天然氣發電的重要性及其發展趨勢

張慶兵，李國紅，秦鶴年

（1.中國石油潤滑油公司，北京100028；2.中國石油北京潤滑油銷售分公司，北京100101）

1 引言

與煤炭及燃料油相比，天然氣具有燃燒完全、燃燒熱值高、碳排放低、有害物質排放少等特點，有利于改善空氣質量。而且天然氣資源豐富，生產成本低，開采出來后經適度處理就可以直接作為燃料使用，屬于廉價易得的清潔型燃料。目前各大城市為改善空氣質量，已開始采用燃氣發電與供熱。尤其是近期國際油氣價格的持續走低，全球油氣產能的過剩對燃氣發電項目的實施與發展都非常有利。目前天然氣發電已作為一項新興技術產業得到迅速發展，并且在多個領域得到推廣應用，同時也帶動了燃氣輪機和燃氣發動機等燃氣動力設備及其所需潤滑油的發展。天然氣發電的現狀、特點及未來發展前景，對相關產業的帶動作用，將在此進行研究與討論。

2 國內外天然氣發電的發展現狀

目前全球天然氣發電在總發電量中所占份額達到了20%以上。從發達國家的情況來看，天然氣已成為美國最重要的電力供應來源，自美國引導頁巖氣革命以來，其天然氣發電量不斷上漲，2000-2012年美國天然氣發電量增長了96%。此外，日本70%的天然氣用于發電，占其國內發電總量的28%；歐洲天然氣發電比例也超過20%。而目前國內天然氣的消費僅占一次性能源的5%，其中發電用氣僅占天然氣消費的18%。

近年來，我國天然氣發電裝機量不斷增加。根據前瞻產業研究院發布的《2015-2020年中國天然氣發電行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》顯示，截至2011年底，我國天然氣發電裝機容量達到32650MW，占全國總裝機量的3.09%，發電量為1.048×1011kW·h，占全國總發電量的2.22%，發電用氣占全國天然氣消費量的15%左右。截至2012年底，我國天然氣發電裝機容量約45000MW，同比增長約38%，約占中國總裝機容量的4%。截至2013年底，我國天然氣發裝機容量已達46680MW，發電量為1.143×1011kW·h。

天然氣發電又分為集中式和分布式。集中式規模及用氣量較大，以發電供熱為主要目的，要求天然氣來源有充分保障，如陸地管道輸送或進口液化天然氣LNG。截至2012年底，全國共有集中式天然氣發電機組167臺，裝機容量38830MW，占全國燃氣發電總裝機容量的96.4%，2013年裝機容量超過40000MW。我國集中式天然氣發電裝機主要分布在京津塘、長江三角洲和珠江三角洲地區，天然氣主要來源于“西氣東輸”管道、進口LNG和海上氣田。分布式規模較小，以利用中小型氣田氣、油田伴生氣、沼氣及回收可燃性氣體發電為主要目的，具有就地取材、投資較少以及開停靈活等特點，在我國起步較晚，主要是入網困難，但有利于資源的充分利用，可實現錯峰用電調節，因此同樣具有發展前途。

3 燃氣發電設備的現狀與發展

燃氣發電設備大體分為以下幾類：燃氣鍋爐，固定式或移動式燃氣發動機，燃氣輪機，燃氣與蒸汽聯合循環機組。

3.1 燃氣鍋爐發電機組

該機組是通過天然氣等或煤氣等可燃性氣體的燃燒產生的熱能加熱水，產生水蒸汽驅動蒸汽輪機，再帶動發電機發電，余熱可用于供熱。燃氣鍋爐發電機組一般為“煤改氣”的燃煤鍋爐發電機組，因現在燃煤發電機組對裝機容量有嚴格的要求，300MW以下機組面臨淘汰，煤電行業為了維持部分老舊設備的繼續運行，即對設備進行改造，將燃料由煤炭改為天然氣、煤層氣或煤氣。其特點是僅僅改變了燃料，無需對原有設備進行較大的改動，并且能夠減少二氧化硫等有害氣體排放以及實現低碳排放，滿足環保要求，但功率和熱能利用率較低，屬于燃氣發電的“過渡形式”。

3.2 燃氣發動機動力設備

以燃氣發動機為動力的發電設備主要用來為油氣田鉆井或采油設備提供電能，或為野外施工機械提供電能。其特點是發動機與燃油發動機結構相同，使用天然氣為燃料，可有效地減少有害氣體的排放，降低燃料成本。但發動機結構復雜，功率有限，一般用于3.5MW以下的發電設備。燃氣發動機所用天然氣因產地不同組分差異較大，還有使用單一氣體燃料和使用天然氣與柴油混合燃料的。

3.3 燃氣輪機與燃氣——蒸汽聯合循環渦輪機組

燃氣輪機的特點是結構簡單，功率大，轉速高，熱能利用率高，適用燃料范圍廣，氣體燃料與液體燃料幾乎都可使用，而且無需使用冷卻液，余熱可以得到利用。

一般來講，燃氣輪機是10MW以上發電容量的首選燃氣發電技術，主要針對集中式發電，但隨著新興技術的發展，出現了適用于5MW以下的微型燃氣輪機發電技術，可以部分替代柴油發電機和燃氣內燃發電機，用于分布式發電[1]。

燃氣輪機做功后的尾氣仍具有很高的溫度，可以二次利用來加熱水產生水蒸汽進一步發電，即聯合循環發電，熱能利用率得到進一步的提高，可達60%，已成為集中式天然氣發電的主流。燃氣余熱也可用于供熱，形成熱電聯產。

4 天然氣發電在相關領域中的應用及其重要意義

從世界發達國家和一些東南亞國家發展經驗來看，天然氣發電是實現節能減排和能源供應可持續發展的必由之路，具有節能減排、提高供電安全性、電力與燃氣供應削峰填谷以及促進循環經濟發展等眾多優勢，是現代能源領域發展的不可逆轉的潮流。

4.1 城市供電與供熱

天然氣燃燒完全，有害物質的排放很少，接近“零排放”，對改善空氣質量很有幫助，因此已開始在北京等大城市中得到應用，替代燃煤發電與供熱。

在仍以煤電供應為主的情況下，天然氣發電具有開停容易、操作方便以及供電穩定等特點，在用電高峰時可開啟天然氣發電設備補充供電，或天然氣供應過剩時用于發電，對城市用電量及天然氣供應可起到很好的調節作用，實現削峰填谷。

4.2 中小型天然氣田的開發

中國氣田以中小型居多，大多數氣田的地質構造比較復雜，勘探開發難度大，因產氣量有限而難以用管道遠距離輸送。為了更好地開發中小型天然氣田，對其所生產天然氣的輸送可采用兩種方式，一種是制備液化天然氣LNG，用罐車運送，另一種方式為就地燃燒發電，產生的電能通過電網外送。LNG生產和天然氣發電共同采用，能起到優勢互補的作用，可針對市場需求靈活調整LNG產量和發電量，從而使氣井產量平穩。

4.3 油田伴生氣的利用以及原油的開采

油田伴生氣是指在開采石油的同時所采出的天然氣。石油伴生氣的產量很大，每采出一噸石油，就伴生幾十立方米到幾百立方米的油田氣。新開采的油田，油田氣的產量會更多。我國油田伴生氣資源豐富。據不完全統計，僅部分因地域限制、分散的小油田每年燒掉的伴生氣就高達10×108m3左右，相當于10×106t石油。如能有效利用油田伴生氣資源，既可以增加工程項目收益，又可以有效降低溫室氣體的排放。

油田伴生氣同樣可用來制備LNG和燃氣發電，燃氣發電所產生的熱能還可用于稠油的加熱開采。另外天然氣的燃燒能夠產生純度較高的CO2，因此天然氣發電所產生的尾氣還可用來做油田的驅油劑使用，從而減少購買商品CO2所需費用。另外油田目前擁有大量的固定式柴油發電機，如改用燃氣發電可實現燃料就地取材，從而節省大量的燃料費用。

4.4 煤層氣的開采利用

我國煤層氣資源也很豐富，居世界第三，穩定年產量在6.33×1010～9.35×1010m3。煤層氣存在于煤礦中，通常成為煤炭開采的安全隱患，因此煤炭的開采需事先抽采煤層氣，我國煤層氣的開采和利用剛處于起步階段，對煤層氣還未得到很好的利用，被很多礦區煤層氣抽采后被直接排放。煤層氣的組分與天然氣類似，同樣可用來制備LNG和燃燒發電，對煤炭資源的綜合利用及煤礦安全生產具有非常重要的意義。

4.5 沼氣的利用

沼氣也是富含甲烷的氣體，是各種有機物質在隔絕空氣的條件下，經過微生物的發酵作用而產生的，屬于二次能源，具有可再生性。農林副產物的發酵，城鄉污水、垃圾與糞便的處理均會產生大量的沼氣，因此沼氣發電對污物的處理與環保都具有非常重要的意義。

4.6 遠洋船舶及海洋鉆井平臺的應用

船舶的動力裝置通常有汽輪機、柴油機、燃氣輪機和聯合動力裝置等，柴油機占據了船舶動力的主導地位。但柴油機多用于排水量在50000t級以下的船舶，超過該排水量的大型遠洋船舶則使用燃油鍋爐和蒸汽輪機發電機組。因船舶柴油機及鍋爐使用重質燃料油，硫含量較高，因此國際MARPOL73/78防污染公約附則Ⅵ規定，總重400噸及以上的船舶或平臺，所使用的任何燃料油硫含量不超過4.5%，隨著環保要求的日趨嚴格，該公約要求自2012年起，燃料油的硫含量不大于3.5%，到2020年不大于0.5%。對于以蒸汽輪機為動力的超大型遠洋船舶，要求船上安裝高效廢氣凈化裝置，以確保其排放符合防污染公約要求。面對要求日趨嚴格的海洋環保公約，LNG動力船舶受到關注，該船舶以LNG為燃料，以燃氣輪機為動力裝置進行發電或聯合循環發電，為船舶動力等設施提供用電。LNG作為燃料可大幅度減少污染排放，甚至實現零排放。此外，LNG動力船舶還具有以下功效：①燃氣發電的余熱還可以用來淡化海水，為船員提供生活用水，從而減少淡水的攜帶量；②LNG氣化時產生的冷能可用于船舶的空調制冷及食品保鮮；③LNG不僅是動力燃料，也可用于炊事燃料；④燃氣輪機油或燃氣與蒸汽聯合循環渦輪機油換油周期較長，可延長船舶的換油養護周期，由此節省大量的潤滑養護費用。燃氣發電不僅適用于船舶，還可用于海洋油氣鉆井平臺，而且燃料可直接采用海洋油氣田生產的天然氣。

4.7 其他領域的應用

以燃氣輪機為動力源的燃氣發電，不僅可使用天然氣為燃料，還可使用煤氣等各類可燃性氣體。目前為了減少污染排放，政府對煤電的要求越來越苛刻，而且提高了燃煤發電的稅收。煤炭行業為了生存，開始由直接燃煤發電向煤炭氣化發電轉變，即利用煤炭氣化產生的煤氣CO用于燃燒發電，使污染排放大幅度降低。

5 對未來發展前景的展望和相關建議

5.1 天然氣來源的保障

發展天然氣發電的核心問題就是天然氣的來源能否有充足的保障。從目前的勘探情況來看，國內天然氣已探明儲量約為3.8×1013m3，而且隨著勘探技術的進步新增探明儲量還在不斷增加。進口天然氣也在持續增長，俄羅斯、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和蒙古等陸地鄰國都有著豐富的天然氣資源，而且修建了中俄與中吉烏油氣管道，尤其是當前歐美國家對俄羅斯進行制裁，歐盟國家減少了對俄羅斯天然氣進口的依賴，迫使俄羅斯天然氣出口由西向東轉移，使中國進一步擴大了進口天然氣來源。液化天然氣LNG的進口量也在持續增加，卡塔爾、澳大利亞和印尼等LNG的主要出口國在當前經濟不景氣的情況下產能已嚴重飽和，使中國市場成為LNG需求新的增長點。

另外非常規天然氣，如煤層氣、頁巖氣及可燃冰等，經勘探表明儲量較常規天然氣更為豐富，一旦開采技術取得突破，天然氣有望超過煤炭成為第一大能源。由此可見，天然氣的來源十分豐富，發展前景廣闊。

5.2 燃氣動力裝置的發展

燃氣輪機已作為集中式大功率天然氣發電機組的動力裝置，而且形成了聯合循環發電，使熱能利用率得到進一步的提高，目前我國已成為世界最大的燃氣輪機潛在市場，燃氣輪機已納入長期發展規劃中，尤其是重型燃氣輪機為國家優先發展的10項重大技術裝備之一，也是國家裝備制造業重點發展的領域。

此外隨著分布式小型燃氣發電機組的推廣，小型或微型燃氣輪機以及燃氣發動機的研發也十分活躍，將越來越多地用于中小型天然氣田和油田的開發，以及可燃性氣體的回收利用。尤其是對于新能源汽車的發展，車載式LNG燃氣發電機有望成為混合動力汽車未來的主要動力源。