从安全和调峰的要求出发,在电网中安装功率份额为8%~10%的燃气轮机发电机组是必要的。我国许多地区电网的峰谷差相差较大,急需启动快、调峰性能好、建设周期短的燃气轮机及其联合循环来适应建设的需要,特别是在沿海开放地区更是如此。天然气联合循环发电集天然气洁净与联合循环高效于一身,具有诸多优点,成为当今世界最受青睐的实用发电技术。
燃气发电就是使用天然气或者其他可燃气体来发电的过程。燃气轮机是把热能转换为机械功的旋转机械,包括压气机(在燃气轮机中通常将压缩机称为压气机)、加热工质的设备(如燃烧室)、透平、控制系统和辅助设备等;一般引用空气作为工质。
根据中研普华产业研究院发布的《2022-2027年燃气发电行业市场深度分析及发展规划咨询综合研究报告》显示:
从全球发电行业发电量结构来看,据统计,2019年全球发电量最高的是燃煤发电,发电量为9824.1TWh,占比36.38%,燃气发电2019年发电量为6297.9TWh,占比全球发电量23.32%。据BP世界能源统计年鉴数据,2021年全球天然气发电量约6.5万亿千瓦时,在全球总发电量中占比22.9%。我国自本世纪初开始大规模使用天然气发电,过去20年间装机保持了较高的增长速度,并于去年1月迈进1亿千瓦大关。
燃气轮机动力装置是燃气轮机及为产生有用的动力(例如电能、机械能或热能)所必需的全部基本设备。简单循环燃气轮机是最简单热力循的燃气轮机,也是目前最常用的燃气轮机。单循环是最简单的燃气轮机循环燃气轮机的热力循环。循环的最高温度越高效率越高,反之越低。一般燃气轮机循环的进口温度是大气温度,具有由地球气候条件决定的变化相对不太大的确定值,因此首先决定效率的要素是循环的最高温度,即燃气透平的进口温度(通常称之为T3),T3通常是衡量燃气轮机性能水平的特征量。
长期以来,我国的能源结构以煤为主,它决定了煤炭在我国发电能源结构中的主导地位。但从环保角度看,煤电的污染排放问题非常严重,至今尚未获得有效的控制,这已成为制约我国电力实施可持续发展战略的“瓶颈”环节。因此除了发展燃煤电站的环保装置外,还必须调整我国的能源结构,即用优质的清洁燃料——例如天然气,来替换部分发电用的燃煤。燃烧天然气的燃气轮机及其联合循环发电机组则是目前提高能源资源的利用效率,并相当彻底地解决环境污染问题的首选技术。
截至2019年我国天然气产量为22629万吨标准煤,同比增长10.6%,消费方面,2019年我国天然气消费量达到39477万吨标准煤,同比增长10.1%,对外依存度较大。我国燃气发电装机容量从2012年3767万千瓦增长至2019年9024万千瓦,但在全国电力总装机和总发电量中所占的比重仍然较小,截至2020年1-11月我国燃气发电装机容量为9751万千瓦,同比增长8.4%。
目前,燃气轮机发电技术已普及我国各大热电厂。但是,燃气轮机在使用过程中必须面对的维护问题并不乐观。由于天然气的洁净程度未必得到有效控制,天然气中的杂质很容易在压气室积聚,甚至腐蚀基体金属。很多时候使用厂家在引入燃气轮机燃烧前必须经过过滤工序。尽管经过过滤,压气室依然存在杂质积聚和基体金属腐蚀的现象。因此,燃气轮机必须定期清洗。否则,燃气轮机的效率会逐渐降低,同时影响使用寿命。然而,传统的高压气体和高压水冲洗效果并不显著。在很长一段时间里,这种情况是无可奈何的。然而,最近世界化学品供应商巨头CHEMETALL研发出针对燃气轮机的压气机清洗剂可以在不腐蚀基体金属不拆卸的前提下进行有效清洗。据说,国外的电厂有部分已经使用,而且效果显著。
该系统主要是由燃气轮机、汽轮机、发电机和换热器、泵等组成。在联合循环机组中,空气经空气压缩机压缩后送入燃烧室,被压缩的空气与喷入的燃料相混合并燃烧形成高温高压燃气,具有做功能力的燃气工质进入燃烧透平膨胀做功;做功后,仍有较高温度的燃气进入余热锅炉,此时燃气余热使汽水系统的水转变为高温高压蒸汽,具有做功能力的蒸汽工质进入汽轮机膨胀做功,汽轮机排汽经凝汽器冷却为水,再经各级加热器加热后又进入余热锅炉,完成蒸汽循环;余热锅炉中燃气与给水换热后的低温烟气经烟道排入大气,完成燃气循环。这就是典型的余热利用型联合循环发电系统的工作原理。
在能源发展多样化的当前,煤的生产量还将稳步上升,但它在能源中占的比例将相对稳步下降,气体燃料的发展速度将相对加快。供给燃烧发电的气体燃料只能用于联合循环而不会用于电站锅炉,这也是最近一段时间国内燃气轮机需要量增加的主要原因。预计在不久的将来,我国的气体燃料消费比例还要继续上升,燃气轮机的需求也将继续增长。随着天然气资源的开发和应用,我国电力系统中必将逐渐增多对燃气发电机组的使用,燃气发电在我国电力工业的作用将逐渐增强。
业内人士表示,截至2022年6月底,中国燃气发电装机容量为1.1亿千瓦,排名世界第三。预计到2025年,中国燃气发电装机规模将达到1.5亿千瓦左右,展现了良好的发展势头。随着能源结构进一步向清洁化调整,电网需要规模大、响应速度快、发电成本低、可持续供电的电源来提供调峰和调频服务,燃气发电十分契合这一需求。
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