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燃气轮机与热电联产
【摘要】燃气轮机是一种环境代价低、能源利用效率高、运行灵活、技术可靠、组合多样化能量转换装置，已为全世界广泛采用。在电力行业，它不仅被用于根本负荷与调峰发电，更多地被用作为热电联产，并取得了极为理想环境、社会和经济效益。使用燃气轮机热电联产工艺受到世界各国政府普遍鼓励与扶持，并通过制定相应法律、法规予以保护。我国政府面向21世纪，在可持续开展战略指导下，为有力配合西部大开发，正式公布对开展燃气轮机热电联产扶持政策--?关于开展热电联产规定?，对于我国环境保护、提高资源综合利用效率、加快城镇现代化进程、改善人民生活品质将具有十分深远意义。
如何确定燃气轮机热电联产技术指标，将直接影响到这一技术能否安康推广。订立技术指标基点应该是国家、社会长期利益，并结合我国实际情况，同时参考各国及地区政府已经实旋法律、法规和技术标准。
燃气轮机热电联产工艺方式
燃气轮机热电联产一般主要有四种工艺方式：
1．燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电联产：这是世界各国最为明令鼓励工艺方式。
    此种工艺首先由燃气轮机对燃料进展首次能源利用，燃烧燃料产生热膨胀功推动动力透平涡轮叶片来驱动发电机发电。其高温乏气通过余热锅炉将烟气转换中温中压以上参数蒸汽，再推动蒸汽轮机作功发电，并将功后乏汽用于供热。这种工艺发电比率高，有效能量转换率高，及烟转换率高，因此经济效益也较好。后置蒸汽轮机可以是抽汽凝汽式，也可以是背压式，但背压式汽轮机受制约比拟大，不利于电网、热网和天然气管网调节，除非是企业自备热电厂，用汽、用电稳定，一般在世界上极少采用。燃气轮机一蒸汽轮机联合循环热电厂往往采用两套以上燃气轮机和余热锅炉拖带1-2台抽汽凝气式汽轮机，或使用余热锅炉补燃，以及双燃料系统提高对电网、热网和天然气管网调节能力及供能可靠性。
2．燃气轮机-仑热锅炉直供热电联产：它与前一工艺方式区别为只有燃气轮机和余热锅炉，省略了蒸汽轮机，因此，也有将其称为“前置循环〞。由于余热锅炉不需要生产能够推动蒸汽轮机高品位蒸汽，因而工艺系统投资较低。为提高供能可靠性和热、电、天然气调节能力，国际上往往采用两套以上机组同时加补燃工艺，以及蒸汽回注等技术，所采用机组一般也比拟小。与前一方式比拟，燃气轮机更像一个燃烧器。由于燃气轮机实现了对天然气预热，使之燃烧更充分，其效率大大高于燃气锅炉。其热效率比前一方式高，但发电比率低导致烟利用率明显降低，因此经济效益也不及前者。
3．煤气-燃气轮机一蒸汽轮机整体化联合循环热电联产(ICCC)：它将原煤在煤气发生装置中转换为高温煤气烟气，并在煤气烟气降温时转换一局部蒸汽，将净化、脱硫煤气供给燃气轮机发电，再将燃气轮机烟气通过余热锅炉转换高品位蒸汽与煤气发生器蒸气共同推动蒸汽轮机发电、供热。 4．燃气轮机辅助循环热电联产将较小燃气轮机参加到传统燃煤或燃油后置循环热电联产系统中，将燃气轮机动力用于驱动给水泵或发电，将高温烟气注人余热锅炉用于改善燃烧，提高锅炉效率，稳定低功况条件下系统运行状况。
热效率与热电比
无论采用上述哪一种工艺方式，应由建立单位根据燃料资源配置情况，热力、电力市场实际需求，及环境排放容量空间等因素来决定。总体而言，开展燃气轮机热电联产应该坚持适度规模原那么，以环境、社会：经济效益定规模，以强调提高资源综合利用效率，特别是提高烟转换率和降低环境代价为核心来确立有关指标。尤其是那些肩负环境污染治理、具有社会公益性质和燃气调节任务区域性燃气轮机热电厂，应该积极采用对气、热、电均有较好调节能力，经济效益较佳第1种工艺方式。由于烟转换、利用率难以确定计算标准，所以将第1种工艺方式热效率和热电比指标作为政策底线标准应是合理。
根据对南京汽轮电机厂引进GE公司技术生产容量39MW等级MS6561B燃机(联合循环容量56MW，编号STAGl06B)和GE公司生产容量123Mw等级阳9171E燃机(联合循环容量170MW，编号STAGl09E)，及Sob公司1MW-12MW燃气轮机联合循环热电联产机组研究分析，参考原国家四委部计交能[1998]220号文件对燃煤热电联产机组有关技术指标，结合国内配套设备生产企业产品技术现状。确定燃气轮机热电联产年平均热效率55％，年平均热电比30％。
    1．220号文件将燃煤热电厂年平均综合热电效率确定在45％，这对于超大型超超临界燃煤火电机组或煤气-喘气一蒸汽整体化联合循环发电机组是一个极限效率值，如果后置循环凝气运行机组全年平均效率要超过45％，造价将大幅度攀开，经济上将无可行性而言。所以，对于那些容量较小中温中压后置循环供热机组，如果不大量供热，45％效率是根本不可能到达。从节能角度出发，如果燃煤凝气机组能够到达45％热效率即使不供热，也应该鼓励其多发电。
    对于燃气轮机使用三压再热联合循环系统发电机组，年平均效率55％也是目前一个极限值。虽然新研制一些机组效率可到达58％-60％，但这是在ISO功况条件下一个瞬间值，即15℃，海平面，空气湿度60％。在中国绝大多数城市达不到这一条件，加之启动、调峰运行出力变化，实际效率将明显降低。如：S109B理论效率可达52％，而深圳南山电厂S109E实际效率仅42％。对于采用单压或双压余热锅炉和抽凝汽轮机联合循环热电机组，不大量供热也是不可能实现。
2．TAGl06B热电综合效率要到达55％，需抽汽20吨，热电比对应为30％，相当余热锅炉换热量27％，蒸汽量30％(见本文附表之1)；STAG109E热电比到达30％时，热效率要到达57％，需抽汽吨，相当余热锅炉换热量28％，蒸汽量35％(见本文附表之2)。世界大多国家对热电联产只有鼓励政策，多没有制定考核标准，少数国家和地区虽然制定了标难，但条件非常宽松。我们建议总热效率55％，热电比30％，远远高于美国政府对其国内热电厂规定热电比15％时，总效率到达45％考核水平。也高于我国台湾实行总热效率事50％和热电产出比多20％考核标准，在全世界应属于最高一级标准。建议制定如此高技术考核标准，并不是我国大陆地区技术和管理水平比其他国家和地区更高，而是为现实利益格局所制约，不得已而为之，已经充分考虑了在电力市场相对饱和现状因素。但是，我们又不能违背全世界在努力提高能源利用效率时，特别鼓励提高烟值转换效率，即多发电趋势，这也是节能本质。

3．在制定计算方案时，我们采用杭州汽轮机厂引进德国西门子技术生产68bM次高压抽凝汽轮机为标准，锅炉采用美国德尔塔公司将在中国合资生产70bar次高压补燃余热锅炉为标准。大多数生产中温中压设备国内配套厂家要到达这一标准还需要更多努力，或者通过提高热电比来到达热效率要求。标准应该比照先进技术制定，这样才有利于整体行业技术进步。这也强迫热电企业必须采用先进技术，否那么将难以到达考核标难，即使通过提高热电比达标，经济上也难以实现平衡。
4．对于采用前置循环方式燃气一蒸汽联合循环热电厂，虽然轻而易举可达上述热电比和热效率标准，但要在经济上要实现收益平衡，必须大幅度提高热效率，成倍增加供热量(见本文附表之1、2、3)。以每度电0．45元／Kwh，热价34元／GJ为条件比照分析，电价与热价差值和供电热值与供热热值平均差均是3．7倍。前置循环机组供热效率要到达48％时，收益才能到达联合循环系统中蒸汽轮机13％凝汽发电效率时水平。即：前置循环热电联产效率达80％时，才能到达燃气轮机联合循环凝气发电机组45％时收益水平，而这一收益比联合循环热电联产效率在55％时热电综合收益低7％。
5．对于采用煤气一燃气一蒸汽整体化联合循环热电厂，因为有两组蒸汽发生装置，发电、供热总热效率到达55％技术上可以实现。由于它发电效率大大高于传统工艺燃煤发电装置，如果按220号文件对燃煤热电厂热电比限制，其供热量必须大幅提高，如果其发电效率到达40％，50MW以下机组总效率需要到达80％50Mw以上机组需到达60％，技术上根本无法实现。即使是55％总效率，热电比也需要到达37．5％。
6．对于将采用燃气轮机辅助循环热电联产系统热电厂，由于燃气轮机不承当重要主要能量转换，仅仅是一辅助工艺系统，因此不应执行燃气轮机热电联产热效率和热电比标准，应按照?关于开展热电联产规定?第七条第一款：常规热电联产指标执行。
燃气轮机热电联产不设立容量等级考核标准
电力设施高效化、分散化、小型化和功能多样化是世界能源业开展走向，是人类环境意识和可持续开展意识增强必然产物，是技术进步成果，是我介泌须面对文明越势。这一概念所建立根底在于：
A．首先是环境保护认识不断深化，一系列因生态环境破坏对人类生存产生了巨大压力，特别是严重危害人类呼吸系统安康氮氧化物和导致全球变暖温室气体排放加剧，使各国不得不采用更严格标准和更有效手段来保护、改善环境，必须以最低环境、资源代价维持人类文明延续与开展。
B．天然气等新能源开发利用为人类持续开展奠定了根底，但是开发利用天然气较高投资本钱，使我们又不得不尽可能通过扩大使用天然气效能，来提高其有效能源利用效率和综合经济效益。
C．燃气轮机联合循环技术不断完善，为人类在较小环境、资源、资金代价下，提高天然气资源利用效率和综合经济效益创造了条件。
a．由于燃气轮机热电机组特殊工艺方式，综合效率与容量规模大小之间联系甚小，使人们可以根据具体市场对于能源产品实际需求、环境容量空间和天然气资源配置条件，因地制宜地进展能源转换；  

b．燃气轮机制造水平提升，以及燃气轮机对液体、气体燃料广泛适用性，使其可靠性和可用性大为提高。大修周期从几千小时增加到几万小时，在实现高效率、高效益同时，进一步建立了更为可靠能源平安保障体系；
c．控制系统自动化和电网输配电技术进步，使电网在容纳这些较小机组同时，也增强了自身平安性。为建立适度规模，更为有效、可靠新型能源体系创造了时机。
    燃气轮机热电联产设施小型化、微型化已经成为各国能源工业一种新潮流，通过小型燃气轮机热电联产系统，为一个企业、一所医院、一座办公大楼直接提供电力、热力、制冷和生活热水，甚至饮用蒸馏水、楼顶花园和暖棚二氧化碳。最大限度地减少能源转换、运输环节损耗和污染物排放，降低能源代价。目前国际上正在研究开展和积极推广微酬燃气轮机，这种燃气轮机可以安装在一家一户，代替家用燃气炉，在为家庭供暖、制冷和提供生活热水同时，解决家庭电力供给，实现全能量利用。
    开展燃气轮机热电联产必须以提高资源利用效率和经济效益为前提，坚持适度规模总体开展方针。因此，不需要向对待燃煤热电机组那样，设定一个与容量等级挂钩考核标准。
余热锅炉补燃
为燃气轮机热电机组余热锅炉加装补燃装置是国外较普遍采用技术，主要为加强机组供热与发电综合调节能力，提高系统总热效率。燃气轮机烟气中含有大量氧气未燃烧尽，一般超过15％，温度在450-600℃之间。如果参加一定量天然气或其他燃料，将余热锅炉内温度提高，最大可以增加8倍蒸汽供给量。
    由于余热锅炉温差增大，使系统热效率明显增加，某些机组用于补燃燃料效率甚至超过100％
关于备用电力保障
世界各国与地区为保护环境、节约能源鼓励开展热电联产，“电网必须提供备用电力保障〞是一条最核心扶持政策。从社会道义和公共利益出发，各国均规定电网必须对符合标准企业自备热电厂和区域性直配热电厂电用户，在热电厂检修和紧急事故停机时提供备用电力支援。在规定检修和紧急停机期间，应按同类用户供电价格供电或稍有加价。超出规定期间备用供电，可以适当加价一般多在25％之内。
    在一个电网中有条件建立热电联产企业和区域是有限，由于热电指标限制，其单厂、单机容量很难大到对电网平安构成威胁程度。分散电源点不仅可以提高电网供电可靠性、降低线损，还降低电网供电责任风险。特别是热电厂通过热能直接制冷供暖，可以有效减少电空调对电网带来峰谷差压力，提高系统内发电机利用率和热效率，减少环境污染，减低温室气体排放，保护臭氧层，实现电网作为公共设施专营者在环保、节能和提高人民生活品质方面社会责任。
    根据?中华人民共和国电力法?第二十六条：“供电营业区内供电营业机构，对本营业区内用户有按照国家规定供电义务；不得违反国家规定对其营业区内申请用电单位和个人拒绝供电。〞规定，用户无论是否建有自备电力设施，只要该电力设施符合国家法律、法规和规定要求，供电营业机构必须提供其备用或缺乏局部电力、电量供给。
燃气轮机热电厂竞价上网
各国在制定竞价上网原那么时，无一不考虑发电装置环境代价因素。我国在制定竞价厕财也应该树立环境保护和社会意识，因为环境保护是我国根本国策。由于我国在环境评价工作中一直沿用了环境叠加法，因而所有已建成电厂，无论污染有多严重都应均属达瓦但排放控制标准高电厂电价本钱必然高于排放控制标准低电厂，如果让高标准电厂与低标准电厂竞价上网，必然导致环境污染剧升，无益于改善环境。
    各地、各级政府主管部门和国有控股电网调度部门应坚持代表先进生产力和广阔人民群众根本利益，积极参考各国先进经历，对各电源点不同环境代价和社会公益责任，以及资源利用效率实行分级制度，并制定按级竞价原那么，努力减少环境污染和资源浪费。