环，此循环具有较高的吸热平均温度和较低的放热平均温度，根据热力学原理，其循环热效率就会很高，这就是天然气联合循环燃气-蒸气联合循环型式很多，有无补燃型联合循环、有补燃型联合循环和增压锅炉型联合循环等图2-1所示为最基本联合循环形式其基本过程是燃气轮机排气送入余热锅炉用以产生水蒸汽，水蒸汽引入汽轮机中做功，汽轮机排汽再进入凝汽器中放热这样即增回了总输出功率，又利用了燃气轮机和蒸汽轮机各自的优点，使整个循环的热效率得以提高图2-2中给出了三种典型联合循环方案的温熵图11主恭汽14抽汽3■憾气选平仆余熱钢炉卜凝汽器卜納水加热器燃气-蒸汽联合循坏基本形式S1--二种燃气-蒸汽联介循坏方案的温爛国显然，联合循环的实质就是把燃气轮机的“布雷顿循环”与蒸汽轮机的“朗肯循环”叠置在一起，组合成为一个总的循环系统而已图2-2中的1-2-3-4-1表示燃气轮机的实际循环过程；6-7-8-9-10-6表示蒸汽轮机的实际循环过程在无补燃的余热锅炉型方案中，由燃气轮机排气的冷却过程4-5释放出来的热能，被用来把蒸汽循环中的给水，从工况点6起始加热升温，经历过程6-11-7-8-9，变为具有一定压力的过热蒸汽。

在该方案中蒸汽的初温T9必然受到燃气轮机温度T4的限制，即T9T4,因而蒸汽的初温T9可以高于T4（即蒸汽初温不受燃气轮机排气温T4的限制），而蒸汽量可以大幅度地增加显然，那时蒸汽轮机发出的功率可以剧增，它能比燃气轮机的功率高2~6倍左右在增压锅炉型方案中，燃气轮机的燃烧室是与蒸汽循环中的增压锅炉合二为一的，因而由压气机送来的温度为T2的空气，着先在增压锅炉中被加热到T13,进而经放热过程13-3释放出来的热能被用来加热给水，使其经历过程11-7-8-9变成过热蒸汽，供蒸汽轮机使用至于增压锅炉中的燃气在温度降低到T3后,将被送到燃气轮机中去膨胀作功当然,燃气透平的排气在T4温度下被用来加热给水，使其沿过程线6-11升温这就是燃气蒸汽联合循环热力过程的大致情况自二十世纪50年代初开始实现上述燃气蒸汽联合循环方案以来，余热锅炉型的联合循环获得了突飞猛进的发展，特别是近几年来，发展的趋势更加明显。

表2-3中给出了某些联合循环发电机组的性能参数农2-3某此监汴狮环u>11机览的n雲轨瓷可v号BDK*巾i(MV?)ft电«+■■怀)两梵怕"l轮机的苗KL.u血WGE辰地109EC35"S351MSP001ECS-109FA348.554£1和MS9001FA355S-JQPFA^00s5J.I2fjMS9DD1M33$ABEKA13EM341.65251013E，i机KABEMJ44J53JD1ft13ELlV.'.-.lv：軌药2KA13E3]490S53J20BEi-'&J壮桝KA13EJ3737.353.430BE+栋曲轮軌235KA13E24陶』53J+fr13E2G吒汽栏桝KA26-1361.5565】frGT25KA36-J5713iPTGT茹SugmemKV/UGDU1J4J235.01會VM.3253GUDIS.543A354.D57J1VS43A两IV1x150IF35D.I54S1Yr50IF1-1501024SS谢1fl501&2=1501&M7.fi5SD2ipt5010从表2-3中可以看出，联合循环的单机功率已达到350MV，供电效率则已超过54.8%（近期内有望提高到58%，远远领先于任何形式的发电设备，并能装备成为承担基本负荷的大功率电站。

加上这种设备的投资费用比较低、设备简单、占地面积小、建设周期短，因而更加具有广泛使用的潜力据不完全统计，到1990年底，全世界已经投入运行的烧天然气的联合循环发电机组的总功率为14019M，1991年到1996年之间，估计投入运行的这种新机组容量的总和不会低于27400MW而烧油和烧天然气的燃气轮机及其联合循环的装机容量则已高达4亿KW目前，全世界每年增长的发电容量中，有35%~36系采用天然气联合循环机组，而美国则为48%应该说：在今后世界电力工业的发展历程中，燃气轮机及其联合循环的发电机组必将成为一个重要的组成部分，它的作用也将日益增升1.2天然气联合循环的分类燃气蒸汽联合循环就是在进一步提高发电效率、降低煤耗，减少污染、改善环境的背景下提出来的一种发电设备按照所用燃料的不同，天然气联合循环系统分为两类：一类是烧液（气）体燃料，也就是烧油或者是烧天然气这种类型的燃气蒸汽联合系统中，有一种是采用无补燃的余热锅炉系统方案，另一种是带补燃的余热锅炉系统方案，再一个是增压锅炉型的方案，这三种属于常规的燃气蒸汽联合循环系统第二类是烧煤的天然气联合循环系统在它发展的过程当中，经过理论分析和实际检验，到目前为止，最具有竞争力的三种方案是：第一种叫做IGCC，即整体煤气化联合循环；第二种是PFBC即增压流化床燃烧型的联合系统，这里又分为第一代PFBCCC第二代PFBCCC第三代AF。