一文看懂天然气发电流程及全球发展状况

作为一种清洁燃料，天然气在发电方面的用途日益增强。想了解天然气发电流程及全球发展状况？这份报告不容错过！

燃气发电(gas power)是指利用天然气产生电力。燃烧天然气把水变成蒸汽，再用蒸汽推动汽轮机带动发电机运转而发电，属于一般的火力发电，其效率较低。天然气联合循环发电则是将天然气燃烧时产生的高温烟气，推动燃气轮机，进行一级发电，然后再利用燃气轮机排出的高温烟气加热水，产生蒸汽推动汽轮机，进行二级发电。这就是联合循环发电，效率较高。

由于燃烧天然气热效率高，排放的污染物又较其它燃料少，因此天然气被认为是最清洁的发电燃料。目前天然气联合循环发电的技术已相当成熟。已进入商业运作，且规模很大。

因此，燃气发电站可以分为三种类型：

⑴ 简单循环燃气轮机(Simple cycle gas-turbine)

在简单的循环燃气轮机(cycle gas-turbine)，也称为开式循环燃气轮机(open cycle gas-turbine，OCGT)中，热气驱动燃气轮机(gas turbine)发电。这种类型的发电厂建设成本相对较低，并且可以很快启动，但是由于效率较低，作为调峰发电厂最多每天只能运行几个小时。

⑵ 联合循环燃气轮机(Combined cycle gas-turbine，CCGT)

CCGT电厂由使用布雷顿循环(Brayton cycle)的简单循环燃气轮机，然后是使用朗肯循环( Rankine cycle)的热回收蒸汽发生器和蒸汽轮机组成。最常见的配置是支撑一台蒸汽轮机的两台燃气轮机。它们比简单的循环电厂效率更高，效率可略高于60%，调度时间约为半小时。

⑶ 往复式发动机(Reciprocating engine)

往复式内燃机(Reciprocating internal combustion engines)的功率通常低于20MW，比其他类型的天然气发电机小得多，通常用于应急电源或平衡可变的可再生能源，例如风能和太阳能。

燃气轮机从 20 世纪50 年代登上发电工业舞台以来，其发电效率和热效率都有很大提高，特别是燃气—蒸汽联合循环机组日渐成熟，燃气轮机的单机功率已超过334MW，热效率已达35%～41.92%，而联合循环机组的单机功率已达489.3MW，热效率已超过60%，为燃气发电在电力系统中地位的提高提供了技术支撑。

发电效率(指原动机输出能源与输入能源的比值，用百分数表示。)因发电方式不同而各有差异。一般的火力发电效率只有30%左右，热电联产可达65%～70%，而冷热电三联产可达80%以上。

发电效率图示

燃气轮机联合循环(Combined-Cycle Gas Turbine，CCGT)指将传统的燃气轮机和蒸汽轮机进行有效联合的发电系统。其基本原理是首先用天然气燃烧后产生的高温气体，推动燃气轮机做功，燃气轮机带动同轴发电机进行第一级发电;然后将燃气轮机排出的、仍具有相当高温度的燃烧气体送入余热蒸汽发生器，产生的高温高压蒸汽驱动蒸汽轮机进行第二级发电。

燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电流程图

燃气轮机联合循环发电(CCGT)通过组合燃气和蒸汽循环，可以实现高输入温度和低输出温度。循环的效率增加了，因为它们由相同的燃料源提供动力。因此，联合循环电厂的热力循环在燃气轮机的高燃烧温度和蒸汽循环冷凝器的废热温度之间运行。这个大范围意味着循环的卡诺效率高。实际效率虽然低于卡诺效率，但仍然高于任何一家工厂的实际效率。

如果将联合循环发电站的电效率计算为所产生的电能占所消耗燃料的较低热值的百分比，则在理想状态下进行新运转(即不老化)并连续输出时，其电效率可以超过60%。与单循环热单元一样，联合循环单元也可以为工业过程，区域供热和其他用途提供低温热能。这称为热电联产，这种发电厂通常称为热电联产(CHP)发电厂。

通常，在较低的热值和总产出的基础上，服务的联合循环效率超过50%。大多数联合循环机组，特别是大型机组，在LHV的基础上具有55%至59%的峰值稳态效率。

燃气轮机联合循环发电效率(CCGT Generating Efficiency)采用联合循环发电充分利用了天然气的高温位能量，从而提高了天然气的利用效率，增加了电力输出。发电效率提高情况见下表。

发电效率(%)

利用联合循环发电降低了燃煤发电比例，并减少环境污染。主要表现在：

⑴ 经济效益 联合循环发电的单位装机容量投资少，国际上约为燃煤电厂投资的2/3;燃气电厂建设工期短，燃气—蒸汽联合循环机组设备重量轻，施工快，一般12～20个月即可投产。

⑵ 燃气轮机可以模块化生产，易于组装，安装在需要电力的地方，可省去长输高压输电线路;

⑶ 天然气联合循环发电的冷却水用量仅为燃煤发电厂的40%，占地少;

⑷ 天然气联合循环发电效率可达55～60%，而燃煤发电厂只有42～44%;

⑸ 扩建装置不需要因环保而追加新的投资;

⑹ 同燃煤发电厂相比，污染物的排放量低。

全球一次能源发电状况

全球一次能源发电一直以燃煤发电为主，其原因是成本价格低廉，原油及其产品显然用处广泛，燃油发电一直比燃煤发电和燃气发电低，而且呈降低趋势。燃气发电却呈现上升势态。

2016—2019年一次能源发电(单位：TWh )

全球燃气发电最多的洲

全球燃气发电最多的地区是北美洲，2019年占全球燃气发电总量1975.8/6297.9=31.4%，显然由于美国页岩气开发成功足使燃气发电的发展;其次为亚太地区。

全球燃气发电最多的洲(单位：TWh)

燃气发电最大的国家

由于美国页岩气开发成功，燃气发电已经超过俄罗斯居世界第一，中国尽管燃气发电起步晚但已经跃入世界第四位。

2016～2019年前14位燃气发电最大的国家(单位：TWh)

世界上最大的燃气发电站

燃气发电量最多的国家是美国、其次是俄罗斯，但是燃气发电站最多的是日本，日本早在20世纪70年代就开始利用进口的液化天然气(LNG)发电。

全球十三大燃气电站

中国燃气发电站

中国主要以燃煤发电为主，依次燃气发电的份额不高，但是进展比较快。

中国燃气发电站

单位换算：