第 6 章 天然气、燃气发电与控制技术

1. 第6章 天然气、燃气发电与控制技术

3. 本章主要内容 6.1 天然气水合物的形成与物化性质 6.2 天然气的综合利用和发展前景 6.3 小型燃气轮机发电机组 6.4 微型燃气机发电机组 6.5 燃气发电机组的电能变换与控制 6.6 燃气机组的并网运行与控制策略 6.7 燃气机组的经济技术性评价

4. 6.1 天然气水合物的形成与物化性质 6.1.1 天然气水合物 天然气：指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体 。 天然气水合物：是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。 组成成分：CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可 形成单种或多种天然气水合物

5. 纯净的天然气水合物 天然气水合物样品

6. 6.1.2 天然气水合物的形成 1、麦索雅哈河—普拉德霍湾—马更歇三角洲—青藏高原全球陆地气水合物形成带 陆地上，适合天然气水合物形成的温度和压力条件的地理环境是高纬度永久冻结层（包括永冻区浅海地带）。 2、北冰洋—大西洋—太平洋—印度洋全球海洋天然气水合物形成带 海洋底下是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%具有形成气水合物的温压条件。

7. 海洋天然气水合物的形成机理 夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物

8. 6.1.3 天然气水合物的物化性质 1、天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。 存在方式： （1）占据大的岩石粒间孔隙； （2）以球粒状散布于细粒岩石中； （3）以固体形式填充在裂缝中； （4）大固态水合物伴随少量沉积物。

9. 2、气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：2、气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性： （1）相同的组合状态的变化——流体转化为固体； （2）均属放热过程，并产生很大的热效应； （3）结冰或形成水合物时水体积均增大； （4）水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物； （5）冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层； （6）含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层； （7）含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。

10. 3、天然气水合物的结构: • 结构 I 型 :立方晶体结构，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架 • 结构 II 型 :菱形晶体结构 ,除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i－C4）等烃类 • 结构H型 :六方晶体结构，较大的“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷（i－C4）的分子 分子结构

11. 墨西哥巴什山三种气水合物伴生气体 ND：未检测到

12. 6.2 天然气的综合利用和发展前景 6.2.1 天然气的综合利用 目前，关于我国天然气的利用有两种截然相反的观点 : 中国的情况特殊，天然气应当主要用于非电力行业，尽量少用于纯发电 按照世界能源利用的发展趋势，天然气应当主要用于发电 相对 观点

13. 1998 2010 2020 1998 2010 2020 造成上述问题的主要原因： 1、天然气在中国是一种稀缺资源

14. 我国天然气的使用结构(2000年)

15. 2、中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路2、中国能否创造一条高效利用天然气的独特道路 3、电力与天然气应统筹安排合理利用 4、分布式能源供给体系发展长期滞后

16. 6.2.2天然气发电的环境价值 1、环境价值不容忽视。 2、环境价值交易。 3、增进社会福利。 4、增强竞争力。

17. 6.2.3 天然气的发展前景 图6-1 2010年世界各地发电用气占世界天然气消费比例预测

18. 20世纪70年代，天然气的开发及研究进入第一个高潮；20世纪70年代，天然气的开发及研究进入第一个高潮； 20世纪90年代，各国政府、跨国石油公司、大型能源用户、学术研究机构又掀起了新一轮研究天然气的热潮； 21世纪，天然气在世界能源结构中的比例将超过石油，成为世界第一大能源，21世纪是天然气世纪。 1、天然气利用技术的研究历程

19. 世界天然气探明储量及特点 世界天然气探明储量发展变化及特点 世界天然气消费 世界天然气的产量 2、世界天然气储量与消费现状

20. 3、世界天然气的发展前景 世界天然气供给前景

21. 世界天然气需求趋势

22. 世界天然气贸易前景

23. 世界天然气价格展望

25. 4、中国天然气的利用前景 西气东输

26. 广东LNG项目

27. 6.3 小型燃气轮机发电机组 6.3.1 小型燃气轮机原理及用途 燃气轮机按功率分为： 大型燃机(100MW以上) 中型燃机(20～100MW ) 小型燃机(20MW以下) 微型燃机(小于300kW)

28. 燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机。燃气轮机又可分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机。 轻型燃气轮机为航空发动机的转型产品，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。 重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电冷联产。 轻型燃气轮机 重型燃气轮机

29. 燃气轮机由燃烧室、压气机、轮机装置组成 燃气轮机优点： 效率高、功率大、体积小、 投资省、运行成本低、寿命 周期较长等。 主要用于发电、交通和工业 动力。 图6-2 燃气轮机工作原理

30. 6.3.2 小型燃气轮机发电的主要形式 1、简单循环发电 由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统 优点：装机快、起停灵活，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。 美国GE公司的LM6000PC轻型燃气轮机是目前效率较高的开式循环系统， 其发电效率为43%。 我国QD70轻型燃气轮机

31. 2、前置循环热电联产或发电 组成：由燃气轮机、发电机与余热锅炉共同组成的循环系统。 工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收， 转换为蒸汽或热水加以利用。 应用：热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注燃气轮机提高燃气轮机出 力和效率。 改进：为提高供热的灵活性，大多数前置循环热电联产机组采用余热锅 炉回补燃烧技术，补燃时的总效率超过90%。

32. 前置循环热电联产工艺示意图

33. 3、联合循环发电或热电联产 组成：燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机（抽 汽式或背压式）共同组成的循环系统。 工作原理：它将燃气轮机作功后排出的高温废烟气通过余热锅炉回收转 换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发电，或将部分发电作功 后的废气用于供热。 应用：主要用于发电和热电联产。ABB公司的GT26－1产品作为高效率发 电的代表性联合循环系统，发电效率达到58.5%。

34. 4、整体化循环 组成：由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的循 环系统，也称为IGCC。 优点：主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用的气体、 液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。 作用：可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化 工原料综合供应系统。目前，GE公司使用MS7001F技术组成的整 体循环系统，发电效率可达到42%。

35. 5、核燃联合循环 组成：由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循 环系统。 工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。 应用：主要是为了提高核反应堆蒸汽的温度、压力，提高蒸汽轮机效 率，降低蒸汽轮机部分的工程造价。

36. 6、燃机辅助循环 工作原理: 在以煤、油等为燃料的后置循环发电汽轮机组中，使用小型燃气轮机作为电站辅助循环系统，为锅炉预热、鼓风，改善燃烧，提高效率，并将动力直接用于驱动给水泵。1947年美国第一台工业用途的燃气轮机就是采用该种方式参与发电循环系统的。

37. 7、燃气烟气联合循环 组成：由燃气轮机和烟气轮机组成的循环系统。 工作原理：利用燃气轮机排放烟气中的剩余压力和热力进一步推动烟气 轮机发电。 特点：该系统与燃气蒸汽联合循环系统比较可完全不用水，但烟气轮机 造价较高，还未能广泛使用。

38. 8、燃气热泵联合循环 组成：由燃气轮机和烟气热泵，燃气轮机、烟气轮机和烟气热泵，或燃 气轮机、余热锅炉、蒸汽热泵，以及燃气轮机、余热锅炉、蒸汽 轮机和蒸汽（烟气）热泵组成的能源利用系统。 工作原理：该系统在燃气轮机、烟气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备 完成能量利用循环后，进一步利用热泵对烟气、蒸汽、热水 和冷却水中的余热进行深度回收利用，或用动力直接推动热 泵。

39. 应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、应用：这一工艺可用作热电联产、热电冷联产、热冷联产、电冷联产、 直接供热或直接制冷利用。 特点：该系统热效率极高，如果用于直接供热，热效率可达150%，是未 来能源利用的主要趋势之一。

40. 9、燃料电池――燃气轮机联合循环 组成：由燃料电池和燃气涡轮机结合在一起的发电设备。 工作原理：电池以天然气为燃料，能放出高温高压的废气流，燃气涡轮 机则用燃料电池产生的热废气流产生电力。 特点：污染少； 只要有天然气和空气存在，燃料电池就能工作； 发电效率高达55%，燃煤发电效率35%，燃气涡轮机发电效率50%。

41. 根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联根据国际实际应用经验，发展热电联产特别是小型燃气轮机热电冷联 产，是合理利用天然气资源的最佳途径和最有效手段。 优势：提高能源利用效率，有效改善环境； 提高天然气的储采比； 降低开采、输送成本； 实现全系统优化； 降低气价、提高用户的市场竞争能力。

42. 从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是发展单机3～15MW、全厂总装机小于30MW、蒸汽供应能力200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产项目，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。从我国西气东输沿线的能源设施布局看，主要是发展单机3～15MW、全厂总装机小于30MW、蒸汽供应能力200吨之内的小型燃气轮机热电冷联产项目，以现有区域、企业自备热电厂改造为主。 小型燃气轮机热电冷联产的方式极为多样，小型燃气轮机热电联产是全世界新能源开发与利用的趋势。

43. 6.3.3小型燃气轮机发电机组应用前景 小型燃气轮机正在进行三大技术革命： 第一是回热利用技术——提高发电效率； 第二是永磁发电机与大功率晶体管可控变频技术——保障并网的安全可靠，提高自动化控制能力，降低生产成本； 第三是直接与余热溴化锂空调联合循环技术――省略了锅炉、化学水系统等设备，大大方便了用户。

44. 发电效率高； 环保好； 运行方式灵活； 耗水少： 占地少； 建设周期短。 燃气轮机联合循环具有它独特的如下优点：

45. 燃机电厂建设新方向： • 我国缺电的边疆、油气田等地区，需要建设燃机电厂； • 50MW燃煤机组的关停、为符合转改燃机电厂者提供了出路； • 因环保需要，将燃煤供热厂改造为燃机联合循环热电联供的热电厂； • 解决天然气供需不平衡的矛盾； • 东部沿海对引进气源的需求与利用； • 燃机电厂走向世界； • 建议采用TD循环技术、走核电与燃气轮机联合循环相结合的发电道路。

46. 6.4 微型燃气机发电机组 微型燃气轮机发电是把飞机发动机的燃气轮机小型化，使用天然气 等做燃料，产生高温、高压气体，推进发电机发电。 技术特征：发电容量小，一般在30至80kW； 占地面积少，设备大小犹如一台电冰箱； 可以使用各种油、气作燃料； 构成“热电并用系统”，从而提高能源综合利用效率； 废气排出少，对环境污染程度较轻； 适合于企业、医院、学校乃至家庭等分散使用。

47. 美国的卡普斯顿(CAPSTONE)公司已经制造出65kW级微型燃气轮机美国的卡普斯顿(CAPSTONE)公司已经制造出65kW级微型燃气轮机 发电装置，发电效率达到26% ，年产量1万台。 卡普斯顿燃气轮机

48. 英国宝曼（BOWMAN）公司生产的80KW的燃气轮机

49. 小型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”与“分布式终端电源”的技术革新热，然而一些传统的大电力公司则对此感到忧虑，因为这项技术的迅速发展和普及，会使大电力公司面临竞争对手，迫使其降低价格。小型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”与“分布式终端电源”的技术革新热，然而一些传统的大电力公司则对此感到忧虑，因为这项技术的迅速发展和普及，会使大电力公司面临竞争对手，迫使其降低价格。

50. 6.4.1 微型燃气机的发展与现状 • 微型燃气轮机发电机涉及5种关键技术： • 液体或气体燃料； • 用于发电的透平交流发电机； • 产生高效热能的热交换器； • 将电能转换成低压电能供给不同用户的功率调节器； • 为天然气燃料提供合适压力的燃气涡轮增压机。