充分认识燃气发电在“十二五”将承担的重要角色

张珩生

(华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

充分认识燃气发电在“十二五”将承担的重要角色

张珩生

(华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

风能太阳能等可再生能源是清洁的，可再生的，各国预测也期盼其技术加快发展和完善，盼望其尽早成为占统治地位的能源形式并取代以往成熟发电技术。但理性告诉我们，未来始于今天，但今天还没到达未来。必须对今天眼下的电力结构，比如我国“十二五”的过渡方案，作出实际的思考。

燃气发电；十二五；新能源。

最近几年，世界各国均致力于发电结构调整，其原因在于全球共同感到资源和环境压力，特别是二氧化碳排放对全球温度上升的影响，使各国格外重视可再生能源发电的开发与建设，于是风能发电，太阳能发电等可再生能源发电上马较快，也一时成为媒体和舆论关注的焦点。比如对今年西班牙50MW世界最大光热式太阳能电站的投产，英国300MW世界最大海上风力发电站建成的赞扬，欧盟提出的未来十年新增发电容量中可再生能源将占60%的设想对人们的震动，这些技术的发展动向信息，以及可再生能源新工程的各种统计数字，规划方案，都成为舆论和新闻的热点，人们心目中似乎形成一种概念，在眼下调整发电结构，减少二氧化碳排放就是等同于大上快上风能太阳能发电，二者之间可以简单划个等号。

风能太阳能等可再生能源是清洁的，可再生的，各国预测也期盼其技术加快发展和完善，盼望其尽早成为占统治地位的能源形式并取代以往成熟发电技术。但理性告诉我们，未来始于今天，但今天还没到达未来。必须对今天眼下的电力结构，比如我国“十二五”的过渡方案，作出实际的思考。

分析西方工业化国家，特别是几个主要工业化国家近年来的发电结构调整，统计数字揭示了一个有趣现象。尽管立法机构讨论的法案，报纸刊物上发表的文章，媒体热议的新闻，都是如何推进风能，太阳能，地热能，海洋能，生物质能，核能，但历年新投发电机组统计数字却明白显示，燃气发电才是实际的主角，燃气发电是躲在闪光灯后面快速发展的明星。

以美国为例，美国从总统到国会，能源部，联邦能源委员会，可靠性委员会，环保署，到媒体，宣传的热点大都是可再生能源的发展前景，并对世界其他国家施加很大压力，但实际操作上，其自身从审批机构到发电企业无不把燃气发电放在首位，燃气发电站的建设持续多年处在第一把交椅。从2005年至2010年美国连续6年新投发电容量中，燃气发电每年都新投机组600万kW～1200万kW，超过当年新投机组的50%，在美国各种发电形式中遥遥领先。达到了平均每年新投800万kW～900万kW，目前保持在建1300万kW，2010年～2015年还要新开工4450万kW的局面。这些数字都是破历史记录的。2010年，美国风电建设速度已经减缓，燃煤发电不仅没有新增，有些电力公司还要拆除部分电厂，核电有重新尝试的意图，尚无实际进展。燃气发电形成了唯一有力增长的发电类型。美国有媒体感叹：“that left natural gas power development as the last man standing。”据美国有关机构预测，虽然美国的煤电在2009年1044GW的总装机容量中占29%，居第一位，燃气发电占27%居第二位，但到2018年的总装机容量达到1450GW时，煤电比例将下降到22%，占据第一位置的将是燃气发电。可再生能源发电占据第一位何时能够出现，还要看其技术若干年后的发展。

再以英国为例，英国这几年风力发电发展速度快，规模大，特别是海上风电开发力度大，引来各国关注，并受到高度好评。但是在各国关注的聚光灯之外，英国发展力度更大的其实是燃气发电，经几年建设开发，英国燃气发电机组容量目前已占到全国总容量的47%，规划还有24个工程2900万kW待建，燃气发电在英国发电结构中将占有绝对地位。

还有加拿大，为应对温室气体排放，政府出台了被称为“cap and close”的政策，为所有的发电企业规定二氧化碳排放限额，同时规定今后凡是运行到45年的燃煤电厂均要关闭拆除，替代改建的多为燃气机组。

再看亚洲各国，日本和中东国家，或由于天然气资源丰富，或由于进口能源中天然气比例高，燃气发电自然是首选。即使是新加坡这样过去以进口油，煤为主要能源发电的国家，过去几年也大力调整，至2009年已经形成80%的发电容量是燃气发电了。

这些国家如此重视燃气发电，虽然离不开国情的原因，但其背后存在的共同原因和共同认可的规律，是值得重视和借鉴的。

燃气发电再次受到热烈追逐的原因大致有以下几条：

第一，燃气发电属于清洁能源范畴。燃气发电的二氧化碳排放量仅相当于燃煤发电的1/2左右，其发电过程完全是成熟技术，在可再生能源还存在多种需要攻关的课题，一时还取代不了化石能源角色的情况下，燃气发电可以避开新一代技术带来的烦恼，以成熟技术比较轻松地实现国际社会分配给本国的温室气体减排指标。

第二，经济规律对燃气发电具有强力推动力。综合比较目前可以选择的各种发电技术 ，燃气发电是眼下风险最小，成本最低的选择。风能，太阳能，核能发电的工程造价，均在燃气发电的2～3倍以上，而且在运行中还存在运行小时数低或核燃料后处理以及核电站退役的高费用，发电企业顾虑较多。燃煤发电本来是最经济的方式，但在环境问题影响下，各国立法机构纷纷出台或酝酿着多个法案，例如提高脱硫标准，提高NOx排放标准，对烟气中的重金属含量立法，对2.5μ m以下超细粉尘排放立法等将一个个相继到来，发电企业感到有可能要进入增加成本的无底洞。特别是若对温室气体排放的立法出台，发电企业更是感到目前技术水平的CCS带来的经济压力难以承受。综合比较之后，燃气发电就成了发电企业心仪的建设对象。

第三，燃气发电是可再生能源电源的好搭档。不论风电，太阳能，受有风无风，白天黑夜，晴天阴天等天气变化影响，作为电源都属于可间断电源。应对可间断电源的方法，基本归为提高天气预测水平，设置蓄能装置，增加旋转备用三大手段。但前两个手段当前尚无能力满足大规模可再生能源的调峰需要，惟有增加旋转备用容量是可靠手段。但在现有发电结构中，核电不能调峰，燃煤发电机组虽可调峰，但深调能力差，步程慢，而燃气发电机组具备频繁启停能力，启动快，单循环机组冷启动至满负荷只需8min～9min，联合循环机组启动只需30min～40min，这一明显优势使燃气发电被政府机构和企业视为推动大规模可再生能源计划的“双胞胎”。燃气发电充当的这一特殊角色实际也是促进可再生能源大规模发展的突出贡献。

第四，天然气资源的多元化，可开采量的大幅增加，促成燃气发电的建设进入高速通道。近年来，世界各国除努力勘探开发常规天然气外，还大力勘探开发页岩气，煤层气，煤制气，其量之大已在一定程度上改变了燃料供应格局，并稳定压低了天然气价格。以至于“非常规天然气(unconventional gas)”作为一种新概念已经成为国外媒体上常见的术语。美国非常规天然气的市场份额从2000年只占1%，到今年已占到20%，10年增加20多倍，预计2035年将占到50%。美国页岩气的大量发现引起全社会庆贺，媒体甚至对此发出“Bye Bye ，LNG！”的欢呼。产气量的增加导致60年来最大幅度的价格平稳下降。美国天然气价格已持续相当长一段时间稳定在3～4美元/百万Btu，有时还要更低，与在高位运行的油价脱了钩，按同等热值计算比较，这一价格只相当于油价的30%，与煤炭价格大体相当，甚至略低于煤价。再加上燃气发电具有造价低，建设周期短的优势，燃气发电的优势带来的快速增长是顺理成章的。因此最近有上千人参加的美国2010年电力行业年会展望今后发电前景时发出“Gas is King”(燃气为王)的呼声也就不难理解了。

以上不能不带来我们的思考：西方主要工业化国家的做法对我们有什么启示，在“十二五”以及“十二五”以后的若干年内，我国要不要致力发展燃气发电，能不能发展燃气发电，怎样发展燃气发电，燃气发电在我国将承担什么角色，都需要我们认真研究。

第一，燃气发电在当前电力工业中将承担的重要角色，是其他任何发电形式难以取代的。在温室气体和环境问题面前，各国面对的难题是一样的，长期依靠的熟悉的常规燃煤发电方式被视为不适宜的，可再生能源发电在技术的成熟程度和规模上又取代不了燃煤发电的地位，两难的处境推动各国寻找各自的适用技术或技术组合。实际上是在各种发电技术中寻找三种角色。第一种，是以低成本直接减排二氧化碳的技术，最好是成熟技术，可以直接拿来就用的技术。第二种，是可以为可再生能源的发展障碍提供突破手段的技术，至少是在代价不高的前提下，满足类似百万千瓦，千万千瓦风电场接入电力系统，保证电力系统可以安全可靠调度运行的技术。第三种，是可以起到向下一代发电技术提供过渡桥梁作用的技术，即他不一定是最先进的低碳技术，但其先进的低碳水平与国际社会对今后几十年分阶段的减排指标安排相吻合，其资源可以满足几十年以上，运行到几十年后可以被下一代更先进发电技术取代。不难看出，燃气发电技术可以集以上三种角色于一身，这对任何国家都是难于忽视的。尤其我国这样的燃煤大国，可再生能源发电计划庞大，需要配套的调峰能力也是可观的。我国有关规划部门指出，2020年我国风电装机容量将达到2亿kW，太阳能发电2020年达到2000万kW～5000万kW。按有关国家研究，每7 MW～8 MW的风电、太阳能发电就需要1 MW能快速启停的可靠调峰容量配套才能满足电网调度要求。这些调峰容量不是电网中原有的，而是需要伴随风能太阳能的开发同步建设的。我国电网原本普遍缺少调峰容量，对可再生能源发电配置的新调峰机组需求比其他国家比例还要高些，按上述计算仅此一项就需要4000万kW左右的燃机配套。因此我国对燃气发电的角色是需要的，而且是迫切的。

第二，在“十二五”及以后，我国天然气资源的开发技术进步和资源量的增长是可以相对乐观预期的。天然气发电的快速增长并作为通向下一代先进发电技术的桥梁，关键是气源。有没有足够的气，是核心问题。我国当前天然气的供应虽然有一定缺口，但国家正在多管齐下解决这一问题，一方面加大国内天然气勘探开发力度，类似普光气田这样100亿m3/a产量的大气田已经或还要投入生产。另一方面加大引进力度，中亚天然气管道，中哈天然气管道，中缅油气管道正陆续建设先后投入。更重要的是国家重视页岩气，煤层气，煤制天然气等非常规天然气资源的开发，开展国际合作，引进先进技术和装备，推动天然气资源规模开发。国家发改委有关研究机构负责人透露，国家相关部门已经认识到天然气发电能够为电力调峰起到的调节作用，因此在“十二五”期间，国家将下大决心大力发展天然气发电，增加其比重。国内典型能源大省山西省主要负责同志撰文表示，山西省“因煤而兴，因煤而困”，要顺应时代潮流，坚定转型发展，要建设气化山西，利用好丰富的煤层气，焦炉煤气，煤制天然气。在山西实施煤炭工业的转型。在大型企业层面，中海油已经与美国chesapeake公司联合宣布，中海油将以20亿美元购入其鹰滩页岩气项目33.3%股权，该公司是全球页岩气领域的领军者，在美国有多个页岩区块，有丰富钻采经验。中海油这样做的原因就是看到过去10年美国非常规天然气增加了20倍，改变了天然气供应格局，美国去年页岩气产量890亿m3，已超过我国天然气产量，而中国与美国地质类似，前景诱人。中石油在澳大利亚也在竟购Arrow公司，该公司正是世界知名煤层气开发商，这种并购无疑将加速中石油获得相关技术，加速国内煤层气开发。据国际能源署称，中国仅页岩气就拥有26万亿m3，煤层气也超过30万亿m3，但苦于缺乏勘探和钻进技术无法开采。上述我国国家机构，地方政府，大型企业已经共同凝聚成的共识，已经或正在转化为天然气资源“十二五”的战略布局，相信国内外普遍预测的2020年中国天然气供需达2000亿m3，2030年接近4000亿m3是能够实现的，燃气发电的角色也是重要的。

第三，“十二五”天然气发电有新的技术追求，需要与时俱进作好相关工作。“十二五”的燃气发电不完全是对前几年燃气发电工程的技术重复，时代对燃气发电有更高的要求，燃气发电工程应该充分回应这些要求。这些要求包括：①为满足环境和排放更严格的标准，应该选择更高技术水准的燃气机组，近几年燃气轮机制造商在竞争中开发了更高效率的机组，单循环效率43%～45%，联合循环效率58%～60%，NOx排放在15ppm，CO2排放低于燃煤发电的50%，这样的机组无疑更适合时代的要求。②为适应和保障风能，太阳能发电的大规模上网，燃气发电的设备和工艺系统设计要有更出色的启停和调峰能力。燃气轮机制造商已经明确锁定这一目标，并取得了进展。比如ALSTOM公司，在其代表性的GT24，GT26燃气机组中研究开发了双燃烧室设计，采用双燃烧室顺序燃烧(又称再热燃烧)，效率更高，启动更快，而且在关闭第二燃烧室喷嘴情况下，机组稳燃负荷可轻松降到20%，机组排放水平还能与带基荷时的排放水平持平而不上升。这样的机组无疑更符合当下的要求。再如SIMENS公司，瞄准燃气轮机将在电网中承担的新角色，致力开发缩短启动时间的FACY技术(Fast Cycling)，内容包括机组在多次启停工况下，各种相关装置设备(如余热炉，汽轮机组)如何满足快速启停而不拖后腿，汽轮机不必等待蒸汽参数达到某个标准再启动，而是与燃气轮机基本平行启动。第一代FACY技术把启动时间从100 min降到了55 min，第二代技术已经成功将启动时间缩短到40 min以下。当然这些优异性能的取得不能仅依靠燃气轮机制造商就能取得，工程设计单位也必须研究优化整套机组的启动顺序，优化整个工艺系统的设计，优化所有相关设备装置的选择，保障燃气机组以电网中重要角色的身份表现出相称的优异性能。③丰富燃气发电的类型，拓宽思路以多样化的形式实现燃气发电的目标。燃气轮机发电，联合循环发电，煤层气发电，城市垃圾转化沼气发电，焦炉煤气发电，都属于燃气发电的内容。IGCC燃气发电把煤气化和发电结为一体，更是适合我国这样以煤炭为主要一次能源的国家。同时IGCC也可以多样化，除了把煤气化与燃气发电结为一体的方式外，因地制宜把煤气化和燃气发电分设两地两厂，也是可行的选择。我国已在内蒙克什克腾旗建成了40亿m3/a煤制天然气项目，核准了内蒙汇能，辽宁阜新煤制天然气项目，如将煤制天然气用管道输往燃气电厂发电，实际也是IGCC，不同的无非是煤炭气化与燃气发电不在一厂而已。我国煤矿有多处煤炭自燃几十年，数千万吨煤炭已经在自燃中气化(但是非甲烷化)，若引进先进技术和装备，将其纳入煤制天然气(甲烷)，气源的规模也是相当可观的

当然，人类不可能长期依赖燃气发电，因为天然气也是不可再生的。但燃气发电可以用相对洁净的方式为人类争取到至少几十年的时间，让人类分阶段实现可再生能源，新一代能源的能源战略的革命。待到太阳能，风能，受控核聚变，快堆，海底天然气水合物，二氧化碳的资源化，大型蓄能技术，大规模燃料电池，海洋能等这些处在激烈竟跑中的新能源有一项或几项真正取得突破，人类将改变自己的能源面貌时，当前成熟的燃气发电技术或将升级为燃料电池技术，或将在竞争中落伍。不管将来如何，在未来和今天之间，天然气发电是重要过渡桥梁。仅从这一点看，“十二五”的天然气发电就应该值得我们充分重视，并作出足够的努力。

[1] John goss. The growth of natural gas supplies in china[J].ASIAN POWER，2010，(4).

[2] Britt Burt.U.S. Gas-Fired Power Development：Last man Standing[J].POWER，2010，(9).

[3] 袁纯清.以转型发展为主线 再造一个新山西[J].求是，2010，(19).

[4] Dr.Robert Peltier. Flexible Turbine Operation Is Vitale for a Robust Grid[J].POWER， 2010，(9).

[5] Angela Neville. Sloe Centrale Power Plant,Vissingen-Oost,Zeeland Province，Netherlands[J].POWER, 2010，(9).

[6] 中海油欲购美项目1/3权益中企首购美油气项目[N].京华时报，2010-10.

[7] High-Efficiency Gas Turbine Go to Market[J].POWER，2010，(8).

[8] The U.S. Gas Rebound[J].POWER, 2010，(1).

[9] Gigawatt-Scale Transmission[J].TRNSMISSION and DISTRIBUTION， 2010，(9).

Suff ciency Understand Burn Gas Generate Bear Importance Role in the Twelfth Fives Year Plan

ZHANG Hang-sheng
(North China Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China)

Wind energy, solar energy and regeneration energy are cleanly and reproducible, many countrys forecast and look forward the technique quicken develop and perfect, look forward it as eaas possible become account for govern positional energy form. Replace anciently mature generate power technology. But logos tell us, future begin today, but today don’t arrive at future. Face to today’s electric power structure, for instance tweth-f ves year transition blue print, mark with actual thinking.

burn gas generate; tweth-f ves year; new energy.

F406

C

1671-9913(2010)06-0001-05

2010-11-18

张珩生(1949-)，男，河北人，教授级高工。