热电联产及其燃气轮机蒸汽联合循环

热电联产及其燃气轮机蒸汽联合循环

陈本刚

（五环科技股份有限公司，武汉430079）

[内容摘要] 目前热电联产是我国行业发展方向，本文介绍了各种热电联产及燃气轮机蒸汽联合循环的形式，适用燃料，效率及其发展方向。

[关 键 词] 锅炉、燃气轮机、煤气化、联合循环

1. 前言

热电联产具有节约能源、改善环境、提供电力、提高供热质量、减轻分散锅炉房工人劳动强度和节省建设用地等优点，特别是在化工、冶金、机械、民用等行业建设自备热电厂其优点更为突出，已被越来越多的业内人士所认识，并受到各级领导特别是能源系统领导的重视。目前，我国热电联产模式是以燃煤锅炉－蒸汽轮机为主，辅以部分燃油（气）锅炉－蒸汽轮机。自八十年代以来，除了建设高效、大容量的燃煤机组以外，对燃气蒸汽联合循环发电及供热已逐步开始应用和推广，积累了一定的建设和使用经验。本文结合工程设计实践对热电联产及其燃气轮机蒸汽联合循环的发展和趋势作简要介绍。

2. 热电联产在我国的发展

目前全国666个城市中，建设集中供热设施的已达40%以上，其中95%以上为燃煤（油、气）

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锅炉－蒸汽轮机集中供热，供热面积约74000万平方米，热化率为13%。供热设备容量2100万千瓦，年供热量95000吉焦，平均供热厂用电率7.11千瓦·时/吉焦，供热标准煤耗40.13千瓦/吉焦。

近些年来，为了促进热电事业的发展，国务院、国家计委及有关部门制订了一系列政策和规定，总的发展方向为：

（1）大城市发展大型抽汽冷凝式机组。

（2）推广循环流化床锅炉。

（3）城市发展热、电、冷三联产和煤气、热力、电力三联产。

（4）在条件适合的地区利用现有工业锅炉发展热电联产机组。

（5）将现有中低压凝汽机组改造为热电联产。

（6）有条件的地区发展燃气轮机联合循环机组。

3. 锅炉-蒸汽轮机热电联产

热电厂对外供应电能和热能，其中对外供应的热能（蒸汽）必须是已经作了部分功（转化成电能）的蒸汽，显然，由锅炉产生的新蒸汽经减温减压后再向外供是不能称为热电联产的。一般汽轮机供热机组主要有背压式（抽汽背压式）和抽汽冷凝式。前一种是纯联合生产的机组，后一种是部分联合生产（抽汽供热部分），仍有一部汽流通过凝汽器冷凝发电。对于背压机组（抽汽背压式）没有冷源损失而用作部分低位能供热了，而抽汽凝汽式机组仍有部分冷源损失。但背压供热机组以汽

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定电，热电不能相互调节，而抽汽凝汽式供热机组可以根据热电负荷的变化进行调节。因此我们在供热机组选型时在供热负荷平衡时宜选用背压式供热机组，而在热负荷变化起伏较大时应选用抽汽凝汽式供热机组。汽轮机热电联产主要经济指标有两个，即全厂燃料利用率和单位供热量的发电量的大小，称热化发电率。蒸汽初参数愈高，供热参数越低，热化发电率就越高；供热机组相对内效率愈高，热化发电率也越高。所以从节能角度看，锅炉-蒸汽轮机热电联产要使提高其效率，应根据热电负荷情况热电机组尽量向高参数、大容量、高效率热电机组发展。

4. 联合循环热电联产

(1) 燃气蒸汽联合循环热电联产

用燃气轮机排气（500～600℃）通过余热锅炉产生蒸汽，代替燃煤（油、气）蒸汽锅炉，供热抽汽（或背压排汽）仍由供热汽轮机供应。显然，进入汽轮机蒸汽的热能，已由燃气轮机先发电后送入余热锅炉再产生蒸汽，所以它的热化发电率肯定比锅炉-蒸汽轮机供热机组高得多，全厂燃料利用系数也比汽轮机供热机组大，但“热电比”较低。

（2）燃气轮机热电联产

燃气轮机发电后的排气进入余热锅炉产生蒸汽，蒸汽作为供热热源，它不同汽轮机组的燃气轮机热电联产。其特点是燃料利用系数很高，但热化发电率比联合循环汽轮机抽汽机组供热小，“热电比”居中。当然，余热锅炉产生的蒸汽也可以通过抽汽式（或背压式）蒸汽轮机既发一部分电，又供一部分热。

燃气轮机蒸汽联合循环与锅炉-蒸汽轮机热电联产相比，具有电厂整体循环效率高、对环境污染

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小、调峰性能好、启停快捷、占地面积少、水消耗量小、建设周期短、单位功率投资省、厂用电率低、运行人员少等优点。

5. 锅炉-蒸汽轮机热电联产燃料

我国是煤炭大国，石油与天然气资源相对较少。由于天然气和石油价格较高，目前，我国锅炉-蒸汽轮机热电联产所用燃料基本都是煤炭，而且一般都为劣质煤，有些甚至是煤矸石、煤泥、工艺生产中废料（造气炉渣等）。

从环境保护角度看，随着循环流化床燃烧技术、除尘脱硫技术的不断发展，锅炉烟尘、SO2、NOx的排放近年来得到了一定的控制，但发展水平不平衡，实际现状与环保要求还有一定的差距。

6. 燃气轮机燃料

燃气轮机燃料主要以液体油和气体燃料为主。油气资源在最近半个世纪以来，在一次能源构成中的比例不断上升，石油消费量从1950年的27%上升到1996年的39.5%，天然气消耗量从1950年的9.8%上升到1996年的23.5%，而同期原燃（煤）料消耗量由61.5%下降到26.9%。据电力部门统计，新增发电容量中，以油、气为燃料的燃气轮机发电容量正逐步大于以煤为燃料的锅炉-蒸汽轮机发电容量。由此可见，发展燃气轮机联合循环机组的最大障碍将是燃料的供应问题。

7. 以煤为燃料的燃气轮机联合循环（IGCC）

煤的洁净燃烧是近来国际国内研究的重点，也是能源利用、环境保护的发展方向，利用煤气化燃气轮机发电国外已有许多成功的商业运行经验，用于化工生产基本原料国内也开始应用到工程实践中。目前国外煤气工艺主要有：Shell煤气化、Texaco煤气化、Destec/Dynergy煤气化、Prenflo

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煤气化等，与燃气轮机联合循环一起组成IGCC的示范电站，联合循环发电功率可达250MW～300MW，进料方式有干法/煤粉和湿法/水煤浆，全厂热效率可达40～45%（不供热时）。其中Shell煤气化和组成IGCC效率与湿法进料气化工艺相比较高，但总体造价比Texaco和Destec稍高。

经煤气化产生的粗煤气经除尘、脱硫以后进入燃气轮机发电。

IGCC燃气轮机生产厂主要有美国GE公司和德国Siemens公司等。

余热锅炉目前国际上主要有欧洲的立式流派（强制循环）和美国的卧式流派（自然循环），可根据布置情况选择不同的余热锅炉。经IGCC系统气化炉中余热锅炉产生的高、中压饱和蒸汽经余热锅炉的过热器过热，进入高、中压缸作功。锅炉给水来自余热锅炉省煤器出口。气化炉和废热锅炉产生的高压蒸汽流量约占主蒸汽流量的50%～60%，中压饱和蒸汽约占中压缸进汽量的10%。

国外建设以煤气化为燃料的IGCC燃气轮机蒸汽联合循环电厂造价的1400美元/KW。

8. 合成氨厂燃气轮机联合循环的应用

Shell煤气化目前已在我国合成氨厂得到应用，煤气化产生的煤气除主要用于生产合成氨外，可根据全厂蒸汽平衡情况，适当增加投煤量，将一部分煤气用于燃气轮机联合循环发电及供热。燃气轮机发出的电力供工厂使用，余热锅炉过热Shell煤气化产生的饱和蒸汽供驱动工艺装置透平，抽汽或背压蒸汽和其它低压蒸汽供全厂工艺装置热负荷使用，这时燃气轮机蒸汽联合循环系统热效率可达54%以上。采用这种系统后，取消了原有工厂热电站装置（只设开工锅炉），工厂环境大为改善，工人劳动强度减轻，同时总的热效率也将在一定程度上得到提高。

燃气轮机国产化现在已有较大进展，南京汽轮机厂生产的PG系列输出功率可达39.62MW～

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49.35MW（单机），QFR系列输出功率可达38MW～50MW（单机）。据悉，目前南汽厂已安排试生产MS9000型（单机123.4MW）大功率燃机的准备，只要客户落实即可生产。余热锅炉在我国杭州锅炉厂等生产厂家也都有了一定生产实践。因此，对一般较大型化工企业来说，煤气化以后的燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等主要设备都可以实现国产化，从而大大减少了项目投资。

9. 结束语

热电联产事业经过多年的发展，已具相当规模，但还远不能满足我国快速发展的工业化要求，发展燃气轮机、热电联产，其前景将会十分广阔，主要因素有：

（1）节能工作的需要。

（2）环境保护的要求。

（3）工业用热需求量越来越大。

（4）人民生活水平不断提高，民用采暖和生活用热迅速增加。

（5）农村小型热电的发展具有十分广阔的市场。

（6）政府的大力支持

当然，发展我国的热电事业，目前还存在这样那样的问题，如燃料供应渠道、年发电量配额、电价、热价、燃气轮机配件等。但不管怎样，随着环境保护不断严格的要求，热电联产的比重将会逐步增大，燃气－蒸汽联合循环装置也将成为电力系统的重要组成部分，尤其是燃气－蒸汽联合循

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环热电联产将是热电联产的发展方向之一。

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