天然气发电讲解

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1、天然气发电技术,唐建峰,天然气发电技术,一、天然气发电技术概述 二、天然气在热电联供系统中的应用 三、天然气联合循环发电系统 四、天然气发电技术发展动向,20世纪80年代以来，天然气在发电领域的消费增长速度较快，增长部分主要集中在发达国家。发展中国家的天然气发电技术尚未得到普遍采用。但随着天然气一蒸汽联合循环发电装置单机容量的不断扩大，热效率不断提高以及优越的环保效益，天然气发电今后在发展中国家将有广阔的发展前景。 天然气发电技术的特点 天然气发电与传统的发电技术相比，具有以下优点： 对环境的污染小； 热效率高；,一、天然气发电技术概述, 占地小、定员少； 投资省 调峰性能好； 发电成本低。

2、由此可见，天然气发电与传统的发电技术相比，有更好的社会效益和经济效益。,一、天然气发电技术概述,天然气发电技术快速发展的原因 近20年，天然气发电得到快速发展的原因归结如下： （1）丰富的资源奠定了天然气电站发展的基础 世界天然气储量迅速增长，而且天然气资源的地理分布较广，有利于避免区域性市场垄断的风险。同时近年来天然气勘探、采集、输送上的科技进步为资源的合理利用奠定了坚实的基础。 （2）环保上的优势促进天然气在电力工业上的应用 在煤、燃料油和天然气三大化石能源中，天然气具有明显的环保优势，这对解决中国目前环境污染问题极具现实意义。,一、天然气发电技术概述,（3）发电技术的进步提高了天然气发电

3、的经济效益 燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电技术的进步对天然气电站的发展，起了决定性的推动作用。相对于其它发电方式，联合循环发电厂的投资较低，天然气发电在经济上颇具竞争力。 （4）世界电力工业市场结构的转变促进了天然气电站的发展 从20世纪80年代，国外电力工业的模式发生很大变化，电力市场已从完全由政府控制改变为向私人经营者开放。其结果是厂商对发电方式和装置有决策权，而热电联供系统与燃气轮机在联合循环发电系统中应用的优势正好能满足厂商的要求。,一、天然气发电技术概述,天然气能量的梯级利用 （1）能量梯级利用的概念 为了提高燃料的利用效率，依据工程热力学理论，借助系统工程的方法，综合研究整个工厂的

4、能量传递、转化和利用的过程，按能量的品位合理安排发电和供热的生产方案，做到热电联供，从而大大提高能源的利用率，这就是所谓的能量梯级利用（如图1所示）。采用此种方式安排能量利用的工厂也称为“总能工厂”。,一、天然气发电技术概述,图1 能量梯级利用示意图,能量梯级利用概念的具体应用有多种形式，如热电联供、燃气-蒸汽联合循环发电，显热利用、注蒸汽燃气轮机和湿空气燃气轮机等，但其基本形式是热电联供和联合循环发电。 热电联供是指从一个能源转化顺序中取得热能和电能两种有效能量的供应技术。 联合循环发电是指一个能源经燃气轮机输出动力后，再利用其高温烟气和余热锅炉中发生蒸汽，并带动蒸汽轮机发电。,一、天然气发

5、电技术概述,天然气发电技术,一、天然气发电技术概述 二、天然气在热电联供系统中的应用 三、天然气联合循环发电系统 四、天然气发电技术发展动向,二、天然气在热电联供系统中的应用,天然气热电联供系统具有高效、节能和灵活方便的特性，能 适应工矿、商场和住宅小区等独立分散供电和供热的需求，在 发达国家的电力工业中得到了广泛应用。 （1）热电联供系统基本原理 （2）热电联供系统中使用的热机类型 （3）燃气轮机的技术特点 （4）热电联供系统的应用,（1）热电联供系统的基本原理 热电联供发电主要有三种型式：蒸汽轮机型、燃料电池型和燃机型（包括燃气轮机型和往复式机型，广义而言，燃气轮机也属于内燃机范畴）。天然

6、气发电的主要型式是燃机型。 燃机型热电联供系统的基本原理是：以天然气燃烧后的高温气体为工质，先在燃机内膨胀做功并输出动力发电。做功后的高温烟气再在余热锅炉中发生蒸汽（或以其他方式直接利用高温烟气的热能），如图2所示。,二、天然气在热电联供系统中的应用,图2 热电联供系统结构和操作特征,（2）热电联供系统中使用的热机类型 热电联供系统中使用的热机有：燃气轮机（主要是天然气燃气轮机）、天然气点燃式内燃机（简称天然气内 燃机）、柴油压缩式内燃机（简称柴油机）。天然气燃气轮机热电联供系统主要由燃气轮机和余热锅炉组成。 三种类型热机的能量利用状况及其适用范围可大致归纳为： 发电能力 在热电联供系统中，燃

7、气轮机一般应用于发电能力2000kW以上且热电比例较高的场合；柴油机和天然气内燃机则一般用于发电能力低于2000kW的热电联供系统；与柴油机相比天然气内燃机还可应用于发电能力更低些的热电联供系统。,二、天然气在热电联供系统中的应用, 发电端效率 总体来说，燃气轮机的发电端效率低于内燃机，三种热机的发电端效率大致范围如下： 燃气轮机发电端效率为20%30%，最高可达35%； 天然气内燃机发电端效率为30%35%，最高可达38%； 柴油机发电端效率为35%40%，最高可达45%。 总能量利用效率 使用上述三种类型热机的热电联供系统的总能量利用效率均可达到70%80%。通常燃气轮机热电联供系统的热/

8、电比例高，排出的大量高温烟气比较适用于对其它工业部门供热，而且其热/电比例可在一定范围内灵活调节。,二、天然气在热电联供系统中的应用,（3）燃气轮机的技术特点 燃气轮机是一种旋转式热机，其技术特点可大致归纳为以下六点： 燃气轮机运行中的废热发散到大气中，无需使用循环冷却水系统，且润滑油用量也比内燃机低，故其运行成本较低。 燃气轮机运行可靠，维护方便且费用低，可完成长期连续的发电和供热任务。 燃气轮机发电的启动速度快，可承担紧急需要时的供电、供热任务。,二、天然气在热电联供系统中的应用, 燃气轮机具有较明显的环境优势，它不仅从提高能量利用效率的角度减少了大气污染的排放，而且其噪音也比内燃机小。

9、燃气轮机适用的燃料较内燃机宽，且可利用蒸汽返回技术灵活调节热/电比例，故有利于适应用户在不同季节和工艺条件变动时对供电和供热的要求。 燃气轮机在极高温度下运行，对设备材质和加工精度要求甚高，因而投资也较高。 由于燃气轮机有一系列优点，它已在工业用的热电联供系统中获得广泛应用。,二、天然气在热电联供系统中的应用,（4）热电联供系统的应用 热电联供装置一般是用户自备自用的独立分散的供电和供热系统。它的发电能力在一定范围可灵活调节，不受电网负荷的干扰，也几乎没有线路损耗。 以天然气为材料的热电联供装置更有其突出的优点，如：无需燃料储存和预处理设施、设备简单且容易操作、对环境污染小等，特别适合同时需要

10、供电和供热的人口稠密居住区、商业区和大型工厂。 预计随着这种系统的增加，未来将可能形成中心电网和独立分散发电系统相结合的供电方式。,二、天然气在热电联供系统中的应用,热电联供系统排出的高温烟气除了用余热锅炉发生蒸汽加以利用外，也可以直接利用其所含之显热。因此，用于燃气轮机的天然气的热能大部分都得到利用，提高了能源的总利用效率。,二、天然气在热电联供系统中的应用,天然气发电技术,一、天然气发电技术概述 二、天然气在热电联供系统中的应用 三、天然气联合循环发电系统 四、天然气发电技术发展动向,三、天然气联合循环发电系统,（1）天然气联合循环发电系统概述 （2）天然气联合循环发电系统的结构 （3）天

11、然气联合循环发电装置的技术经济特点 （4）天然气联合循环发电系统在特殊领域中的应用,（1）天然气联合循环发电系统概述 天然气联合循环发电系统主要由燃气轮机、蒸汽轮机和发电机等设备组成。天然气燃烧生成的高温烟气在燃气轮机做功并发电后，排出的烟气在余热锅炉中产生蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机再做功并发出电力。 联合循环发电系统将燃气轮机和锅炉-蒸汽轮机在不同温度区间运行的热力循环组合在一起，其热效率可达到50%以上。近20年联合循环发电系统迅速发展。,三、天然气联合循环发电系统,天然气联合循环发电系统得到快速发展的原因主要有三个： 天然气储量与产量的增长从资源角度提供了发展的保障。 联合循环发电技术的长足

12、进步，使该系统的发电效率大幅度提高。 燃气轮机输出功率的大幅度提高。天然气燃气轮机联合循环发电系统不仅可以满足供电局需要，也可以作为基荷电站。,三、天然气联合循环发电系统,（2）天然气联合循环发电系统的结构 以德国西门子公司开发的带天然气预热的组合式三级压力蒸汽再热型联合循环发电装置为例（见图3），讲述一下天然气联合循环发电系统的结构： 该系统采用3A系列燃气轮机，其燃烧室有24个均匀呈环状分布的燃烧器； 采用多级动力涡轮和空气压缩机等技术，使燃气轮机效率提高到38%。 通过与高、中、低三个级别的余热锅炉和蒸汽轮机配套组成的GUD型联合循环发电机组，使净发电效率提高到57%。,三、天然气联合循

13、环发电系统,图3 带天然气预热的组合式三级压力蒸汽再热型联合循环发电装置,（3）天然气联合循环发电装置的技术特点 天然气联合循环发电装置的技术特点可归纳为： 天然气联合循环发电比燃煤蒸汽循环效率高。 天然气联合循环发电电站的投资较低。 天然气联合循环发电电站的建设周期短。 天然气联合循环发电的CO2排放量少，对环境的污染小。同时，天然气电站排出的其他大气污染物比燃油或燃煤电站低的多。,三、天然气联合循环发电系统, 天然气联合循环发的操作成本比燃煤蒸汽电站低，但天然气价格是决定发电成本的关键因素。 天然气联合循环电站还具有占地少，用水量少，环境相容性好，发电可设置在用户附近以减少输配电设施和线路

14、损失等一系列优点。,三、天然气联合循环发电系统,（4）天然气联合循环发电系统在特殊领域中的应用 电站扩容 工厂自备电站或城市小区电站需要扩建时，可在原有的蒸汽轮机前安装一台适当的燃气轮机发电，排出的高温烟气用以过热进蒸汽轮机前的蒸汽，达到在增加发电能力的同时提高热效率。 过热式垃圾发电 焚烧垃圾时一般温度不宜过高，所发生的蒸汽温度一般仅300左右，直接送入蒸汽轮机发电，效率不足15%。,三、天然气联合循环发电系统,利用电站扩容的原理，只要在蒸汽轮机前安装一台燃气轮机发电机，利用排出的500600 的高温烟气来过热焚烧垃圾锅炉发生的蒸汽，然后用过热蒸汽发电，可使全厂总发电效率提高到20%25%。

15、联合循环发电系统的此种应用称为过热式垃圾发电。原理图如右图所示。,三、天然气联合循环发电系统,图4 过热式垃圾发电,天然气发电技术,一、天然气发电技术概述 二、天然气在热电联供系统中的应用 三、天然气联合循环发电系统 四、天然气发电技术发展动向,热电联供和联合循环发电系统的开发成功，为天然气在发电技术上的应用展现了广阔的应用前景。总体而言，实现天然气发电技术进步的核心问题是提高燃气轮机的技术水平，这也是天然气发电能获得迅速发展的关键所在。 当前，燃气轮机的技术发展动向可归纳为： （1）采用多种措施进一步提高燃气轮机的效率； （2）在燃气轮机单机容量大型化的同时，开发容量数十千瓦至数百千瓦的小型燃气轮机，以满足大量中、小型用户对热电联供的需求。,四、天然气发电技术发展动向,（3）采用程序燃烧技术； （4）采用新型燃烧技术（如贫燃烧、分段燃烧技术等），降低燃烧过程中NOx等大气污染物的生成量，并采用各种排烟处理技术保护环境。 （5）发展热电可变型燃气轮机以满足用户在季节或工艺变动时改变热/电比的需求。,四、天然气发电技术发展动向,本节完,