浅谈天然气发电技术

何鹏飞

摘 要：近年来，人们对环境保护的重视程度越来越高，国家出台若干政策来加强治理环境污染，对于作为发电行业中支柱的燃煤发电也采取了相应措施，小机组关停，相应地区新建燃煤电厂限批，天然气发电作为一种低污染、高效率的发电方式迎来了发展的机遇。本文主要介绍了天然气发电机组运行原理，简述了天然气联合循环技术，及国内天然气发电的概况。

关键词：天然气机组；联合循环；国内；概况

一、天然气机组发电简介

经过长期发展，目前，世界上利用天然气发电最为经济高效形式为燃气—蒸汽联合循环发电（CCGT），这种方式可以提高天然气发电的热效率，与传统火力发电的热效率相比，燃气—蒸汽联合循环电的热效率可以提高20%～30%。燃气—蒸汽联合循环的实质就是把燃气轮机与蒸汽轮机结合，把“布雷顿循环”与“朗肯循环”组合形成一个总的循环。

（一）燃气轮机

燃气轮机是由压气机、燃烧室、燃气透平三个主要部分组成。空气进入压缩机，经过压气机的压缩进入燃烧室，与喷入的天然气混合，经过燃烧后成为高温燃气，然后进入燃气透平中做功，推动燃气透平叶轮转动的同时带动发电机旋转发电；燃气经燃烧、做功后产生的高温排气排放至余热锅炉再利用，燃气透平叶轮的转动除了带动发电机旋转发电外，同样会带动压气机的转动，燃气轮机由静止启动时，需要起动机带着旋转，带加速到能独立运行后，起动机才能脱开。

（二）余热锅炉

通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成，在有再热器的蒸汽循环中，可以加设再热器。燃气轮机排出的高温排气经烟道输送至余热锅炉入口，再流经再热器、过热器、蒸发器、省煤器和给水预热器，温度逐次降低，最后经烟囱排入大气。燃气轮机排气温度一般可以达到450～600℃左右，余热锅炉排烟温度一般为 110～200℃，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。

锅炉给水在给水预热器中加热后进入常压除氧器，与从余热锅炉来的加热蒸汽混合除氧，经水泵加压进入低压省煤器，加热后进入低压汽包。在低压汽包中，一部分水在低压蒸发器中循环加热成饱和蒸汽，经低压过热器过热后进入汽轮机的低压缸；其余的水分别进入中、高压省煤器，加热到一定温度后进入汽包。汽包中的水经过中、高压蒸发器的循环加热成为饱和蒸汽，经中、高压过热器过热后进入汽轮机中、高压缸。

（三）蒸汽轮机

蒸汽轮机的主要作用是把蒸汽热能转换成机械能。过热蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力下降，速度增加，热能转变为动能。汽流带动叶轮旋转，将气流的动能转化为汽轮机转子的机械能，汽轮机转子带动发电机转动发电。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。

二、天然气联合循环基本理论

利用天然气在燃气轮机中直接燃烧做功，由燃气轮机旋转带动发电机旋转发电，此为单循环发电。在单循环发电的基础上，把燃气轮机产生的高温排气，经过余热锅炉的处理，产生高溫高压蒸汽，推动蒸汽轮机带动发电机发电，就成为了双循环，即联合循环发电。

从热力学基本定律可以得出，热力循环理想的热效率只取决于循环吸热及放热平均温度，提高吸热平均温度及降低放热平均温度都能达到提高循环热效率的目的。理想状态下的热机循环热效率可以表达为η=1- T2/T1，其中T1为吸热平均温度，T2为放热平均温度。目前纯燃气动力循环的燃气轮机初温可以达到1300～1500℃，但排气温度约有450～600℃，而对于纯蒸汽动力循环来说，由于受到耐温耐压材料限制，进气温度一般只有500～600℃，但其循环放热平均温度很低。在燃气—蒸汽联合循环发电技术中，将燃气轮机产生的高温排气送入到余热锅炉中，经余热锅炉再次燃烧后，使得余热锅炉内的水变为水蒸汽，并将水蒸汽引入汽轮机中做功，汽轮机的排汽再进入凝汽器中利用。从而增加了总输出功率的同时又充分发挥了燃气轮机循环吸热平均温度高和蒸汽轮机循环平均温度低的优点，使整个循环的热效率得以提高。

三、国内天然气发电概况

燃气——蒸汽联合循环发电是一种效率高、污染少的发电方式，他具有效率高、投资少、建设周期短、启停便捷、自动化运行程度高等优点。燃气电厂其占地面积小，一般为燃煤电厂的50%左右。污染物排放量少，与同容量的传统火力发电厂相比，氮氧化物排放量为其20%左右，二氧化碳为40%左右，可吸入颗粒物为5%左右，不需要为环保追加新投资。燃气电厂的噪声污染也比较小，对于现阶段国内技术来说，F级燃气轮机机组在距离设备1m处，噪音声压级可以控制在80～90dB（A）左右。燃气电厂还有启动快的优点，在18～20min内便能发出2/3的功率，80min内实现全功率输出，适合用作调峰电源。在城市用电负荷中心建设天然气电厂，从而实现就地供电，减轻电网输电和电网建设的压力的同时提高了电网运行的稳定性。

天然气发电经济性较差。关于天然气电厂上网电价，2014年国家发展改革委下发了《国家发展改革委关于规范天然气发电上网电价管理有关问题的通知》，要求各地天然气发电上网电价具体管理办法由省级政府价格主管部门制定，并对天然气发电上网电价与气价联动调整的机制做出了指导意见，各地区的管理办法也正在陆续出台，这将对天然气发电的经济性有所改善。燃料费在天然气发电机组中占比较大，天然气的价格成为影响天然气发电经济性最重要的因素之一。2015年国内天然气价格出现大幅下调，一定程度上降低了发电企业的发电成本。

用气高峰和用电高峰的重合使得天然气电厂的供气可靠性存在风险。在我国，天然气发电分为“调峰电厂”与“热电联产”两类。调峰电厂一般在电网峰荷及腰荷运行，热电联产集发电与供热于一体。气源的短缺限制了天然气电厂的发电量，对其盈利能力造成一定影响。

生态环境的制约下，我国天然气发电需求空间广阔。除了传统火力发电外，我国核电受到容量限制，水电受到季节枯汛变化影响，风电及太阳能等可再生能源发电具有不稳定的特点，燃油发电的成本太高。各种发电方式相比较，天然气发电或将成为燃煤发电的一种重要替代方式。

参考文献：

[1] 吴创明.城市天然气输配方案的选择[J].煤气与热力，2004年05期.

[2] 鲁德宏.天然气用户需求特点及需求预测方法[J].国际石油经济，2002年12期.