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燃气轮机发电技术应用综评

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/18 23:44:37   

  所属频道:  火力发电    关键词:  发电 燃气轮机 发电技术

[摘要]本文综评燃气轮机发电技术的高度发展水平,在电力结构中发挥补充作用,以及在目前应用中存在的主要不足和局限性,提出新世纪的发展之路
[要害词]发展燃气轮机发电电力结构补充局限性发展之路

半个多世纪前热力学科学论断燃气-蒸汽轮机联合循环发电有其突出优点。今天我们才真正看到这种发电技术已到成熟和被广泛应用,这说明一种有前途的技术从理论到实践、成熟和广泛应用是经历一条历史的长河。由此还可断定,燃气轮机发电技术还并不会到此为止,当今的燃气-蒸汽联合循环发电既有其广阔应用的前景,在发展中比起其他发电技术也有着某些的不足或有局限性。这是我们今天评论这一技术领域总的观点。

1、燃气轮机发电技术已达到高度发展的时代

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,在新增发电容量中更占主要份额。以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,随后的几年订货台数大致保持在这一水平,订货总功率数则更有增长。1998年6月到1999年5月,世界燃气轮机订货量达875台,总功率翻了一番,达到64254MW,这是说明大功率机组尤其快速增长,美国能源部能源信息中心(DOE·EIA)统计,截止1998年1月1日,美国Uiiliiv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10.5%。

燃气轮机发电快速扩大应用就是取决于技术的高度发展,而其核心技术又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600~700℃,到现在一一般水平都已超过1100℃,有些已投入商业运营的机组,燃气进日温度达到1288℃,高的甚至达1430℃。
(2)燃气轮机简单循环的热效率已由早期的16%~25%,现已提高到36%以上,高的达38%~39.5%。
(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GTDII1,DSGTD111,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10~20倍,早期有铂铝(PtAl)涂层,后来又发展等离子保护GT-29和CT-29IN-PLUSTM等。先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高150~200℃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500~800℃。
(5)燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发展到100MW以上等级的大机组,近年来250~300MW的机组也已投入商业运营。
(6)燃气轮机发电已广泛实现能量的综合利用,循环方式多样化,非凡是燃气一蒸汽联合循环发电技术更为完善,装置净效率已提高到58%-60%,出现了燃气、蒸汽集于一体的单轴机组。

2、可持续发展最有希望的发电技术

二次大战后世界经济的发展使人们逐渐预感到赖以生存的地球资源、能源有限和生态环境被加剧破坏,对人类构成长远威胁,可持续发展战略是人类聪明的结晶。电力是现代文明的象征,但是发电能源的消耗和对环境的污染又成为可持续发展的难题。

现今常规燃煤火力蒸汽发电仍占主要位置,燃气-蒸汽联合循环发电因在一些方面有其优点,已起到电力结构中的补充作用,并在某些领域内可替代常规火力发电,这类电力消耗的能源离不开煤炭、油、气等化石能源。大量的能源消耗占全球一次能源消耗的35%。据估计全世界可采煤炭资源尚可再用200年,天然气可用100年,石油只够用40年。解决能源的资源枯竭已到刻不容缓的地步。化石能源的超度利用还带来严重的环境污染,其中最主要的一项是CO2、SO2、NOx等温室气体排放带来的危害,因此归结在人们面前的两大课题是能源有效利用和减少环境污染。

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,但是究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;此外,燃气轮机发电技术在对有害气体排放污染上的有效控制同样优于常规火力发电。表1列举常规火力发电和燃气一蒸气轮机联合循环发电效率的实例比较。

除火力发电外,人们还在努力开发水电、核电,积极研究燃料电池,太阳能发电或其他新能源。但各种能源利用中,多以电能为终端能源。在能量转换为电能时又以空气或水作为介体。例如核电实现TD循环(一个燃气轮机联合循环发电。一个蒸汽混合器及一个核反应堆组成的核电站),高温燃料电池(MCFC或SOFC)与GT的混合系统。燃气-蒸汽轮机联合循环的介人使这些发电新技术的热效率大大提高,可以看到燃气轮机还有希望成为下一代发电新技术的支持。

3、燃气一蒸汽联合循环在现阶段还只能是电力结构中的一种补充

先进性和实用性是两个概念。长期发展趋向和今天广泛应用也不能相提并论。燃气轮机发电技术发展至今仍有其不足之处,在相当长的一个时期内,燃气一蒸汽联合循环仍只能是电力结构中的一种补充,可谓用其所长,补其不足。

3.1更广泛应用燃气一蒸汽轮机联合循环必须解决燃料局限性问题

可利用能源中煤炭资源丰富,假如有最高的利用效率,必然是利用成本低廉,成为应用普遍的能源。燃气轮机发电在直接利用煤炭为燃料方面虽作了很大努力,但至今对于煤的处理过程,或燃气轮机直接使用仍没有一种效率很高,成本最低的技术。燃煤的燃气轮机发电的综合能耗或综合成本与常规燃煤火力发电相比还没能突现优点。

3.2假如将燃气一蒸汽轮机联合循环发电作为承担基本负荷连续运行机组,更广泛的应用还须进一步促使一系列新技术的成熟,保证设备的可靠性。

20世纪90年代以来国际上出现一批大功率燃气轮机,简单循环功率120~180MW以上,一拖一或二拖一的联合循环效率已达55%以上,这种机组一定程度上正在逐步替代常规蒸汽轮机火力发电。有代表性的机型己投运的台数上百套,首台机组最长运行纪录约2~3万小时(见表2)。这些机组采用了最新的高温热部件材料和新型的冷却技术,有的采用分段燃烧,系统大大优化,结构也更趋复杂。与目前普遍使用的常规燃煤蒸汽轮机发电相比,这种新型燃机发电技术的成熟性、可靠性需要有更多数量和更长运行时数的考验。

来源:中国发电网
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