关于燃蒸联合循环热电冷联产的探讨.docx

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关于燃蒸联合循环热电冷联产的探讨

关于燃-蒸联合循环热电厂与分布式热电冷联产的探讨

 作者：

张宝珠王刚

一、节约能源是首要考虑的主题

热电联产能够有效的节约能源，从国内外工程实践来看，已是不争事实，据《2005年电力工业统计资料汇编》数据：

2005年我国单机6000千瓦及以上电厂热效率仅为37.09％，电厂供热效率85.13％，全厂能源转换总效率41.55%，我国的热电厂热效率均能超过常规火电厂的热效率10个百分点。

实现热电联产的小型供热机组，其热效率超过大型高参数常规火电机组。

1、能源形势不容乐观

我国自然资源总量排名世界第7位，能源资源总量居世界第3位。

我国是产煤大国，煤炭储量达1万亿吨，但精查保有剩余储量只有900亿吨，储采比不足百年。

我国又是人口大国，我国人口占世界总人口20%。

煤炭储量占世界储量的11%，人均煤炭仅为世界平均值42.5%原油储量占世界储量的2.4%，人均石油仅为世界平均值17.1%天然气储量占世界储量1.2%，人均天然气为世界平均值13.2%天然气因而应是我国宝贵的资源，更应合理有效利用。

1998年我国人均能源消费量1.165吨标煤，居世界第89位。

仅是世界人均能源消费水平的2.4吨标煤的一半，是发达国家的1/5--1/10。

我国石油储量不多，从1993年开始又成为能源净进口国，据予测未来缺口将越来越大。

2000年我国已进口石油7000多万吨，花掉200亿美元，预计我国石油进口依存度（净进口量与消费量之比）

由1995年的6.6%上升为 2000年的20% 2010年的30% 2020年的50%

天然气进口依存度 2000年6%  2020年的50%          

我国已成为仅次于美国和日本的石油进口大国。

由于石油需大量进口，因而能源安全性的问题，提到重要的议事日程。

目前国家将建立战略储油，希望在2010年前屯储1500万吨石油。

因而事实告诉我们，我国能源形势不容乐观，缺口越来越大。

在过去的20年里，我国经济保持快速增长，年增长9.7%，而能源消费增长速度仅为4.6%，得益于国家制订的“能源开发与节约并重，近期把节能工作放在优先地位”的总方针发挥作用。

据专家测算，我国在过去的20年中，国民经济发展所需的新增能源，一半靠开发，一半靠节约，而今后则要3/4左右要靠提高能效了，到2040年之后，新增能源就全部要靠提高能效来解决了。

因而我们可以说，积极发展热电联产是节约能源需要。

2、合理利用天然气资源

最近几年我国天然气的生产和消费均呈快速增长态势，但到2000年天然气的生产量也只占全国能源生产量的3.4%，而消费量也仅占全国能源消费量的2.5%。

而我国天然气的储量仅占世界储量的1.2%，人口则占世界总人口的20%，人均天然气仅为世界平均值的13.2%。

最近报纸和电视上宣传“西气东输”工程，天然气进京第二条管线的建设和天然气勘探开发的新消息增多，可能有人认为我们的天然气多的很，其实和需要量相比还差的远。

我们西气东输工程的年输送能力为120亿立方米。

莫斯科一个城市一年用天然气360亿立米，平均一天1亿立米，等于我们全国商品气的120%。

因而我们要保持冷静的头脑，把有限的资源加以有效合理的利用，绝不能一听天然气比煤清洁，天然气多了，到处上天然气项目。

西气东输工程也是沿线的十个省市区可以利用。

就是十个省、市区也要有重点有计划的合理利用，每个城市能分到多少气量？

主要用在哪方面？

要统盘考虑，再不能头脑发热。

如何合理利用天然气，也是我们供电工作者应认真研究的大问题。

据2002年7月5日《北京日报》报导：

西气东输工程建成后，天然气价格平均为1.29元/立米，具体价格会随用户距离远近而不同。

天然气到上海的价格为1.35元/立米，低于目前上海使用东海天然气上岸价格1.45元/立米和进口液化天然气交气点价格1.6元/立米。

具体到市区内还要经过市燃气集团的输配管网，税收、利润加价则气价还要提升。

另据消息报导：

上海工业与民用天然气价为2.1～2.4元/立米，优惠发展热、电、冷联产工程，气价为1.9元/立米。

从国际市场的能源价格来看，国际煤炭价格约为1.8美元/MMBtu，美国市场天然气价格约为2美元/MMBtu，欧洲市场天然气价格约为2.3美元/MMBtu，日本市场LNG价格约为3.5美元/MMBtu，气化后的天然气价格约为4.3美元/MMBtu。

我国煤炭价格相对较低，华北京津唐地区标煤价约为260元/吨，折合1.1美元/MMBtu，华东地区标煤价约为350元/吨，折合1.5美元/MMBtu，我国进口LNG价格及气化后的天然气价格与日本大体相当（可能会略低于日本），西气东输到上海的气价按中油总提供的数据为1.30元/立方米，折合4.6美元/MMBtu，陕甘宁天然气到北京的价格在1.00～1.30元/立方米之间。

折合3.6～4.1美元/MMBta，从以上数据看，按同发热量计算，天然气与煤炭的比价欧美为1.2～1.5，日本为2.

5，而我国华东地区为3，华北地区为3.2～4.1。

过

高的比价将限制我国利用天然气发电的规模，并将使天然气发电在承担电网基荷时缺乏竞争力。

煤价与天然气价格的比值

国家电力公司动力经济研究中心在编制《全国天然气发电规划》（2001-2010年）中提出：

在气价为1.1元/立米，天然气电厂竞争力较差；在气价为1.0元/立米时，在不同运行位置下（3000，4000，5000小时）天然气电站上网电价仅比进口66万千瓦脱硫机组和进口35万千瓦机组的电价低；在气价为0.90元/立米时，在利用小时小于4000的运行位置，天然气电站上网电价仅比国产60万千瓦不脱硫机组高，与其他机组相比具有明显优势。

上述资料提出：

气价1.0元/立米时，上网电价为：

设备利用：

3000小时   平均电价0.46元/千瓦·时

         4000小时   平均电价0.389元/千瓦·时

         5000小时 平均电价0.347元/千瓦·时

燃煤电厂如作为电力系统的调峰电厂则年设备利用小时将更低，平均电价将更高。

如为热电厂理应全年运行，冬季供采暖，夏季供制冷用热，利用小时数高，平均电价可降低，但又取决于天然气的气价。

北京几个燃气--蒸汽联合循环热电厂，天然气的气价均为1.4元/立米，因而上网电价均较高。

二、燃气--蒸汽联合循环与分布式热、电、冷联产

   1、燃气--蒸汽联合循环

自1939年瑞士BBC公司制造世界上第一台工业燃气轮机以来，经过60多年的发展，燃气轮机已在发电、管线动力、舰船动力、坦克和机车动力等领域获得广泛应用。

80年代以后，燃气轮机及其联合循环技术日臻成熟。

由于其热效率高，污染低，工程总投资低，建设周期短，占地和用水量少，启动灵活，自动化程度高等优点，逐步成为主要的动力装置。

由于世界天然气供应充足，价格低廉，所以最近几年世界上新增的发电机组中，燃气机及其联合循环机组在美国和西欧已占大多数，亚洲平均也已达36%。

世界市场已出现了燃气轮机供不应求的局面。

我国重型燃气轮机制造业始于五十年代末，六十年代至七十年代初，上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、东方汽轮机厂和南京汽轮电机厂都曾以厂校联合的方式，自行设计和生产过燃气轮机。

透平进气初温700度，典型机型为1MW、1.5MW、3MW、5MW。

八十年代南汽厂在原机械工业部主持下，与美国GE公司合作生产透平进气初温1100度等级的MS6001B型燃气机，单机功率40MW，效率32%，是世界上该功率等级的主力机型，国产比率50～70%，该产品于1988年通过国家鉴定。

目前已生产20多套，其中出口占一半。

根据原国家电力公司战略规划部编制《2001年电力工业统计资料汇编》。

我国2001年底单机6000千瓦及以上燃气轮机和柴油机组共538台1098.18万千瓦。

其中

燃气轮机组 141台  576.84万千瓦

柴油机组  497台   521.342万千瓦

2001年我国单机6000千瓦及以上火电机组共4381台，24115.09万千瓦。

因而可知我国2001年底的燃机比重为：

   台数占     3.218%

   容量占     2.392%

2001年我国单机6000千瓦及以上机组总容量30360.392万千瓦，燃机容量仅占总容量的1.9%。

因而可知燃机的比重仍很低。

目前世界上燃气机及其联合循环技术突飞猛进，其单机容量已分别为334MW和498MW供电效率可达38～41.5%和58.7%。

既能用于调峰机组，又可做为带中间负荷和基本负荷，其投资又低于代有脱硫装置的燃煤机组，由于其自身的一系列优点，因而已成为国外火力发电行业的主要发展方向。

我国近几年由于天然气资源的开发，“西气东输”工程建设，陕甘宁天然气进京和从澳大利亚与印尼引进液化天然气，为我国燃料结构调整提供资源。

国家决定发展燃气--蒸汽联合循环发电。

据有关资料报导：

在2007年前后，在“西气东输”管道沿线和广东地区，将建设10座燃气--蒸汽联合循环电站，拟采用23台以9FA和M701F型先进燃气轮机为基础的联合循环机组，其总功率近于8000MW。

其后还拟建一批燃用天然气的以9FA和E型燃气轮机为基础的联合循环电站，其台数大约有20台左右。

因而可以认为我国燃机的比重将上升。

根据国外电力系统的实践经验，为确保电力系统的安全性，燃气轮机的总装机容量应占全电力系统的总装机容量的8～12%，而我国到2001年底，燃机容量仅为1.9%，因而应积极发展。

2、分布式热、电、冷联产

由小型燃气轮机（内燃机）、余热锅炉、溴化锂制冷机组成的小型全能量系统（也称第二代能源系统或分布式电源）可以统一解决电、热、冷供应，在国外得到迅速发展。

由于小型燃机或内燃机供电效率为24～35%，联合循环供电效率可达45～50%，远高于常规火力发展，否定了人们头脑中固有的“机组小就不经济”的传统观念。

在燃煤的时代，火力发电厂确是机组越大经济效益越好，机组越小就不经济。

但在燃料结构改变的今天，情况不同，人们的思维方式也要改变。

燃油燃天然气的燃气轮机、内燃机由于大机组与小机组的效率差别不大，而且小机组又有占地小，机动灵活的特点，因而在发展国家大量采用。

不但1000～10000kW燃机市场需求量大，连1000kW以下的小燃机，甚至100kW以下的微型燃机也是销路看好。

燃料结构改变了，各类中小型机组，只要经济效益好，有生命力，就有发展前途。

中科院工程热物理所徐建中院士在“分布式供电和冷热电联产的前景”一文中曾指出：

“纵观西方发达国家的能源产业的发展过程，可以发现：

它经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布式供电方式的演变”。

1999年世界科学大会，“科学与能源”专题讨论会的专家们指出，为了实现可持续发展的目标，世界各国应面向未来制定新的能源发展战略。

专家们同时指出，对传统能源利用方工进行重新审视，也应成为未来能源发展战略的重要组成部分。

法国科学家拉菲德在读者讨论会上举例说，近年来一些研究表明，一种分散式的电力管理新概念可能比目前很多国家采用的电力供应系统更有利于环保。

这种分散式模式通过建立若干小型发电站代替少数大型发电站，从而尽可能缩短发电站和电力用户间的平均距离，这样可以减少能源损耗。

目前中央式供电系统的能源利用效率最高约55%，而测试表明，分散式电力供应模式效率至少可达到85%。

我国目前正处在大发展大集中的过程。

大机组、大电厂、大电网是主导方向，但分布式电源的发展，将不以人们的意志为转移，必将迅速发展。

通常100MW以上的燃气轮为大型燃机，20～100MW为中型，20MW以下为小型，小于300MW的为微型燃机。

小型燃机，具有高效、清洁、经济、占地少、自动化水平高，适用分散建设和可靠等优势，因而发展很快。

鉴于国际上小型全能量系统迅速发展的事实和其本身的优势，因而在急计基础（2000）1268号文中，明确提出：

……在有条件的地区应逐步推广。

中国电机工程学会热电专业委员会1999年的济南年会、2000年的宁波年会、2001年的重庆年会、2002年昆明年会和2003年海口年会中均有一些学术论文积极宣传、推广小型全能量系统，实现小型热、电、冷联产。

2002年9月份热电专委会还专门在南京召开“天然气在热电联产应用专题研讨会。

”2001年在北京人民大会堂召开的“绿色能源科技”高级论坛，由四位中国科学院、中国工程院的院士做学术报告，其中徐建中院士报告的题目就是“分布式能源CCHP”。

倪维斗院士在“能源的发展前景”报告中也特别提出应积极鼓励和扶持燃气天然气的热、电、冷联供技术。

北京石油学会于2000年和2001年召开的“北京天然气合理利用座谈会”上均提出：

“燃气--蒸汽联合循环热、电、冷联产，实现了一次能源的合理梯级利用，提高了能源利用率，带来了经济效益。

由于燃机具有低NOx燃烧技术，使NOx大力减少，可提高环境效益。

北京地区冬季供热，夏季大部分地区需供冷、因而联合循环热、电、冷联产有广阔市场，北京应适度发展中、小型燃机热电联产机组。

”美国9·11事件之后和北京申办奥运会成功，更多的专家学者从分散电源建设，确保奥运用电安全角度出发，积极提出北京应积极发展小型全能量系统。

中国能源学会、中国动力工程学会、北京动力工程学会等学术团体也均提出上述的合理建议。

英国、荷兰在北京召开热电联产学术研讨会和索拉公司、宝曼公司、惠普公司、瓦锡兰公司等也召开同类型宣传推广会。

他们看准中国大陆发展小型全能量系统的无限商机，积极抢占市场。

目前我国北京、上海、广州已有一批分布式热、电、冷工程投入运行，取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。

表一 上海和广州分布式（楼宇式）三联供系统的发展情况

序号   项目地点   设备情况   备 注

1   上海黄浦中心医院 1台1000KWSolar土星20柴油燃气轮机1台3.5t/h余热蒸汽锅炉

   已投入运行

2   上海浦东机场   1台4000KWSolar天然气燃气轮机1台5t/h余热蒸汽锅炉   

已投入运行

3   上海闵行医院   1台400KW坚泰燃气内燃气机1台350kg/h余热蒸汽锅炉

   已投入运行

4   上海理工大学   1台60KWCapstone燃气微燃机1台15万大卡余热直燃机   

正在进行施工图设计

5   上海舒雅健康休闲中心   2台往复式内燃机HIW-260型168KW和余热锅炉2

台供65℃热水   已投入运行

6   广东东菀鞋厂   11台102KW柴油内燃机11台0.5t/h蒸汽锅炉   已投入运行

7   广东铝业集团   1台725KW重油内燃机1台bz200型余热直燃气   已投入运行

表二 北京市分布式（楼宇式）三联供系统的发展情况：

序号   项目地点   设备情况   备 注

1   北京市燃气集团监控中心   1台480KW+1台725KW燃气内燃机 1台BZ100型+1台BZ200型余热直燃机   2003年三季度投产

2   北京次渠站综合楼   1台80KW宝曼燃气微燃机1台20万大卡余热直燃机   2003年三季度投产

3   软件广场   1台1200KWSolar燃气轮机1台250万大卡余热直燃机

4   北京国际贸易中心三期工程   2台4000KWSolar人马40燃气轮机+2台20T/H再燃余热锅炉

5   国际商城   2台4000KWSolar人马40燃气轮机+2台20T/H再燃余热锅炉

6   北京高碑店污水处理厂沼气热电站   一期：

4台6GTLB型沼气内燃机 513kW二期：

3台JMS316GS-B、L沼气内燃机710KW   均已投产

三、电力系统情况

   1、华北及京津唐电网现状

华北电网由京津唐电网、河北南部电网、山西电网、蒙西电网组成。

供电区域包括北

京、天津两市和河北、山西及内蒙古西部。

其中京津唐电网供电区包括京、津两市和河北省

北部的张家口、廊坊、唐山、承德和秦皇岛等区、市。

到2001年底，华北地区总装机容量46422.9MW，其中火电装机43473.7MW（约占华

北电网总装机容量的93.6%）水电装机2894.14MW（约占华北电网总装机容量的5.4%）风

电55.13MW（约占华北电网总装机容量的0.119%），从华北电网水电与火电的比重，我们

可知华北电网调峰能力差，火电机组将承担大部分的调峰任务。

2、北京电网现状

北京地区电网是京津唐电网的重要组成部分，除承担为首都供电任务外，还向附近的

河北省部分地区转送电力，到2001年底，北京电网共有装机4437.54MW。

2001年北京地区最大供电负荷6994MMW

2002年北京地区最大供电负荷8140MW

3、电力负荷预测

2001年京津唐地区供电负荷为14460MW，其中北京地区最大供电负荷6994MW，占京

津唐地区总负荷的48.37%左右。

根据近十年来京津唐及北京地区负荷发展速度及对今后的发展预测，情况为：

2005年京津唐电网最高负荷18800MW其中北京9500MW

2010年京津唐电网最高负荷25160MW其中北京12700MW

北京电网电力平衡见下表

表三 2001年--2010年北京电网电力平衡（MW）

序号   项   目   2001年   2002年   2003年   2004年   2005年   2006年   

2007年 2008年   2009年   2010年

1   最高供电负荷   6994   7727   8275   8867   9500   10068   10670   1

1308   11984   12700

2   最高发电负荷       8399   8995   9638   10326   10943   11598 

 12291   13026   13804

3  需要发电装机（20%备用）     10079   10793   11565   12391   13132   1391

7   14749   15631   16565

4   新增装机容量       0   0   300   1024   362   0   0   0   250

   其中：

水电、蓄能       0   0   0   0   0   0   0   0   250

        火电       0   0   300   1024   362   0   0   0   0

5   年末装机容量   4437   4437   4437   4737   5761   6123   6123   612

3   6123   6373

6   受阻容量       486   486   486   486   486   486   486   486   486

7   年末可用装机容量       3951   3951   4251   5275   5637   5637   563

7   5637   5887

8   装机盈亏       -6128   -6842   -7315   -7116   -7495   -8280   -9112

   -9994   -10678

9   电力盈亏       -4698   -5246   -5608   -5456   -5746   -6348   -6986

   -7662   -8187

   注：

1、系统备用容量按20%考虑。

4、北京应增强电网稳定性、可靠性、优化电力结构，提高电网的应急和调峰能力由电力平衡可以看出，对于北京电网，由于建设发电厂受燃料运输、水资源及环境条件制约，北京地区规划电源增加有限，需从外网受电。

目前主要接受山西、内蒙、河北、东北的电力供应。

北京电网是华北电网的一个重要的负荷中心，根据北京地区人口状况、负荷密度情况，预计远景年份北京地区供电负荷将达到20000-25000MW，为确保北京电网安全稳定运行，受电比例不宜过大。

以上海电网为例，2000年和2005年的受电比例分别为14.6%，20.9%，2010年受电比例下降为13.5%，且到2010年，上海电网的电源86.5%分布在上海负荷中心50公里的范围内。

日本东京电网负荷中心附近装机48.8%，对于受端电网是很好的支撑，约93%的电源在距负荷中心200-250公里的供电范围内，送电距离短，比较有利。

而北京电网如华能北京热电厂二期工程不投产，2005年受电比例约63.3%，2006年受电比例约65.34%；如华能北京热电厂二期工程投产，2005年受电比例约57.4%，2006年受电比例约57.1%。

为满足北京电网的安全稳定供电的要求，在北京地区建设一定容量的支撑电厂是十分必要的。

北京电网内部电源支撑严重不足，在夏季大负荷期间更为突出。

万一因意外事故造成北京地区大功率缺额，停电事故就必然发生。

因此，在增加西电东送容量的同时，应相应增加北京电网的大电源支撑，增加电网稳定储备。

可有效地增加正常及事故情况下的受电能力，防止发生电压崩溃和频率崩溃，造成严重事故。

北京电网的特点是负荷增长较快，主要是空调负荷增长较快，约占高温天气时高峰负荷的1/3（另有资料介绍占40%），空调负荷的特点是同时性且受气候影响大，上升陡度很大。

如果系统发电出力不能及时同步增加，就将给电网安全稳定运行带来严重影响，燃气-蒸汽联合循环机组能够快速启动，可提供紧急及事故备用容量。

另外，京津唐电网由于一次能源结构限制，电源的结构不够合理，电网基本为燃煤的火电机组，从今后一段时期内优化电力结构的方针考虑，建设一些调峰性能好的发电机组，对减轻京津唐电网的调峰压力，改善京津唐电网运行质量是十分必要的。

同时在北京地区发展燃气机组为申办奥运，改善北京环境质量是十分必要的。

四、北京拟建燃机电站的简况和问题

   1、北京计划建设燃机的情况

表三仅列入北京第三热电厂和华能北京热电厂二期扩建燃机的情况，据我们了解北京

还有一批燃机工程计划建设，其情况为：

表四 北京计划建设燃机电站的项目

   项 目 名 称   总容量（MW）

1   华能北京热电厂二期   724

2   北京第三热电厂   600

3   北京太阳宫热电厂   786

4   北京亦庄开发区热电厂   150

5   北京电子城热电厂   100

6   北京上地热电厂   100

7   清华大学热电厂   100

8   高井电厂燃机改造   600

9   北京草桥热电厂   600

合     计   3760MW

上述工程中除北京第三热电厂为调峰用燃气--蒸汽联合循环发电机组外，其余均为

热电厂，可以实现热电冷联产。

2、几个燃机电站工程的简况

表五 三个燃机电站工程简况

序号   工程名称   装机容量万千瓦   

单价   含税   含税

元/千瓦   电价元/千瓦时   热价元/GJ   总投资亿元

1   北京经济技术开发区天然气联合循环热电厂   2×FT815   5026   0.529   34

.19   7.58

2   华能北京热电厂二期扩建   2×PG9351FA72.4   3681   0.41