煤氣化聯合循環發電 IGCC 和 燃氣蒸汽聯合循環發電CCPP 區別是什麽？

1　燃氣輪機聯合循環發電狀況和需求　　從20世紀80年代以來,隨著燃氣輪機及其聯合循環總能系統新概念的確立,材料科學、制造技術的進步特別是能源結構的變化及環境保護的要求，更加嚴格,燃氣輪機及其聯合循環機組在世界電力，系統中的地位發生了顯著變化,不僅可以用作緊急，備用電源和尖峰負荷,還被用來帶基本負荷和中間負荷。21世紀以來世界燃氣輪機進入了壹個新的發展時期,我國燃氣輪機引進、開發和應用又進入了壹個新的發展階段。燃氣輪機技術進步主要表現在：單機容量增大,熱效率提高與汙染物排放量降低。目前全世界每年新增的裝機容量中,有l/3以上系采用燃氣—蒸汽聯合循環機組,而美國則接近l/2,日本則占火電的43%。據不完全統計,全世界現有燃油和燃天然氣的燃氣—蒸汽聯合循環發電機組的總容量己超過400 GW。當前燃氣輪機單機功率已經超過300MW,簡單循環熱效率超過39%;聯合循環功率已經超過780 MW,聯合循環熱效率超過58. 5%,幹式低NOx燃燒技術已使燃用天然氣和蒸餾油時的NOx排放量分別低於25mg/kg和42mgkg,提高了燃氣輪機在能源與電力中的地位與作用。從目前世界火力發電技術水平來看,提高火電廠效率和減少汙染物的排放的方法,除帶脫硫、除塵裝置的超臨界發電技術(USC)、循環流化床(CFB)和增壓流化床聯合循環(PFBC)等外,燃天然氣、燃油及整體煤氣化等燃氣-蒸汽聯合循環是壹個重要措施。據有關調研預測,未來10年我國對燃氣輪機總需求量達34 000 MW左右。中國已開始利用西氣東輸,東海、南海油氣,進口LNG(液化天然氣)和開發煤氣化等清潔能源。壹批300 MW級燃氣—蒸汽聯合循環電廠已經建成或即將建成投產。可以說,隨著國產化率的提高,造價的減低,燃用天然氣和煤氣等大型燃氣—蒸汽聯合循環發電機組,必將成為中國電力工業壹個重要組成部分。2　燃氣—蒸汽聯合循環總能系統概念　　燃氣—蒸汽聯合循環是將兩個使用不同工質的獨立的動力循環,通過能量交換聯合在壹起的循環,兼顧了燃氣輪機布雷登(Bragton)循環高溫加熱的優勢和汽輪機朗肯(Rankine)循環低溫排熱損失小的優勢,形成了總能系統設計新概念,匯集燃氣輪機的先進技術、余熱鍋爐和汽輪機發電的優勢,使聯合循環的效率提高。例如目前三壓鍋爐、亞臨界參數、再熱燃氣-蒸汽聯合循環發電效率大於60%。常規燃氣—蒸汽聯合循環中的高溫熱源溫度(燃氣機初溫)高達1 100~1 300℃以上,遠遠高於壹般蒸汽循環采用的主蒸汽溫度540~566℃,而燃氣—蒸汽聯合循環中的低溫冷源溫度(凝汽器溫度)29~33℃,遠遠低於壹般燃氣簡單循環的排氣溫度450~640℃,也就是燃氣—蒸汽聯合循環從非常高的高溫熱源吸熱,向盡可能低溫的冷源放熱。因此聯合循環的熱效率比組成它的任何壹個單獨循環的熱效率都要高得多。在聯合循環中,提高燃氣輪機效率ηgt比同等程度地提高余熱鍋爐效率ηHRSG和汽輪機效率ηSt對於改善聯合循環效率ηcc的效果更為明顯。因此在設計聯合循環時,首先應選擇功率和效率都能滿足要求的燃氣輪機作為設計出發點,然後再從整個聯合循環的效率和投資角度,來考慮余熱鍋爐和汽輪機系統和形式是否配置合理的問題。研究表明,在聯合循環中燃氣輪機效率取最大值,並不等於獲得最優化的聯合循環效率。當燃氣初溫壹定時,高壓比的燃氣輪機排氣溫度較低,雖然燃氣輪機本身的效率比低壓比的燃氣輪機高,但余熱鍋爐的能量利用率、蒸汽參數和蒸汽循環效率都較低。而低壓比的燃氣輪機的排氣溫度較高,雖然燃氣輪機本身的效率比高壓比的燃氣輪機低,但蒸汽循環得以利用成熟的高溫高壓、亞臨界和再熱技術,取得蒸汽循環的高效率。當評價壹臺燃氣輪機對聯合循環是否合適時,不但要考慮其效率,還要考慮與其匹配的蒸汽循環的效率以及整體聯合循環的效率。簡單循環的燃氣輪機在壹定的初溫條件下,都對應著壹個最佳的壓比和排氣溫度。而聯合循環在壹定的燃氣初溫條件下,也有壹個效率最高的最佳壓比和排氣溫度。這個最佳壓比要比簡單循環的最佳壓比低得多,它與使簡單循環的燃氣輪機的比功達到最大值時的壓比非常接近;這個最佳排氣溫度要比簡單循環的最佳排氣溫度高得多。因此要獲得聯合循環的最大效率,不能僅僅選擇高效率的燃氣輪機,還應選擇盡可能高的氣初溫和聯合循環的最佳壓比和排氣溫度。即既要兼顧到燃氣循環的效率,又要兼顧到蒸汽循環的效率,才能獲得聯合循環的最大效率。3　燃氣—蒸汽聯合循環發展趨勢　　燃氣輪機及其聯合循環是壹項多專業、高密集 型的高新技術,傳統的提高性能途徑是不斷地提高透平初溫、相應地增大壓氣機壓比和完善有關部件。20世紀50年代初,透平初溫(T3)只有600℃~700℃,靠耐熱材料性能的改善,平均每年上升約10℃; 60年代後,還借助於空氣冷卻技術,T3平均每年提升20℃。從70年代開始,充分吸取先進的航空技術和傳統汽輪機新技術,沿著傳統的途徑不斷提高其性能,現已開發出壹批“F、FA、FB、H”新型高透平初溫技術產品,它們代表著當今商業化的工業燃氣輪機的最高水平,T3=1 430℃,這也許是傳統的冷卻技術和材料所能達到透平初溫的極限,壓氣機壓比ε=10~30,簡單循環效率ηgt=36% ~40%,聯合循環效率ηcc=55% -60%。正在開發的新壹代產品的主要特征是采用蒸汽冷卻技術,高溫部件的材料仍以超級合金為主,燃氣透平殼體選用CrMO鋼,轉子軸、轉輪選用Inconel706,采用定向結晶,單晶材料,Co-Cr-Al-Y噴塗等先進工藝,部分靜止部件采用陶瓷材料,初溫提高到T3=1 500℃~1 600℃。采用智能型微機控制系統,並更加重視環保。對未來燃氣輪機的構思將基於采用航空航天最新技術新材料,燃燒器處於或接近在理論燃燒空氣量條件下工作,T3將達1 600℃~1 800℃。現采用的熔點1 200℃、密度為8 g/cm3的葉片超級合金將被淘汰,新的高級料應是小密度(<5 g/cm3),有更好的綜合高溫性能,陶瓷材料是壹種選擇。4　兩種循環的性能比較　　在火電領域,燃氣—蒸汽聯合循環發電機組比常規的燃煤汽輪發電機組有更大的比較優勢。( 1)燃氣輪機聯合循環的供電效率遠遠高於常規燃煤蒸汽輪機循環。現有聯合循環的效率已經超過58~60%。其熱效率之高,不僅遠遠超過常規燃煤蒸汽輪機電廠,甚至比超超臨界參數的燃煤蒸汽輪機機組的預期值(45. 2% ~47. 7%,未扣除脫硫值)還要優越。(2)建設費用比燃煤汽輪機機組以及核電機組低。對於壹座2 000MW電廠,汽輪發電機組、燃氣輪機發電機組、燃氣—蒸汽聯合循環機組單位投資分別約為6 000、2 122、6 530元/kW。(3)可以按“分階段”建設方式建廠,資金利用最有效。建設周期短,只需5~10個月。(4)用地、用水都比較少。(5)單機容量大,啟、停快,運行靈活性好,適宜兩班制運行。提高燃氣輪機在總裝機容量中的比重,將會改善電網的運行狀況,為電網提供更加靈活的備用電源,增大調峰的靈活性。(6)運行可靠性高,可用率高達85% ~95%,易於快速“黑啟動”,有助於改善電網運行的安全性。( 7)采用天然氣或液體燃料時,壹般汙染物排放很少。在燃燒天然氣時,還可以大大地減少CO2的排放量。如果以燃料燃燒釋放的單位能量比較,並以燃油排放的CO2量為,l則煤和天然氣燃燒排放的CO2大致為1. 22和0. 67。5　燃氣—蒸汽聯合循環發展對策探討　　雖然中國燃氣輪機發電始於20世紀50年代末期,但由於燃料政策的原因在很長時間內發展緩慢。目前我國燃氣輪機發電裝置設計、制造水平與國際上先進國家差距較大,裝機容量及運行管理水平與我國電網發展很不相稱。為促進我國燃氣輪機發電事業的快速健康發展,在此提出壹些不成熟的建議,以拋磚引玉。(1)科學定位,統籌規劃,完善政策。結合國家“十壹五”發展規劃,應對燃氣輪機及其聯合循環發電裝備的發展進行科學定位,制定中國燃氣輪機及其聯合循環發電裝備的中、長期戰略發展規劃和近期安排,制定和完善燃氣輪機產業發展政策和燃料、電能、熱能價格等配套政策、法規,加大資金和科技投入。按照市場經濟規律,在已重點引進壹批先進、成套的300MW級燃氣—蒸汽聯合循環示範工程的基礎上,兼顧大、中、小型先進、實用技術的引進,通過產、學、研結合和消化、吸收、再創新,迅速提高我國燃氣輪機及其聯合循環發電裝備的技術水平。(2)嚴把引進設備技術質量關。實行機、電行業結合,先以市場換技術,提高進口機組的可靠性、綜合技術經濟性能和電廠設計優化水平,提高備品備件國產化率,降低維護費用。努力改變目前國內機、電行業分離,引進技術分散,重復引進,配套性差,甚至引進性能落後的設備和技術的局面。(3)提高國家制造技術水平。在現有制造技術的基礎上,瞄準國外最先進的水平,有計劃的成套引進壹批先進適用的機型、關鍵設計技術、軟件、關鍵制造工藝、控制保護系統及測試技術。在消化、吸收的基礎上,努力創新,不斷提高關鍵部件的國產化率和設計、制造、配套能力。盡快開發出運行可靠,性能價格比高,具有自主知識產權、成套的國產機組。建議在中西部(如:成都、武漢)建立燃氣輪機及其聯合循環機組研發中心及制造基地,將產品盡快推向國內外市場。(4)加強關鍵高溫金屬材料的引進生產和科研攻關。目前燃氣輪機最高初溫達到1 500℃~1 600℃,國外直接采用最先進的航空、航天工業新材料。國外廠家壹般不會轉讓最先進的制造技術,國內應軍民結合,產、學、研結合,組織聯合科技攻關,盡快實現關鍵材料國產化,以降低成本。(5)加強燃氣—蒸汽聯合循環機組轉子結構動力學和振動分析、故障診斷和處理研究,特別是對單軸(即由壓氣機+燃氣透平+汽輪機+發電機串聯成壹根單軸)大型機組的壓氣機喘振及軸承振動的快速診斷、處理。(6)我國煤炭資源較豐富,為替代常規燃煤汽輪發電機組,目前燃煤的燃氣壹蒸汽聯合循環技術已成熟。當采用9H型燃氣輪機組成IGCC聯合循環時,單機功率可提高到550MW,供電效率可增升到50% ~62%。國家應加速IGCC整體煤氣化燃氣—蒸汽聯合循環發電的步伐和燃煤潔凈發電機組的進程,以適應中國電力工業可持續發展的需要。