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發布時間︰ 2020-08-25 10:49:41   來源︰中國電力網  作者︰龐名立

  燃氣發電(gas power)是指利用天然氣產生電力。燃燒天然氣把水變成蒸汽,再用蒸汽推動汽輪機帶動發電機運轉而發電,屬于一般的火力發電,其效率較低。天然氣聯合循環發電則是將天然氣燃燒時產生的高溫煙氣,推動燃氣輪機,進行一級發電,然後再利用燃氣輪機排出的高溫煙氣加熱水,產生蒸汽推動汽輪機,進行二級發電。這就是聯合循環發電,效率較高。

  由于燃燒天然氣熱效率高,排放的污染物又較其它燃料少,因此天然氣被認為是最清潔的發電燃料。目前天然氣聯合循環發電的技術已相當成熟。已進入商業運作,且規模很大。

  因此,燃氣發電站可以分為三種類型︰

  ? 簡單循環燃氣輪機(Simple cycle gas-turbine)

  在簡單的循環燃氣輪機(cycle gas-turbine),也稱為開式循環燃氣輪機(open cycle gas-turbine,OCGT)中,熱氣驅動燃氣輪機(gas turbine)發電。這種類型的發電廠建設成本相對較低,並且可以很快啟動,但是由于效率較低,作為調峰發電廠最多每天只能運行幾個小時。

  ? 聯合循環燃氣輪機(Combined cycle gas-turbine,CCGT)

  CCGT電廠由使用布雷頓循環(Brayton cycle)的簡單循環燃氣輪機,然後是使用朗肯循環( Rankine cycle)的熱回收蒸汽發生器和蒸汽輪機組成。最常見的配置是支撐一台蒸汽輪機的兩台燃氣輪機。它們比簡單的循環電廠效率更高,效率可略高于60%,調度時間約為半小時。

  ? 往復式發動機(Reciprocating engine)

  往復式內燃機(Reciprocating internal combustion engines)的功率通常低于20MW,比其他類型的天然氣發電機小得多,通常用于應急電源或平衡可變的可再生能源,例如風能和太陽能。

  燃氣輪機從 20 世紀50 年代登上發電工業舞台以來,其發電效率和熱效率都有很大提高,特別是燃氣—蒸汽聯合循環機組日漸成熟,燃氣輪機的單機功率已超過334MW,熱效率已達35%~41.92%,而聯合循環機組的單機功率已達489.3MW,熱效率已超過60%,為燃氣發電在電力系統中地位的提高提供了技術支撐。

  發電效率(指原動機輸出能源與輸入能源的比值,用百分數表示。)因發電方式不同而各有差異。一般的火力發電效率只有30%左右,熱電聯產可達65%~70%,而冷熱電三聯產可達80%以上。


發電效率圖示

  燃氣輪機聯合循環(Combined-Cycle Gas Turbine,CCGT)指將傳統的燃氣輪機和蒸汽輪機進行有效聯合的發電系統。其基本原理是首先用天然氣燃燒後產生的高溫氣體,推動燃氣輪機做功,燃氣輪機帶動同軸發電機進行第一級發電;然後將燃氣輪機排出的、仍具有相當高溫度的燃燒氣體送入余熱蒸汽發生器,產生的高溫高壓蒸汽驅動蒸汽輪機進行第二級發電。


燃氣輪機—蒸汽輪機聯合循環發電流程圖

  燃氣輪機聯合循環發電(CCGT)通過組合燃氣和蒸汽循環,可以實現高輸入溫度和低輸出溫度。循環的效率增加了,因為它們由相同的燃料源提供動力。因此,聯合循環電廠的熱力循環在燃氣輪機的高燃燒溫度和蒸汽循環冷凝器的廢熱溫度之間運行。這個大範圍意味著循環的卡諾效率高。實際效率雖然低于卡諾效率,但仍然高于任何一家工廠的實際效率。

  如果將聯合循環發電站的電效率計算為所產生的電能佔所消耗燃料的較低熱值的百分比,則在理想狀態下進行新運轉(即不老化)並連續輸出時,其電效率可以超過60%。與單循環熱單元一樣,聯合循環單元也可以為工業過程,區域供熱和其他用途提供低溫熱能。這稱為熱電聯產,這種發電廠通常稱為熱電聯產(CHP)發電廠。

  通常,在較低的熱值和總產出的基礎上,服務的聯合循環效率超過50%。大多數聯合循環機組,特別是大型機組,在LHV的基礎上具有55%至59%的峰值穩態效率。

  燃氣輪機聯合循環發電效率(CCGT Generating Efficiency)采用聯合循環發電充分利用了天然氣的高溫位能量,從而提高了天然氣的利用效率,增加了電力輸出。發電效率提高情況見下表。

發電效率(%)

  利用聯合循環發電降低了燃煤發電比例,並減少環境污染。主要表現在︰

  ? 經濟效益 聯合循環發電的單位裝機容量投資少,國際上約為燃煤電廠投資的2/3;燃氣電廠建設工期短,燃氣—蒸汽聯合循環機組設備重量輕,施工快,一般12~20個月即可投產。

  ? 燃氣輪機可以模塊化生產,易于組裝,安裝在需要電力的地方,可省去長輸高壓輸電線路;

  ? 天然氣聯合循環發電的冷卻水用量僅為燃煤發電廠的40%,佔地少;

  ? 天然氣聯合循環發電效率可達55~60%,而燃煤發電廠只有42~44%;

  ? 擴建裝置不需要因環保而追加新的投資;

  ? 同燃煤發電廠相比,污染物的排放量低。

全球一次能源發電狀況

  全球一次能源發電一直以燃煤發電為主,其原因是成本價格低廉,原油及其產品顯然用處廣泛,燃油發電一直比燃煤發電和燃氣發電低,而且呈降低趨勢。燃氣發電卻呈現上升勢態。

2016—2019年一次能源發電(單位︰TWh )

全球燃氣發電最多的洲

  全球燃氣發電最多的地區是北美洲,2019年佔全球燃氣發電總量1975.8/6297.9=31.4%,顯然由于美國頁岩氣開發成功足使燃氣發電的發展;其次為亞太地區。

全球燃氣發電最多的洲(單位︰TWh)

燃氣發電最大的國家

  由于美國頁岩氣開發成功,燃氣發電已經超過俄羅斯居世界第一,中國盡管燃氣發電起步晚但已經躍入世界第四位。

2016~2019年前14位燃氣發電最大的國家(單位︰TWh)

世界上最大的燃氣發電站

  燃氣發電量最多的國家是美國、其次是俄羅斯,但是燃氣發電站最多的是日本,日本早在20世紀70年代就開始利用進口的液化天然氣(LNG)發電。

全球十三大燃氣電站

中國燃氣發電站

  中國主要以燃煤發電為主,依次燃氣發電的份額不高,但是進展比較快。

中國燃氣發電站

  單位換算︰

  1兆瓦=1MW 1億千瓦=0.1TWh

      關鍵詞︰ 燃氣發電
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