燃气轮机发电技术应用综评

作者：糜洪元 赵联城 刘铎隆

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 摘要：本文综评燃气轮机发电技术的高度发展水平，在电力结构中发挥补充作用，以及在目前应用中存在的主要不足和局限性，提出新世纪的发展之路 关键词：发展燃气轮机发电电力结构补充局限性发展之路 半个多世纪前热力学科学论断燃气-蒸汽轮机联合循环发电有其突出优点。今天我们才真正看到这种发电技术已到成熟和被广泛应用，这说明一种有前途的技术从理论到实践、成熟和广泛应用是经历一条历史的长河。由此还可断定，燃气轮机发电技术还并不会到此为止，当今的燃气-蒸汽联合循环发电既有其广阔应用的前景,在发展中比起其他发电技术也有着某些的不足或有局限性。这是我们今天评论这一技术领域总的观点。 1、燃气轮机发电技术已达到高度发展的时代 目前就世界范围而言，燃气轮机发电已是电力结构中的重要部分，在新增发电容量中更占主要份额。以1996年6月到1997年5月为例，世界燃气轮机订货数达892台，总功率28552MW，随后的几年订货台数大致保持在这一水平，订货总功率数则更有增长。1998年6月到1999年5月，世界燃气轮机订货量达875台，总功率翻了一番，达到64254MW，这是说明大功率机组尤其快速增长，美国能源部能源信息中心（DOE·EIA）统计，截止1998年1月1日，美国Uiiliiv燃气轮机及联合循环装机容量达79355MW，占美国Utility总装机容量750920MW的10.5％。 燃气轮机发电快速扩大应用就是取决于技术的高度发展，而其核心技术又是达到最高的能源利用效率，实现布雷顿（Bragton）循环和朗肯（Ranking）循环的结合，逐步超过和扩大与常规火力发电技术差距，五十多年来具有代表性的技术进展有： （1）透平前燃气的进口温度由早期的600～700℃，到现在一一般水平都已超过1100℃，有些已投入商业运营的机组，燃气进日温度达到1288℃，高的甚至达1430℃。 （2）燃气轮机简单循环的热效率已由早期的16％～25％，现已提高到36％以上，高的达38％～39.5％。 （3）燃气轮机高温部件（涡轮喷咀，动叶）的材料，由最早的GJ450、U500、In738等一般合金材料，发展到合金金相结构控制的材料，出现了同向结晶或定向结晶的GTDII1，DS GTD111，最新材料已使用单晶工艺。金属材料的进步还表现在涂层的应用上。涂层减轻了腐蚀和氧化，使用寿命增长了10～20倍，早期有铂铝（Pt Al）涂层，后来又发展等离子保护GT-29和CT-29IN-PLUS TM等。先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高150～200℃左右。 （4）在改进高温部件材料的同时又不断改进冷却技术。早期喷咀和动叶采用对流，冲击等空气冷却，现已广泛采用气膜冷却、发散冷却。最新蒸汽闭式循环冷却技术可使透平前燃气进口温度再提高500～800℃。 （5）燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发展到100 MW以上等级的大机组，近年来250～300 MW的机组也已投入商业运营。 （6）燃气轮机发电已广泛实现能量的综合利用，循环方式多样化，特别是燃气一蒸汽联合循环发电技术更为完善，装置净效率已提高到58％-60％，出现了燃气、蒸汽集于一体的单轴机组。 2、可持续发展最有希望的发电技术 二次大战后世界经济的发展使人们逐渐预感到赖以生存的地球资源、能源有限和生态环境被加剧破坏，对人类构成长远威胁，可持续发展战略是人类智慧的结晶。电力是现代文明的象征，但是发电能源的消耗和对环境的污染又成为可持续发展的难题。 现今常规燃煤火力蒸汽发电仍占主要位置，燃气-蒸汽联合循环发电因在一些方面有其优点，已起到电力结构中的补充作用，并在某些领域内可替代常规火力发电，这类电力消耗的能源离不开煤炭、油、气等化石能源。大量的能源消耗占全球一次能源消耗的35％。据估计全世界可采煤炭资源尚可再用200年，天然气可用100年，石油只够用40年。解决能源的资源枯竭已到刻不容缓的地步。化石能源的超度利用还带来严重的环境污染，其中最主要的一项是CO2、SO2、NOx等温室气体排放带来的危害，因此归结在人们面前的两大课题是能源有效利用和减少环境污染。 虽然蒸汽轮机发电以超临界或超超临界提高蒸汽初参数来提高热效率，但是毕竟不及燃气轮机采用燃气的布雷顿循环更有效，且随着蒸汽参数的提高，技术上的困难性以及造价和可靠性都受限制；此外，燃气轮机发电技术在对有害气体排放污染上的有效控制同样优于常规火力发电。表1列举常规火力发电和燃气一蒸气轮机联合循环发电效率的实例比较。 除火力发电外，人们还在努力开发水电、核电，积极研究燃料电池，太阳能发电或其他新能源。但各种能源利用中，多以电能为终端能源。在能量转换为电能时又以空气或水作为介体。例如核电实现TD循环（一个燃气轮机联合循环发电。一个蒸汽混合器及一个核反应堆组成的核电站），高温燃料电池（MCFC或SOFC）与GT的混合系统。燃气-蒸汽轮机联合循环的介人使这些发电新技术的热效率大大提高，可以看到燃气轮机还有希望成为下一代发电新技术的支持。 3、燃气一蒸汽联合循环在现阶段还只能是电力结构中的一种补充 先进性和实用性是两个概念。长期发展趋向和今天广泛应用也不能相提并论。燃气轮机发电技术发展至今仍有其不足之处，在相当长的一个时期内，燃气一蒸汽联合循环仍只能是电力结构中的一种补充，可谓用其所长，补其不足。 3．1更广泛应用燃气一蒸汽轮机联合循环必须解决燃料局限性问题 可利用能源中煤炭资源丰富，如果有最高的利用效率，必然是利用成本低廉，成为应用普遍的能源。燃气轮机发电在直接利用煤炭为燃料方面虽作了很大努力，但至今对于煤的处理过程，或燃气轮机直接使用仍没有一种效率很高，成本最低的技术。燃煤的燃气轮机发电的综合能耗或综合成本与常规燃煤火力发电相比还没能突现优点。 3．2如果将燃气一蒸汽轮机联合循环发电作为承担基本负荷连续运行机组，更广泛的应用还须进一步促使一系列新技术的成熟，保证设备的可靠性。 20世纪90年代以来国际上出现一批大功率燃气轮机，简单循环功率120～180 MW以上，一拖一或二拖一的联合循环效率已达55％以上，这种机组一定程度上正在逐步替代常规蒸汽轮机火力发电。有代表性的机型己投运的台数上百套，首台机组最长运行纪录约2～3万小时（见表2）。这些机组采用了最新的高温热部件材料和新型的冷却技术，有的采用分段燃烧，系统大大优化，结构也更趋复杂。与目前普遍使用的常规燃煤蒸汽轮机发电相比，这种新型燃机发电技术的成熟性、可靠性需要有更多数量和更长运行时数的考验。 3．3关于充分发挥燃气一蒸汽轮机联合循环在电力结构中的作用问题 虽然现阶段燃气一蒸汽轮机联合循环只能是电力结构中的一种补充，但是它又越来越显得其可发挥重要作用。 （1）高效大功率的燃气一蒸汽轮机联合循环机组的出现，己可直接替代常规燃煤蒸汽轮机发电机组，因而燃气轮机市场大功率机组占主要份额，据1997年6月至1999年5月世界燃气轮机销售统计，120-180 MW以上功率等级的机组约占全部销售机组总数的70％。可见燃气轮机发电主要还是用大机组，在电力结构中直接替代常规燃煤机组发挥作用。 （2）由于燃气轮机排放污染小的优点，在经济发达地区或人口密集地等特定地区不宜再装燃煤机组，而主要以燃气轮机发电。世界上许多著名大城市作出不再装燃煤机组的决定，由燃气轮机发电替代。 （3）由于燃气轮机起动快，快速反应性能好，在电网中发挥调峰、调节或应急备用的作用； （4）燃气轮机占地面积小，耗水少或不耗水，是海上平台或沙漠地区的发电动力，此外油气田直接使用油、气为燃料，当然应用燃气轮机发电。 工业发达国家从环境保护和引进外来资源出发使用燃气轮机，燃料价格的差额由国家制订政策补偿，例如定名“清洁电力”来区别一般电力，或者采用峰谷制电价等。国家以电力价格政策作为一种行政手段积极推动电力结构的合理配置。 4、新世纪燃气轮机发电技术发展之路 到21世纪的今天，燃气轮机发电技术发展的目标仍然是高效，洁净及便于应用等方面，但是技术路线该有一种革命性的变化。对此加以研究也许能使我国作为新兴的发展中国家缩短发展历程，加快跨人世界先进行列。 4．1必须更加重视能源的优化和综合利用技术 一些发达国家在燃气轮机发展道路上做过了大量的工作，自压气机、透平、叶型、燃烧、材料、涂层、热部件的冷却，以及机械结构、制造工艺和控制技术等等，都是通过反覆试验研究，逐步取得进展的。 例如美国GE公司40年代在航空喷气发动机上按气动理论设计制造第一台压气机，以后的机组在叶型设计上不断试验研究改进，在新型机组上加级增加压比，建立大型的压气机试验台，叶型从亚音速研究到跨音速，超音速，到今天代表最新技术的是采用可控扩压叶型全三维设计。但是从20世纪七八十年代开始涡轮压气机的模化设计技术可以说是最关键的技术，由此开始新研究。设计一台新机组就不必从原始的叶型理论计算、试验开始了，完全可以由现有性能优良机组的水平上模化放大改进了，美国GE公司因此派生出大批机种型号。 又如叶片的材料是燃气轮机提高燃气初温和提高机组热效率的首项技术。各燃气轮机开发公司对高温部件材料从母合金研究开始，发展钴基，镍基，以后研究同向结晶、定向结晶，最新技术采用单晶材料，选定一种新材料往往通过几十种材料的优化筛选，要做金相、蠕变、拉伸、冲击、冷热疲劳等各种试验研究，化费几十年的时间。美国GE依靠叶片材料的改进来提高燃气初温几乎已走到尽头。从GE颁布的材料性能曲线，（见图1）目前采用的DSGTD-111（定向结晶）和SCALLOYS（单晶合金）能使燃气初温的提高已是很有限的，GE在H级机组上采用1430℃的初温是采用蒸汽闭式冷却后得到的，这一技术使燃气初温提高了500～800℃。而蒸汽闭式冷却是利用蒸汽和能源回收的一项能源综合利用技术。 值得注意的是采用能源优化和综合利用是提高燃气轮机发电热效率的有效技术，ABB的GT24和GT26虽然机型不尽成熟，但采用两段分部燃烧可看作是一种革命性的突破。它能在采用不是最高的燃气初温的条件下实现高效率和高性能。例如： （1）初温1260℃（比GE9351FA低67℃），简单循环效率达39.3％（GE9351FA高1.7％）； （2）由于两次燃烧，压气机采用30：1的高压比航空型压气机后，排气温度仍能达到640T（比GE9351FA高48℃），联合循环效率可达58.96％（比GE9351FA约高1.49％）； （3）采用三级可调导叶，使压气机流量调节范围达到60％，因此联合循环机组在50％部分负荷运行时，相对热耗比常规机组低15％； （4）由于两次燃烧环保型燃烧室的采用，EV一次燃烧室火焰温度较低，NOx也较低，SEV两次燃烧室出口的NOx比其在进口更低。 可以认为新世纪燃气-蒸汽轮机联合循环发电高效，洁净，新的道路是能源的优化和综合利用。前段时间在我国一些电厂利用余热锅炉低品位余热来制冷作为压气机的前置冷却，以后也许会有人实现压气机的中间冷却。其他还有双压，三压锅炉和蒸汽的再热等。这种技术的效果来得容易，凭我国现有基础都有能力实现。 4．2必须更加重视发展燃煤联合循环发电技术 世界各国对燃煤燃气。蒸汽轮机联合循环发电技术的开发已不仅是方向性的问题，而且有现实意义了，国外先进技术将1GCC和PFBC燃煤联合循环发电技术已发展到一定的水平，综合热效率和对环境排放污染控制的水平都已优于常规燃煤蒸汽轮机火力发电 燃煤联合循环发电技术尚未被广泛应用的主要原因为： （1）担心设备造价太高，影响将来电厂的综合成本； （2）煤气化高温脱硫、液态排渣和除尘等有一系列新技术没有长期成熟的运行经验，担心电厂可靠性和运行成本高。 可以说一切新事物必定要有一批敢于献身的人走在前面，只有通过反复实践才能取得成熟经验，在初始阶段造价可能高一些，随着应用的扩大、改进、批量增加，造价必然会下降。在这进程中国家要有鼓励和支持的政策措施。 燃煤联合循环发电技术已到临近工业应用的时期，我国作为煤炭储量丰富的大国应该在此项技术上为人类作出一定贡献。我国已将1GCC开发列入国家“九五”计划，现正在开始示范电厂的实施，希望加速第一个示范电厂的建设，不久能见到第二，第三……电厂的出现，另外我国现有一批燃煤或燃油的老电厂正面临淘汰或改造，如果用煤气化来实现老厂的改造，冒的风险更少一些，可以解决提高热效率或改用低廉的煤炭为燃料，又解决环保问题。期望也能选点建成一些示范电厂，这将能带动全国改造一大批电厂，使我国电力技术水平大大提高一步。 4．3注意微型燃气轮机发电技术发展动态，着手研究分布式热冷电联供燃气轮机。 从事物的两重性未分析，大机组和大电网的高度发展必然带到另一端，即出现小机组和分布式电源的发展，到20世纪末，人们发现分布式发电对某些场合，时间和环境确实是一种可靠和有效的方式，加上各种新技术的应用，热，冷。电联供的微型燃气轮机发电技术居然在加速发展起来了。 据了解美国Capstene公司至2000年11月已推出第1000台微型燃气轮机装置。 微型燃气轮机的技术主要包括高转速（10000r/min）的涡轮转子，高效紧凑的回热器。无液体滑油的空气润滑轴承，微型无绕线的磁性材料发电机转子、低污染燃烧技术、高温高强度材料（包括陶瓷部件），以及可变频交直流转换的输电控制技术等。目前微型燃气轮机的热效率已可达到35.6％，甚至超过40％。一台45kW的微型燃气轮机仅如一台电冰箱在室内就能运行发电。 世界各国微型燃气轮机发电技术都刚刚开始起步。在单项技术上，我国很多研究单位、制造厂或高等院校以及研究所都有不少成果和经验。如果国家加以支持，比较易于研制得到成果。我们希望我国在这项技术的研究和应用上走在世界先进水平的前列。(end)

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