关于确定燃气轮机热电联产若干问题的说明

中国电机工程学会热电专业委员会  韩晓平    

    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、组合多样化的能量转换装置，已为全世界广泛采用。在电力行业，它不仅被用于基本负荷与调峰发电，更多地被用作为热电联产，并取得了极为理想的环境、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的普遍鼓励与扶持，并通过制定相应的法律、法规予以保护。我国政府面向21世纪，在可持续发展战略指导下，为有力配合西部大开发，正式颁布对发展燃气轮机热电联产的扶持政策——《关于发展热电联产的规定》，对于我国的环境保护、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的意义。
    如何确定燃气轮机热电联产的技术指标，将直接影响到这一技术能否健康推广。订立技术指标的基点应该是国家、社会的长期利益，并结合我国的实际情况，同时参考各国及地区政府已经实旋的法律、法规和技术标准。
    燃气轮机热电联产的工艺方式

    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的工艺方式。
    此种工艺首先由燃气轮机对燃料进行首次能源利用，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，及烟的转换率高，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较大，不利于电网、热网和天然气管网的调节，除非是企业自备的热电厂，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的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、热网和天然气管网的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：它与前一工艺方式的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的高品位蒸汽，因而工艺系统投资较低。为提高供能可靠性和热、电、天然气的调节能力，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，所采用的机组一般也比较小。与前一方式比较，燃气轮机更像一个燃烧器。由于燃气轮机实现了对天然气的预热，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的利用率明显降低，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部分蒸汽，将净化、脱硫的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的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：将较小的燃气轮机加入到传统的燃煤或燃油后置循环热电联产系统中，将燃气轮机的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，稳定低功况条件下的系统运行状况。

热效率与热电比

    无论采用上述哪一种工艺方式，应由建设单位根据燃料资源配置情况，热力、电力市场的实际需求，及环境排放的容量空间等因素来决定。总体而言，发展燃气轮机热电联产应该坚持适度规模的原则，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，特别是提高烟的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的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，经济效益较佳的第1种工艺方式。由于烟的转换、利用率难以确定计算标准，所以将第1种工艺方式的热效率和热电比指标作为政策底线标准应是合理的。
    根据对南京汽轮电机厂引进GE公司技术生产的容量39MW等级的MS6561B燃机(联合循环容量56MW，编号STAGl06B)和GE公司生产的容量123Mw等级的阳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的研究分析，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的有关技术指标，结合国内配套设备生产企业产品的技术现状。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的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的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，对于那些容量较小的中温中压后置循环供热机组，如果不大量供热，45％的效率是根本不可能达到的。从节能角度出发，如果燃煤凝气机组能够达到45％的热效率即使不供热，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的发电机组，年平均效率55％也是目前的一个极限值。虽然新研制的一些机组效率可达到58％—60％，但这是在ISO功况条件下的一个瞬间值，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、调峰运行的出力变化，实际效率将明显降低。如：S109B的理论效率可达52％，而深圳南山电厂S109E的实际效率仅42％。对于采用单压或双压余热锅炉和抽凝汽轮机的联合循环热电机组，不大量供热也是不可能实现的。
2．TAGl06B热电综合效率要达到55％，需抽汽20吨，热电比对应为30％，相当余热锅炉换热量的27％，蒸汽量的30％(见本文附表之1)；STAG109E热电比达到30％时，热效率要达到57％，需抽汽吨，相当余热锅炉换热量的28％，蒸汽量的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。我们建议的总热效率55％，热电比30％，远远高于美国政府对其国内热电厂规定的热电比15％时，总效率达到45％的考核水平。也高于我国台湾实行的总热效率事50％和热电产出比多20％的考核标准，在全世界应属于最高一级标准。建议制定如此高的技术考核标准，并不是我国大陆地区的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的现状因素。但是，我们又不能违背全世界在努力提高能源利用效率时，特别鼓励提高烟值的转换效率，即多发电的趋势，这也是节能的本质。

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的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的70bar次高压补燃余热锅炉为标准。大多数生产中温中压设备的国内配套厂家要达到这一标准还需要更多的努力，或者通过提高热电比来达到热效率要求。标准应该比照先进技术制定，这样才有利于整体行业的技术进步。这也强迫热电企业必须采用先进技术，否则将难以达到考核标难，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的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，电价与热价的差值和供电热值与供热热值的平均差均是3．7倍。前置循环机组的供热效率要达到48％时，收益才能达到联合循环系统中蒸汽轮机13％凝汽发电效率时的水平。即：前置循环热电联产效率达80％时，才能达到燃气轮机联合循环凝气发电机组45％时的收益水平，而这一收益比联合循环热电联产效率在55％时的热电综合收益低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、供热的总热效率达到55％技术上可以实现。由于它的发电效率大大高于传统工艺的燃煤发电装置，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，如果其发电效率达到40％，50MW以下机组总效率需要达到80％，50Mw以上机组需达到60％，技术上根本无法实现。即使是55％的总效率，热电比也需要达到37．5％。
6．对于将采用燃气轮机辅助循环热电联产系统的热电厂，由于燃气轮机不承担重要主要的能量转换，仅仅是一辅助工艺系统，因此不应执行燃气轮机热电联产的热效率和热电比标准，应按照《关于发展热电联产的规定》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

    电力设施的高效化、分散化、小型化和功能多样化是世界能源业的发展走向，是人类环境意识和可持续发展意识增强的必然产物，是技术进步的成果，是我介泌须面对的文明越势。这一概念所建立的基础在于：
A．首先是环境保护认识的不断深化，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健康的氮氧化物和导致全球变暖温室气体排放的加剧，使各国不得不采用更严格的标准和更有效的手段来保护、改善环境，必须以最低的环境、资源代价维持人类文明的延续与发展。
B．天然气等新能源的开发利用为人类持续发展奠定了基础，但是开发利用天然气较高的投资成本，使我们又不得不尽可能通过扩大使用天然气的效能，来提高其有效能源的利用效率和综合经济效益。
C．燃气轮机联合循环技术的不断完善，为人类在较小的环境、资源、资金代价下，提高天然气资源的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的特殊工艺方式，综合效率与容量规模大小之间的联系甚小，使人们可以根据具体市场对于能源产品的实际需求、环境容量空间和天然气资源配置条件，因地制宜地进行能源转换；   

b．燃气轮机制造水平的提升，以及燃气轮机对液体、气体燃料的广泛适用性，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、高效益的同时，进一步建立了更为可靠的能源安全保障体系；
c．控制系统自动化和电网输配电技术的进步，使电网在容纳这些较小的机组的同时，也增强了自身的安全性。为建立适度规模的，更为有效、可靠的新型能源体系创造了机会。
    燃气轮机热电联产设施的小型化、微型化已经成为各国能源工业的一种新潮流，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、楼顶花园和暖棚的二氧化碳。最大限度地减少能源转换、运输环节的损耗和污染物的排放，降低能源代价。目前国际上正在研究发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的同时，解决家庭电力供应，实现全能量利用。
    发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，坚持适度规模的总体发展方针。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的考核标准(见本文附表之3)。

余热锅炉补燃

    为燃气轮机热电机组的余热锅炉加装补燃装置是国外较普遍采用的技术，主要为加强机组供热与发电的综合调节能力，提高系统的总热效率。燃气轮机烟气中含有大量的氧气未燃烧尽，一般超过15％，温度在450—600℃之间。如果加入一定量的天然气或其他燃料，将余热锅炉内的温度提高，最大可以增加8倍的蒸汽供应量。
    由于余热锅炉温差的增大，使系统热效率明显增加，某些机组用于补燃的燃料效率甚至超过100％(见本文附表之4)。

关于备用电力保障

    世界各国与地区为保护环境、节约能源鼓励发展热电联产，“电网必须提供备用电力保障”是一条最核心的扶持政策。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的企业自备热电厂和区域性直配热电厂的电用户，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。超出规定期间的备用供电，可以适当加价，一般多在25％之内。
    在一个电网中有条件建设热电联产的企业和区域是有限的，由于热电指标的限制，其单厂、单机容量很难大到对电网安全构成威胁的程度。分散电源点不仅可以提高电网供电可靠性、降低线损，还降低电网供电的责任风险。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的峰谷差压力，提高系统内发电机的利用率和热效率，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的社会责任。
    根据《中华人民共和国电力法》第二十六条：“供电营业区内的供电营业机构，对本营业区内的用户有按照国家规定供电的义务；不得违反国家规定对其营业区内申请用电的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、法规和规定的要求，供电营业机构必须提供其备用或不足部分的电力、电量供应。

燃气轮机热电厂竞价上网

    各国在制定竞价上网原则时，无一不考虑发电装置的环境代价因素。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的基本国策。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的电厂的电价成本必然高于排放控制标准低的电厂，如果让高标准电厂与低标准电厂竞价上网，必然导致环境污染的剧升，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大人民群众的根本利益，积极参考各国先进经验，对各电源点不同的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，并制定按级竞价的原则，努力减少环境污染和资源浪费。

2000年9月15日