燃气轮机发电技术及其在我国的应用.doc

燃气轮机发电技术及其在我国的应用糜洪元 (中国电机工程学会燃气轮机发电专业委员会广东深圳518052)摘要：本文对燃气轮机发电技术的进展和在电力结构中的作用作分析，根据我国应用现况和发展前景，提出我国进一步提高整体水平必须解决和重大关键技术问题。关键词：代表性技术；电网补充；发展前景；整体水乎；关键技术R KX K y半个世纪前工程热力学论断一种新颖的热力机械燃气轮机将有广阔的发展前途。我们看 到这一技术从理论到实践，不断成熟、发展，经历了漫长的历史长河。现代燃气轮机已进入 一个高度发展的时代，各种机型及其组成的各种总能系统，以其高超的性能指标，在发电领 域广泛应用。在我国，随着经济的高速发展，以及能源结构的调整和电力市场的需求，发展 燃气轮机技术是当前十分急切的论题。在国家大力支持下，以引进国外先进技术消化吸收， 以及走积极自主开发来发展我国燃气轮机产业，我们正在迈出重要的一步。分析燃气轮机发 电具有代表性的技术，了解其被大量应用的各个方面，可为提高我国燃气轮机发电设计、运 行、维修的整体水平指出方向。1燃气轮机发电具有代表性的技术燃气轮机发电快速扩大应用取决于技术的高度发展，而其核心技术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 火力发电技术的差距。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6007000C，到现在一般水平都已超过11000c，有 些已投入商业运营的机组，燃气进口温度达到1288。c，高的甚至达1430。C。(2)燃气轮机简单循环的热效率已由早期的1625，现已提高到36以上，高的达38一395。(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GTDlll、DS GTDlll，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1020倍，早期有铂铝(Pt A1)涂层，后来又发展等离子保 护GT-29和GT-291N-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150200。C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500800。c。(5)燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发展到IOOMW以上等级的大机组， 近年来250300WM的机组也已投入商业运营。27(6)燃气轮机发电广泛实现能量的综合利用，循环方式多样化，特别是燃气蒸汽联合 循环发电技术更为完善，净凝发电装置净效率已提高到5860，燃气蒸汽联合循环热 电联供热效率更可达到7080。(7)二次大战后随着人们对可持续发展战略认识的提高，对能源有效利用和环境减少污 染的要求大大提高。燃气轮机排气CO：、s02、NO。等温室气体排放可控制到较低的水平， 成为当代世界上排放污染最小的发电技术。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。表l列举常规火力发电和燃气蒸气轮机联合循环发电效率的实例比较。裹1超临界、超超临界汽轮发电机组和燃气蒸汽轮机联台蒲环发电效事的实例比较2充分发挥燃气-蒸汽轮机联合循环在电力结构中的作用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。例如美国能源部能源 信息中心(DOEDIA)统计，截止1998年1月1目，美国Utility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105。从世界各国新增发电容量 来看，燃气轮机发电更占主要份额，越来越显示其可发挥重要作用，主要表现在：1大型燃气轮机和联合循环发电机组在替代燃煤蒸汽轮机发电机组 近一、二十年来世界主要燃气轮机发电设备制造商注重发展大功率机组，燃气轮机简单循环到功率已到200250MW，联合循环(以一拖一而言)已到350400blW功率等级，基本上达到常规燃煤大功率蒸汽轮机发电机组的水平。这样，燃气轮机发电方可替代蒸汽轮机 发电。根据世界燃气轮机(World Gas Turbine)报导，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，1998年6月到1999年5月，世界燃气轮机订 货量达875台，总功率翻了一翻，达到64254MW。统计表明，1997年6月至1999年5月世 界燃气轮机销售120180MW以上功率等级的机组占全部销售总数的70。可见燃气轮机发 电主要还是应用大功率机组，在电力结构中开始替代常规燃煤机组发挥作用。-282燃气轮机发电在大电网供电中起到补充作用 大电网建设注重全电网的效率有很好的经济性，但是对局部地区的供电仍有局限性。全电网的平衡并不能照顾到局部地区的特殊要求。电网叉必须具有凋峰、应急备用等各种手 段。一般是在经济发达或人13密集中心区应有地区性的发电厂，由于燃气轮机启动快，快速 性能好，以及对环境排放污染小等一系列优点，建燃气轮机发电是最合适的。与大电网并存 的分散电源点不仅可以提高电网供电可靠性、降低线损，还降低电网供电的责任风险。燃气轮机建设占地面积小，耗水少或不耗水，又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。3热电联产、能源综合利用大大扩展了燃气轮机发电的应用范围。 热电联产以其良好的经济为工业企业和市政居民提供能源，因而被广泛应用。以前绝大多数是蒸汽轮机的热电联产，顶部循环主要是发电，底部循环除部分凝汽式蒸汽发电外，以 部分抽气或背压供热。由于燃气轮机大大提高了涡轮进口温度，只要能得到适用燃气轮机使 用的燃料，燃气轮机热电联产循环有更好的经济性。燃气轮机热电联产循环不仅以提高顶部循环涡轮进口温度提高了效率，燃气轮机外再用 蒸汽轮机组成联合循环，以蒸汽轮机的抽气或非冷凝排气为工艺过程，这可更有利于供热蒸 汽参数的匹配和提高电热比，使蒸汽系统得到优化。“总能系统”的概念最早是从热电联产得到的。即能源的高效和综合利用。燃气轮机总 能系统还涉及到热力循环优化的各个方面。例如ALSTOM公司的GT26型燃气轮机采用分段 燃烧的技术，是燃气轮机简单循环热力优化的典型例子，显然能提高循环热效率，是具有发 展前途的技术。燃气蒸汽轮机联合循环由单压发展到双压、三压、再热，同样使热力循环 优化，提高总能系统热效率。热电联产和总能系统使能源利用率得到提高，一种冷、热、电联供的总能系统将扩展燃气轮机发电技术的应用范围。4燃料多元化和煤气化将大大促进燃气轮机发电 燃气轮机应用范围的扩大，将得益于包括气体、液体，以及固体等各种不同燃料都能的特点。油、气是适合燃气轮机应用的优质燃料。半个世纪来，油、气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395，天然气的消费量从1950 年的98上升到1996年的235。而同期煤炭等固体燃料的消费量则从615下降到269。新增发电容量中，以油、气为燃料的燃气轮机发电容量正在逐步大于以煤炭为燃料 的蒸汽轮机发电容量。世界天然气资源的勘探近年来进展迅猛。1970年至今，天然气总储 量增长了近3倍。预计天然气在2l世纪的能源中将占主导地位。天然气产量的迅速增长将 大大促进燃气轮机的发。但是，世界一次能源构成中仍有一大块是煤炭。根据目前的消费水平，煤炭储备足够使用200年。而且世界不同地区，因能源资源构成分布尽不相同。例如我国煤炭资源丰富，而 探明的油、气资源不是很多。如何利用燃气轮机效率高等一系列优点，进行燃气轮机燃煤的 研究、开发工作，已成为发电领域的一大热点。在燃煤联合循环技术上，最受重视和比较容易大型化的是整体煤气化联合循环(IGCC) 和流化床燃煤联合循环(PFBC-CC，AFBC-CC)。1GCC在四个根本性技术方向上改变了常规煤发电技术的模式：-29(1)以煤的气化(部分氧化)代替煤的直接燃烧(完全氧化)，其产物是以一氧化碳 (CO)和氢气(H2)为主的燃料气，而不是没有发热值的烟气；(2)以燃气轮机发电为主，又充分利用煤气化过程中的显热，配置余热锅炉、蒸汽轮机 组成联合循环，因而大大提高了热效率；(3)将煤转化过程中的污染物(固体粉尘、SO。、NO。、碱金属等)在完全燃烧前就清除掉，而不是在燃烧之后净化大量的烟气；(4)煤制气副产品可以用于生产化工产品(如甲醇、尿素、醋酸等)。IGCC可以扩展成 为以煤为原料的综合性电力和化工生产系统，真正实现了煤的高效率、低污染、高效益的利 用。PFBCCC是以蒸汽循环为主的燃煤联合循环，为另一种清洁的燃煤技术，它与常用流化 床相比，系统更加紧凑，易于大型化，现已由第一代发展到第二代，效率进一步提高，烟气 高温净化和透平叶片腐蚀等技术难题也逐渐得以解决。国外IGCC和PFBC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(见表2)。裹2主要的煤发电技术水平的比较5微型燃气轮机产品进入市场随着全国范围内的能源与电力需求结构，特别是电力结构的改革，微型燃气轮机技术发 展迅猛。例如美国Capstone公司至2001年11月已推出第1000台微型燃气轮机装置。西方工 业发达国家竞相开发微型燃气轮机产品，纷纷进入国际市场。微型燃气轮机的技术主要包括高转速(100000rrain)的涡轮转子、高效紧凑的回热器、无液体润滑的空气轴承、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30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356，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。2我国燃气轮机发电的应用现况和发展前景我国自50、60年代初开始引进燃气轮机发电机组，先后测绘仿制或自行设计制造过多 种机型，70年代后期到80年代按国家川沪输气管线计划，曾投资建成南京汽轮电机厂的燃 气轮机制造车间和试验研究基地，自行设计178MW燃气轮机，又与美国GE合作生产 MS6001B型燃气轮机，单机功率40MW，效率318。除此之外，我国还有上汽、哈汽、东 汽以及多家研究院、所，高等院校开展燃气轮机的设计制造和试验研究工作，取得不少科研 成果，形成我国燃气轮机开发基础。特别是航空和造船部门的一批制造厂和科研院所在试验 研究设备和型号开发等方面都已初具规模。航空部和美国普惠公司合作开发FT-8燃气轮机 功率25MW，效率387，我国负责制造低压压气机、动力涡轮、燃烧室、气缸成套件等 约占整机工作量的30。我国有近十家制造厂家GE、西门子等国外公司委托生产E型或F 型的叶片、喷咀、燃烧室、隔板、机壳，有的厂家年产量达40台套。机械系统的企业通过 “八五”、“九五”改造，拥有大型制造厂房，大型数控加工设备和精密测试仪器。我国发展 燃气轮机发电有一定的基础。但是要看到我国燃气轮机发展至今，与国外发达国家相比还有很大差距主要表现为： (1)我国燃气轮机发电容量7200MW(不包括港澳台地区)占全国发电总容量的24，远比国外工业发达国家的比例低，这说明我国燃气轮机的应用仍不普遍。 (2)我国现有的燃气轮机和联合循环机组的性能仅是国外七八十年代的水平，比起国外单机功率300400MW，简单循环效率38一39，联合循环效率57一59的性能水平还差得很远。 (3)我国近两年才在少数大城市开始燃气轮机热电联产循环的应用。 (4)国外燃煤联合循环发电从开发研究到示范工程和商业运行，已经过很长时期，取得很大进展。我国至今没有示范工程，尚属空白。(5)我国燃气轮机制造业的生产规模和水平还很低。目前只是与国外合作生产国际上七 八十年代水平的机组，而且很多关键部件仍依靠国外引进。国内燃气轮机发电设备的市场基 本上被国外制造厂商所占领。我国自改革开始以来，经济建设长期处于高速度发展。我国实施“可持续发展”的战 略注重能源的高效、洁净利用，正逐步实现电力的优化结构。燃气轮机是一种新型的动力 工程，成为我国“十五”规划期间明确重点发展的产业。国家在“865”计划中列有燃气轮 机重大项目。国家计委专门成立燃气轮机电站建设技术引进技术项目的联合招标办公室，致 力于燃气轮机技术的引进和国产化。近期燃气轮机发电的发展项目有：1国家正加速西部开发的步伐，积极开发应用天然气燃料。我国正在进行西气东输的 重大工程，投资规模仅次于长江三峡工程，主要工程项目包括：3l塔里木输南上海管线，跨9省，全长4167公里，计划2005年输气量为120亿NM3，年，2010年达200亿NM3年陕京输气管线，全长853公里，已建成输气能力为30亿NM3，年涩一宁一兰管线，全长953公里，正在加速建设，近期输气能力为20一30亿NM3，正东川一武汉管线，全长695km，将建成30亿NM3，年的输气能力。除以上重大工程项目外，我国还正在大力开发海上气开采和应用。还正探求从俄罗斯和 中亚地区联接输气管线引进天然气。2为优化能源结构，有利于环境保护，我国计划在沿海东部发达地区适度的引进液化天然气(L烈G)，一些城市、地区将实现天然气化。广东LNG工程正在加速建设，预计20052006年将达300亿NM3，年的供气量，以后还 要增加到600亿NM，年。广东深圳前湾、深圳东部和广东惠州三个大型IBG的联合循环发 电工程总装机容量30003600MW，此工程经国家批准立项，正在加速建设。3我国多年来积极开展增压流化床燃煤联合循环(Prim)和整体化燃煤联合循环 (IGCC)的研究，在洁净煤燃烧技术方面有所进展。在山东烟台正建设我国第一座100MW等 级的IGCC示范工程。中国是产煤大国。洁净煤燃烧以及燃煤联合循环发电是中国能源发展 的长远目标。4综上所述，到20052006年我国天然气应用的规模会达到500亿M3，年，约60以上 气量用于天然气发电，因此新增燃气蒸汽联合循环发电约15000MW。我国政府已起动十五 期间天然气燃气轮机发电工程的重大项目，首批8家电厂18套大型燃气蒸汽联合循环装机 总容量54007200MW已批准建设，不久会有第二批、第三批的新建工程。十五期间国家计 划发展10000MW的燃气轮机电厂，据了解可能会大大超过这一数量。在天然气工程建设中，各输气管线建设增压站估计还要配置燃气轮机增压机组约有100200套。我国北京、上海、兰州将建设以天然气为燃料的大型燃气蒸汽轮机电联产循环机组， 工程已得到国家批准开始动工。北京迎奥运的大型建设项目包括城市分散式的供热锅炉将全 部改造为烧天然气的燃气轮机热电联产循环机组。热电联产在全国各大城市都在规划建设。4发展燃气轮机发电必须解决的重大关键技术研究发展燃气轮机发电的技术路线和重要环节，显示出燃气轮机集多项高新技术于一 体。燃气轮机是一种多学科交叉的综合性技术，其核心技术应包括燃气轮机重大部件的设 计、制造，以及总体成套和运行管理的技术。包括高温热通道部件的材料、制造工艺、涂层 保护技术、高转速机械复杂结构的组合、总能系统的优化技术、控制和信息技术，以级运行 管理应用技术。我国必须解决的重大关键技术有：1发展燃气轮机高温部件材料 我高温温材料研究有较好的基础，也有一些成果，与国外最新技术相比的差距主要是母合金性能和冻炼铸造技术上的差距。我国有条件选定一、二种自行开发的母合金或依靠国外 引进一、二种母合金开展深入的研究工作。在真空冶炼技术方面，我国尚缺乏大容量的真空 冶炼、精铸设备。建议有计划地引进一些先进的定向结晶和单晶炉，争取以较短的时间为新32型燃气轮机提供最高水平的高温材料。2提高燃气轮机重大部件的设计、制造能力 我国要从目前能生产中小型燃气轮机的水平，形成自主开发能力，生产高性能的大型燃气轮机在设计、制造方面主要应该从以下方面来提高能力。(1)在部件机加工方面要加强的是冷却叶片、喷咀加工的特种工艺技术； (2)大型转子组装必须具有恒温或可控温度分布的转子装配坑； (3)进一步充实多级模型压气机试验台和建设大功率驱动的整台压气轮试验台； (4)开展空冷和蒸汽冷却的透平试验；(5)开展低NO。燃烧室的试验研究； (6)要建成大型燃气轮机整机试车台，并能提供液体、气体多种燃料燃烧试验。3加强燃气轮机总能系统优化技术研究从有效利用能源出发，在发展先进燃气轮机的同时，必须重视总能系统的开发和研究。 而且可认为这一方面更加重要，更加迫切，会更快取得成效。例如热电联产是一项具有方面性的总能技术。热电联产技术涉及到各种热电比和供热条 件下蒸汽系统优化；热电联产如何解决蒸汽的多次汽化，为市民直接供热水，形成城市热水 管网等。热电联产的技术水平将得到更加提高，将更为普及，更快发展。燃气轮机总能系统包括燃气轮机的分段燃烧，燃气蒸汽轮机联合循环的蒸汽优化等方 面的研究。美国能源部在ATS(先进燃气轮机系统)研究项耳完成后又立即开始FY20012008NGGT(下一代燃气轮机)计划，和Vision21规划，提出简单循环效率至少为47，联合循 环效率达到70。美国能源部的能源规划已包括新一代采用燃料电池联合循环的总能系 统。此外也包括采用级间冷却、分段燃烧的复合式总能系统。例如美国国家能源技术实验室 在30MW一150MW中等功率级燃气轮机方面提出一些新的有用的设计方案，称为CHAT电 厂，其中以GE6B系列为核心机的CGAT电厂功率94Mw，热效率可达523，方案采用双 级间冷的压气机，湿空气一级透平和二次燃烧的低压膨胀透平，以及优化的余热回收锅炉 等。可见美国能源部新的能源规划正在偏重于总能系统这一方向。4重视燃气轮机的维修技术发展燃气轮机发电应该是与掌握燃气轮机的维修技术紧紧同步的。燃气轮机热通道部件 使用高温优质合金，又有抗高温氧化、腐蚀的涂层，部件有复杂结构，要求精密加工制造， 国内燃机电厂大部分采用进口部件。而这些部件的修复回用更有其技术上的独特性，对高温 高应力下长期工作产生的裂纹、形变和腐蚀、损坏，金属材料的金相结构的变化等要经修复 回用，是一门高水平的专门技术。国外燃气轮机电厂的维修一般都与维修公司签订长期维修合同。维修公司负责制定和实 施维修计划周期检查(大修、热通道检查和燃烧室检查)，长期维修合同是维修专业化的一 个方向。专业的维修公司可集中人力和维修装备等方面优势，对各燃气轮机电厂进行维修服 务，使维修工作更规范化。电厂则可把注意力集中在运行生产上，这更有利于规范电厂维修 市场。向电厂提供的维修服务可以由维修专业队伍，也可由设备制造商及其下属的或委托授权 的维修中心。维修专业队伍可以提供长年运行更换部件，及时提供备品备件，现在更普遍建 立计算机网络联系的远程监测。据介绍，优质、及时的服务，使客户少买大量备用部件，及33时的维修大大减少了停