天然气发电的重要性及其发展趋势

张庆兵+李国红+秦鹤年

【摘 要】对天然气发电的现状及其重要意义进行了介绍，并对其发展前景进行了研究，提出了相应看法与建议。认为天然气发电对空气污染的治理，减少碳排放是十分有效的，能够充分利用油气资源及各类富含甲烷的可燃性气体，而且有着广泛的应用领域。天然气发电还带动了燃气轮机及燃气发动机的应用与发展，尤其是燃气与蒸汽联合循环发电不仅提高了热能利用率，余热还可用于供热，实现了热电联产。

【Abstract】 This paper introduces the present situation and significance of natural gas power generation， and studies its development prospect， and puts forward some suggestions. It is considered that natural gas power generation is very effective for air pollution control and carbon emission reduction， and it can make full use of oil and gas resources and various kinds of methane rich flammable gases， and has wide application fields. Natural gas power generation has also promoted the application and development of gas turbine and gas engine， especially gas and steam combine to generate electricity circularly， which has not only increased the utilization of heat energy， but also can be used for heating， and realized the combined heat and power generation.

【关键词】天然气发电；治污减排；联合循环发电；热电联产；油气资源利用

【Keywords】natural gas power generation； pollution control and emission reduction； combined cycle power generation； cogeneration； utilization of oil and gas resources

【中图分类号】F407.22 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）02-0155-03

1 引言

与煤炭及燃料油相比，天然气具有燃烧完全、燃烧热值高、碳排放低、有害物质排放少等特点，有利于改善空气质量。而且天然气资源丰富，生产成本低，开采出来后经适度处理就可以直接作为燃料使用，属于廉价易得的清洁型燃料。目前各大城市为改善空气质量，已开始采用燃气发电与供热。尤其是近期国际油气价格的持续走低，全球油气产能的过剩对燃气发电项目的实施与发展都非常有利。目前天然气发电已作为一项新兴技术产业得到迅速发展，并且在多个领域得到推广应用，同时也带动了燃气轮机和燃气发动机等燃气动力设备及其所需润滑油的发展。天然气发电的现状、特点及未来发展前景，对相关产业的带动作用，将在此进行研究与讨论。

2 国内外天然气发电的发展现状

目前全球天然气发电在总发电量中所占份额达到了20%以上。从发达国家的情况来看，天然气已成为美国最重要的电力供应来源，自美国引导页岩气革命以来，其天然气发电量不断上涨，2000-2012年美国天然气发电量增长了96%。此外，日本70%的天然气用于发电，占其国内发电总量的28%；欧洲天然气发电比例也超过20%。而目前国内天然气的消费仅占一次性能源的5%，其中发电用气仅占天然气消费的18%。

近年来，我国天然气发电装机量不断增加。根据前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国天然气发电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，截至2011年底，我国天然气发电装机容量达到32650MW，占全国总装机量的3.09%，发电量为1.048×1011kW·h，占全国总发电量的2.22%，发电用气占全国天然气消费量的15%左右。截至2012年底，我国天然气发电装机容量约45000MW，同比增长约38%，约占中国总装机容量的4%。截至2013年底，我国天然气发装机容量已达46680MW，发电量为1.143×1011kW·h。

天然气发电又分为集中式和分布式。集中式规模及用气量较大，以发电供热为主要目的，要求天然气来源有充分保障，如陆地管道输送或进口液化天然气LNG。截至2012年底，全国共有集中式天然气发电机组167台，装机容量38830MW，占全国燃气发电总装机容量的96.4%，2013年装机容量超过40000MW。我国集中式天然气发电装机主要分布在京津塘、长江三角洲和珠江三角洲地区，天然气主要来源于“西气东输”管道、进口LNG和海上气田。分布式规模较小，以利用中小型气田气、油田伴生气、沼气及回收可燃性气体发电为主要目的，具有就地取材、投资较少以及开停灵活等特点，在我国起步较晚，主要是入网困难，但有利于资源的充分利用，可实现错峰用电调节，因此同样具有发展前途。

3 燃气发电设备的现状与发展

燃气发电设备大体分为以下几类：燃气锅炉，固定式或移动式燃气发动机，燃气轮机，燃气与蒸汽联合循环机组。

3.1 燃气锅炉发电机组

该机组是通过天然气等或煤气等可燃性气体的燃烧产生的热能加热水，产生水蒸汽驱动蒸汽轮机，再带动发电机发电，余热可用于供热。燃气锅炉发电机组一般为“煤改气”的燃煤锅炉发电机组，因现在燃煤发电机组对装机容量有严格的要求，300MW以下机组面临淘汰，煤电行业为了维持部分老旧设备的继续运行，即对设备进行改造，将燃料由煤炭改为天然气、煤层气或煤气。其特点是仅仅改变了燃料，无需对原有设备进行较大的改动，并且能够减少二氧化硫等有害气体排放以及实现低碳排放，满足环保要求，但功率和热能利用率较低，属于燃气發电的“过渡形式”。endprint

3.2 燃气发动机动力设备

以燃气发动机为动力的发电设备主要用来为油气田钻井或采油设备提供电能，或为野外施工机械提供电能。其特点是发动机与燃油发动机结构相同，使用天然气为燃料，可有效地减少有害气体的排放，降低燃料成本。但发动机结构复杂，功率有限，一般用于3.5MW以下的发电设备。燃气发动机所用天然气因产地不同组分差异较大，还有使用单一气体燃料和使用天然气与柴油混合燃料的。

3.3 燃气轮机与燃气——蒸汽联合循环涡轮机组

燃气轮机的特点是结构简单，功率大，转速高，热能利用率高，适用燃料范围广，气体燃料与液体燃料几乎都可使用，而且无需使用冷却液，余热可以得到利用。

一般来讲，燃气轮机是10MW以上发电容量的首选燃气发电技术，主要针对集中式发电，但随着新兴技术的发展，出现了适用于5MW以下的微型燃气轮机发电技术，可以部分替代柴油发电机和燃气内燃发电机，用于分布式发电[1]。

燃气轮机做功后的尾气仍具有很高的温度，可以二次利用来加热水产生水蒸汽进一步发电，即联合循环发电，热能利用率得到进一步的提高，可达60%，已成为集中式天然气发电的主流。燃气余热也可用于供热，形成热电联产。

4 天然气发电在相关领域中的应用及其重要意义

从世界发达国家和一些东南亚国家发展经验来看，天然气发电是实现节能减排和能源供应可持续发展的必由之路，具有节能减排、提高供电安全性、电力与燃气供应削峰填谷以及促进循环经济发展等众多优势，是现代能源领域发展的不可逆转的潮流。

4.1 城市供电与供热

天然气燃烧完全，有害物质的排放很少，接近“零排放”，对改善空气质量很有帮助，因此已开始在北京等大城市中得到应用，替代燃煤发电与供热。

在仍以煤电供应为主的情况下，天然气发电具有开停容易、操作方便以及供电稳定等特点，在用电高峰时可开启天然气发电设备补充供电，或天然气供应过剩时用于发电，对城市用电量及天然气供应可起到很好的调节作用，实现削峰填谷。

4.2 中小型天然气田的开发

中国气田以中小型居多，大多数气田的地质构造比较复杂，勘探开发难度大，因产气量有限而难以用管道远距离输送。为了更好地开发中小型天然气田，对其所生产天然气的输送可采用两种方式，一种是制备液化天然气LNG，用罐车运送，另一种方式为就地燃烧发电，产生的电能通过电网外送。LNG生产和天然气发电共同采用，能起到优势互补的作用，可针对市场需求灵活调整LNG产量和发电量，从而使气井产量平稳。

4.3 油田伴生气的利用以及原油的开采

油田伴生气是指在开采石油的同时所采出的天然气。石油伴生气的产量很大，每采出一吨石油，就伴生几十立方米到几百立方米的油田气。新开采的油田，油田气的产量会更多。我国油田伴生气资源丰富。据不完全统计，仅部分因地域限制、分散的小油田每年烧掉的伴生气就高达10×108m3 左右，相当于10×106t石油。如能有效利用油田伴生气资源，既可以增加工程项目收益，又可以有效降低温室气体的排放。

油田伴生气同样可用来制备LNG和燃气发电，燃气发电所产生的热能还可用于稠油的加热开采。另外天然气的

燃烧能够产生纯度较高的CO2，因此天然气发电所产生的尾气还可用来做油田的驱油剂使用，从而减少购买商品CO2所需费用。另外油田目前拥有大量的固定式柴油发电机，如改用燃气发电可实现燃料就地取材，从而节省大量的燃料费用。

4.4 煤层气的开采利用

我国煤层气资源也很丰富，居世界第三，稳定年产量在6.33×1010～9.35×1010m3。煤层气存在于煤矿中，通常成为煤炭开采的安全隐患，因此煤炭的开采需事先抽采煤层气，我国煤层气的开采和利用刚处于起步阶段，对煤层气还未得到很好的利用，被很多矿区煤层气抽采后被直接排放。煤层气的组分与天然气类似，同样可用来制备LNG和燃烧发电，对煤炭资源的综合利用及煤矿安全生产具有非常重要的意义。

4.5 沼气的利用

沼气也是富含甲烷的气体，是各种有机物质在隔绝空气的条件下，經过微生物的发酵作用而产生的，属于二次能源，具有可再生性。农林副产物的发酵，城乡污水、垃圾与粪便的处理均会产生大量的沼气，因此沼气发电对污物的处理与环保都具有非常重要的意义。

4.6 远洋船舶及海洋钻井平台的应用

船舶的动力装置通常有汽轮机、柴油机、燃气轮机和联合动力装置等，柴油机占据了船舶动力的主导地位。但柴油机多用于排水量在50000t级以下的船舶，超过该排水量的大型远洋船舶则使用燃油锅炉和蒸汽轮机发电机组。因船舶柴油机及锅炉使用重质燃料油，硫含量较高，因此国际MARPOL73/78防污染公约附则Ⅵ规定，总重400吨及以上的船舶或平台，所使用的任何燃料油硫含量不超过4.5%，随着环保要求的日趋严格，该公约要求自2012年起，燃料油的硫含量不大于3.5%，到2020年不大于0.5%。对于以蒸汽轮机为动力的超大型远洋船舶，要求船上安装高效废气净化装置，以确保其排放符合防污染公约要求。面对要求日趋严格的海洋环保公约，LNG动力船舶受到关注，该船舶以LNG为燃料，以燃气轮机为动力装置进行发电或联合循环发电，为船舶动力等设施提供用电。LNG作为燃料可大幅度减少污染排放，甚至实现零排放。此外，LNG动力船舶还具有以下功效：①燃气发电的余热还可以用来淡化海水，为船员提供生活用水，从而减少淡水的携带量；②LNG气化时产生的冷能可用于船舶的空调制冷及食品保鲜；③LNG不仅是动力燃料，也可用于炊事燃料；④燃气轮机油或燃气与蒸汽联合循环涡轮机油换油周期较长，可延长船舶的换油养护周期，由此节省大量的润滑养护费用。燃气发电不仅适用于船舶，还可用于海洋油气钻井平台，而且燃料可直接采用海洋油气田生产的天然气。endprint

4.7 其他领域的应用

以燃气轮机为动力源的燃气发电，不仅可使用天然气为燃料，还可使用煤气等各类可燃性气体。目前为了减少污染排放，政府对煤电的要求越来越苛刻，而且提高了燃煤发电的税收。煤炭行业为了生存，开始由直接燃煤发电向煤炭气化发电转变，即利用煤炭气化产生的煤气CO用于燃烧发电，使污染排放大幅度降低。

5 对未来发展前景的展望和相关建议

5.1 天然气来源的保障

发展天然气发电的核心问题就是天然气的来源能否有充足的保障。从目前的勘探情况来看，国内天然气已探明储量约为3.8×1013m3，而且随着勘探技术的进步新增探明储量还在不断增加。进口天然气也在持续增长，俄罗斯、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和蒙古等陆地邻国都有着丰富的天然气资源，而且修建了中俄与中吉乌油气管道，尤其是当前欧美国家对俄罗斯进行制裁，欧盟国家减少了对俄罗斯天然气进口的依赖，迫使俄罗斯天然气出口由西向东转移，使中国进一步扩大了进口天然气来源。液化天然气LNG的进口量也在持续增加，卡塔尔、澳大利亚和印尼等LNG的主要出口国在当前经济不景气的情况下产能已严重饱和，使中国市场成为LNG需求新的增长点。

另外非常规天然气，如煤层气、页岩气及可燃冰等，经勘探表明储量较常规天然气更为丰富，一旦开采技术取得突破，天然气有望超过煤炭成为第一大能源。由此可见，天然气的来源十分丰富，发展前景广阔。

5.2 燃气动力装置的发展

燃气轮机已作为集中式大功率天然气发电机组的动力装置，而且形成了联合循环发电，使热能利用率得到进一步的提高，目前我国已成为世界最大的燃气轮机潜在市场，燃气轮机已纳入长期发展规划中，尤其是重型燃气轮机为国家优先发展的10项重大技术装备之一，也是国家装备制造业重点发展的领域。

此外随着分布式小型燃气发电机组的推广，小型或微型燃气轮机以及燃气发动机的研发也十分活跃，将越来越多地用于中小型天然气田和油田的开发，以及可燃性气体的回收利用。尤其是对于新能源汽车的发展，车载式LNG燃气发电机有望成为混合动力汽车未來的主要动力源。

【参考文献】

【1】李浩军，冯良，陆萍.小型燃气发电的技术经济分析[J]. 城市煤气，2001，321（11）：13-16.endprint