燃气轮机发电技术的发展及其天然气能源利用

燃气轮机发电技术的发展及其天然气能源利用

上海交通大学 翁史烈 陈汉平 苏明

　　西方工业发达国家发电能源利用率高、排放污染物少的重要原因之一是天然气（包括石油）在发电用一次能源中占有较高的比例，而且形成了成熟的以燃气轮机为中心的高效清洁发电技术。我国一次能源消费中煤炭占75%以上，以煤为主的能源结构在相当长的时间内不会改变，世界上最终解决燃煤发电高效、清洁问题的也必定在中国。

    一. 热电转换技术发展的历史轨迹和启示

　　总结了热电转换的四十年历史，也预测了今后数十年的发展。由图可见，在过去漫长的岁月中热效率始终徘徊在40%以下，进展缓慢。在80年代之后，情况发生了变化，热效率有了明显提高，而且方兴未艾，进一步的目标将是突破60%大关，甚至达到70%以上。

　　我们还可以看到在热效率提高中做出贡献的设备是加压流化床（PFBCI代PFBCII代）、燃气--蒸汽联合循环（CC）、燃料气化联合循环（IGCC）、超临界和超高临界循环（SC、USC）、湿空气透平循环（HAT）、燃料气化湿空气透平循环(IGHAT)直到燃料电池--燃气轮机联合循环（SOFC-CC）。

    所示大半个世纪的发展给以我们非常重要的启示：

　　1. 80年代以后热能转换技术的发展趋势之所以有重大转机，其根本原因是在总能系统的思想指导下，热能转换打破了单一热力循环的约束，而是按能量的梯级把多种热力循环综合集成为复合循环，从而打破了能源利用率数十年徘徊的局面，而且今后还将打破热力学第二定律的限制，把热效率提高到70%以上。当然，热电转换效率的提高也应该归功于材料的改进、气动设计的完善、热力参数的优化、燃烧过程的合理组织等等因素。

　　2. 上述许多有贡献的设备中，除了超临界、超高临界外，全都和燃气轮机有关。在这些先进的热力系统中，燃气轮机占有重要的、不可缺少的核心地位！

    二．热力系统中燃气轮机的核心地位

　　燃气轮机的发展道路是艰难的，其原因是它的高温性和高速性所引起的技术难度，只有高温合金的研制成功、高速气体动力学的发展和完善，才给燃气轮机进入实际应用打下基础。

    本世纪20年代起燃气轮机开始进入工业界的各个领域。

　　40~50年代，在航空推进领域中，燃气轮机（包括喷气发动机、涡扇发动机等）开始占有优势，并渐渐占为绝对优势。

　　70年代以来，舰用燃气轮机迅速发展。美、英、苏、德、日等国在70年代以后建造的大、中、小型水面舰艇的主动力绝大部分采用全燃气轮机动力装置或柴油机--燃气轮机联合动力装置。1955年燃气轮机装舰总功率仅为20万马力，1965年为240万马力，1978年为2366万马力，1987年为3800万马力，在30年跨度中燃气轮机装舰总功率竟增加了200倍！到1988年为止，有56国家、948艘舰艇安装了2510台燃气轮机，其中包括6艘轻型航空母舰[1]。可以说，主力水面战斗舰船绝大多数采用燃气轮机作为主动力，商船用燃气轮机也初露头角！

　　90年代以后，随着联合循环的实用化进程，在发电领域中燃气轮机的核心地位也正在逐步形成。

　　可见燃气轮机在海、陆、空都占有重要地位。当然，之所以如此的原因是各不相同的：在航空领域占有优势的原因是高速飞行下的推进效率；在航海领域是机动性、重量尺寸和隐蔽性；在发电领域则是燃气轮机在形成复合循环时的特殊优点。

　　正由于燃气轮机的重要性，各国政府、国际学术界和企业界都非常重视燃气轮机的开发和研究，许多国家制订了有名的研究计划（下表）。

    燃气轮机发展计划

    国名 计划 期限 资金 技术指标

    美 IHPTET 1987-2003 45亿USD 推重比翻番

    美 ATS 1992-2000 7亿USD T3=1427°C，hs=60%，NOx<9ppm，CO<10ppm

    美 ATS VISSION21 hs=60%（煤）hs=60%

    美欧 CAGT CE90，PW4000，TRENT改为先进燃机实现ICAD方案（作为HAT第一步）T3=1427°C ~1428°C

    欧共体 EC-ATS hs=40%，hcc360%

    日本 月光 五项目中第一项：先进燃气轮机赶超国际

　　所有这些发展计划的共同特点是大量资金投入、极高的技术指标、锲而不舍的长时期探索。有些计划已实施多年，目前已开始总结，例如美国的ATS计划，1997年11月在Pittsburgh召开了ATS计划的总结会。会议确认了ATS计划确实是一个成功，该计划产生的硬件系统将在日益增长的、以天然气为基础的燃气轮机（2000-2020）市场中起重要作用。当今，ATS计划将把焦点放在中等功率燃气轮机和固体燃料联合循环的下一代技术上。

    三．燃气轮机技术的发展前沿

　　为满足能量转换高效、洁净的需要，燃气轮机技术会在以下诸方面得到充分的发展。

    1． 联合循环

　　联合循环是个古老的思想，1939年秋瑞士推出世界第一台4000KW发电用燃气轮机。短短十年之后，燃气--蒸汽联合循环发电装置就投入运行，其废热利用的优点是显而易见的，但问题是这个优点后来竟得到如此巨大的发挥，使燃气轮机得以跻身于重要动力设备的行列，并逐步取得动力系统中的核心地位，这种发展却是许多人都没有想到的。

    事实上，联合循环的思路得到发扬光大，派生出许多很有前途的分支，最主要的分支有以下四类：

　　(1) 与燃料气化相结合的联合循环（IGCC）。这是清洁能源技术，对我国非常有吸引力。这里的燃料不单单是煤，而且包括生物质、渣油等。

　　(2) 蒸汽回注循环（STIG）。废气锅炉产生的蒸汽回注入燃烧室，和燃气混合，共同进入涡轮作功。其优点是省去蒸汽透平及其附属设备，其特点是双工质平行工作而不是串行。

　　(3) 湿空气透平循环（HAT）。它是一种更完善的双工质平行循环。在热力系统中，有些地方需要排热（例如压气机的中冷、透平的排气废热等），有些地方则要吸热（例如水的提温、汽化等）。湿空气循环的突出优点是按能量梯级利用的原则把排热充分利用，从而减少从燃料中获取的热量，达到节省燃料、提高效率的目的。该循环的另一个优点是混合工质所形成的低损耗。由于热能转换的完善性，它被誉为21世纪的新能源系统。

　　(4) 与燃料气化相结合的湿空气透平循环（IGHAT）。须特别指出的是燃料气化过程中的排出废热可以在湿空气循环中利用，从而提高工质的湿化程度，并提高湿空气循环的效率。

    2．复杂循环燃气轮机

　　复杂循环燃气轮机的思想在数十年前已经形成，但思想的实施在当时的技术水平上遇到较大的困难。五十年代的RM60机组就是一个案例。几十年后在新的技术、工艺、材料水平上复杂循环燃气轮机终于取得了成功。具有中间冷却、回热的25MWMarineWR型完成了500小时的试验大纲，实际参数比美国海军1991年给定的要好，可望在1999年批量生产！据报道，中间冷却使发动机功率增加了25%，而回热器和动力涡轮的可变面积喷嘴的结合使油耗下降了30%~40%[6]。

    3．燃料电池--燃气轮机联合循环

　　1999年底，随着美国欧文（IRVINE）世界首台燃料电池--燃气轮机混合动力系统的安装、运行，先进能量系统的历史上一个重要的里程碑将要到达[2]。该机组的主要特征如下：

    1. 燃料电池类型：固体氧化物（SOFC）电解质，管式。

    2. 联合动力系统净效率：56%~57%，优化后达60%以上。

    3. 功率分配：总功率250KW，其中燃料电池80%，燃气轮机20%。

    4. 燃料电池中工质压力：3.5atm。

    5. 燃料类型：天然气。

    6. 投资：1500美元/KW。

　　上述机组按计划应该在2000年中期送电上网。此外，有消息报道：1~2万KW混合系统也在国际上著名的公司中建造，估计不久就可进行调试。

　　燃料电池是燃料的化学能直接转换为电能的新型能源，这种能量转换不受热力学第二定律的约束，转换效率可以突破卡诺循环效率的限制。燃料电池的高效、洁净引起世界各国的极大关注。对发电而言，最有发展前景的是熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。这两种电池都可形成一定规模的供电能力，它们都工作于较高的温度，其中MCFC为600°C~700°C，SOFC为1000°C，所以都属于高温燃料电池，而PEMFC等称为低温燃料电池。

　　高温燃料电池排出的600~1000°C高温气体，从能量角度看，不应该不加以利用。可以预见：在发电领域中高温燃料电池的实现形式一定不是单一的燃料电池，而是燃料电池和其它热力系统联合的混合系统，其中最成熟的是高温燃料电池与燃气轮机或高温燃料电池与燃气--蒸汽联合循环结合的混合系统。就是这种混合系统的热线图。

　　值得指出的是该线图中压气机C出口压力为3.5大气压，回热器出口空气温度为600°C，燃料电池SOFC出口温度1000°C。启动时，燃料电池不工作，燃气轮机由燃烧室中燃料燃烧提供高温高压工质而作功，一旦燃料电池所需工作条件建立，燃烧室自动切断。此后，燃气轮机由燃料电池提供的高温高压工质继续作功。

    5．高性能小功率燃气轮机

　　为满足分布式供电的需要，高性能小功率燃气轮机的研制也是一个重要的动向。分布式供电和集中供电相结合将使今后的电力供应更加安全可靠，富有柔性。

另外，值得指出的是增压流化床技术的发展又为燃气轮机的应用开辟了广阔的前景。

    四．燃气轮机发电中的天然气能源利用

　　由于我国油、气一次能源短缺，长期抑制了发电用燃气轮机技术的发展，尤其是燃气轮机制造技术大大落后于国际先进水平?quot;西气东输"为发展燃气轮机发电提供了极好的机遇，120亿立方米天然气的使用地点主要在上海，用户就是发电、化工和民用能源。此外上海还将获得来自东海气田的天然气供应。另一方面，随着环保的要求的提高，在人口密集的大都市燃煤发电受到的限制越来越多，发电成本也急剧升高，燃气、燃油的燃气轮机清洁发电已经具备了足够的竞争能力。燃气轮机发电优良的调峰能力也具有强烈的吸引力。鉴此，在部分大城市发展燃气轮机发电的时机已经成熟，我国现阶段发电能源应该走以煤为主，辅以天然气的道路。上海市政府已作出决定，今后将不再规划建设大型燃煤电站，转向发展利用天然气的燃气蒸汽联合循环。此外，在能源结构变化中我们还必须考虑蕴藏超过其它化石能源总和的天然冰，这是海底形成的一种水包天然气固体燃料，单位体积的潜藏能量是同体积天然气的164倍，我国东海有丰富的资源。天然冰是极有前途的未来化石能源。

    五．燃气轮机发电技术发展中的两个重要方向

　　燃气轮机发电技术的发展有以下两个重要方向：

   （一） 大功率燃气蒸汽联合循环

　　燃气蒸汽联合循环包括常规的燃气轮机和蒸汽轮机联合循环，以及把燃气轮机与蒸汽轮机合而为一的注水、注蒸汽、湿空气燃气轮机循环。大功率燃气蒸汽联合循环以天然气为主要能源，发电效率大于50%，明显高于现有发电设备，并具有良好的调峰能力，它们将与水电、煤电（大功率蒸汽轮机）、核电一起构成完整的供电组合。由于我国发电用燃气轮机制造水平比较落后，目前这种大型设备只能依靠引进。通过引进一批先进的设备和技术，尽快改善我国发电设备的组合结构，掌握先进技术，积累运行经验，同时通过消化、创新和合作生产等方式为以后自主生产及进一步发展燃煤联合循环提供基础。上海市计划在"十五"期间启动的燃气轮机联合循环发电项目就属于这一方向。

   （二） 分布式供能系统

　　过去，为了追求高效率，电力建设总是办大电厂，集中发电，单机功率越来越大，然后通过电网输配电到用户。今天，由于技术的进步，集中的大容量发电和分布的小容量发电都能获得高效率，两者的合理配置能够得到最佳的效果。先进的小功率燃气轮机与回热、吸收式制冷组成的电、热、冷多联供系统可以在当地获得高效率，如果设计得当就可以获得比集中供电更好的经济效果，污染水平也能令人满意，因而非常有生命力。分布式供能系统的现实性已经开始出现。

　　分布式供能还带来了可靠性高的优点，在城市里适宜用于机场、车站、大厦、医院、特殊企业、住宅小区等综合用能单位，金融、计算中心、防空部队等电源不可间断的重要部门。城市里分布式供能系统生产的电能不仅可以自用，还可以并网输出。只要协调得好，就能够为平衡电网峰谷差，获得高的经济效益作出贡献。在偏远的农村、渔区和牧区，分布式供能系统的优越性更加突出，建设周期短，成本低，灵活机动性好。西方工业发达国家已开始实行电能买方和卖方的双向自由选择，国家只掌管电网，发电和用电两端都放开，完全按市场方式运作。实践证明了这种供电用电方式的的优越性，促进了竞争，提高了能源利用效率和服务质量，减低了用电成本，它的成功又反过来促进分布式供能系统的发展。上海市黄浦区中心医院建设的"爱能岛"工程就是一个小型的分布式供能系统，运行表明这套系统在技术上是成功的，只是由于管理上的原因，尚不能真正发挥它的作用。由此可见，分布式供能系统的技术是可行的，成败的关键在相当程度上取决于供电管理的改革。其中转变观念以及将信息化高科技引入传统的供电系统，合理调度，正确核算都将起到十分重要的作用。同时，应当认识到供电和用电的市场化改革是不可改变的发展方向。

　　特别值得重视的是燃料电池的发展，这是一种发电领域高效率低污染的高新技术。高温燃料电池与燃气轮机组成的联合发电装置最有可能首先在分布式供能系统中取得广泛应用。从理论上讲，燃料电池联合装置不受热力学第二定律的约束，从而可能获得超过卡诺循环的效率，达到很高的经济性。从技术上讲，发电用的高温燃料电池尽管工作温度较高，在材料和设计上有一定难度，但与汽车用的常温燃料电池相比，因其无需在催化条件下工作，成本和寿命的问题都比较容易解决。可以推测它将先于常温燃料电池获得应用，日本、德国等工业发达国家燃料电池的发展实践已经证明了这一点，特别是工作温度为650~700C的MCFC高温燃料电池正进入或接近实际应用阶段。上海交通大学研制的400瓦级MCFC燃料电池已解决了电极材料问题，实现了连续稳定发电，现正着手扩展电极板尺度，发展千瓦级试验装置。"十五"期间将进一步引入天然气重整和燃气轮机技术，研制100千瓦级MCFC燃料电池燃气轮机联合装置，其中70%的输出功率由燃料电池提供，30%的功率由燃气轮机提供。由于联合装置中燃气轮机的工作温度并不很高，需要解决的主要问题是燃料电池与燃气轮机的性能匹配，技术上获得成功的可能性很大。由100千瓦级燃料电池燃气轮机联合装置为主体组成的分布式供能系统在输出功率和发电效率等重要性能都具有极强的竞争力。

    参考文献：

    [1] 论开发我国舰艇用燃气轮机系列的技术基础和理想途径，郑明、翁史烈等。

    [2] 250KW fuel cell -gas turbine hybrid to start operational testing nest year, Victor de Biasi, 《GAS Turbine World》, Vol. 29, No 4, 1999.

    [3] 100KW Automotive Ceramic Gas Turbine R&D Program, Petroleum Energy Center, Japan, 1997.

    [4] Arco operating Ceramics Centaur to evaluate actual field service, Irwin Stambler, 《Gas Turbine World》, Vol. 27, No 5, 1997.

    [5] Technical and Economic Aspects of Using Fuel Cells in Combined Heat and Power (CHP) Cogeneration Plants, Wolfgang Drenckhaln etc. VGB Conference, Essen, 1990.

    [6] Marine Wr-21 succeeds in 500 hr. ICR production gas turbine test program. Fulton K. 《Gas Turbine World》, 1997.

作者： 编辑：白桦