張慶兵，李國(guó)紅，秦鶴年

（1.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司，北京100028；2.中國(guó)石油北京潤(rùn)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(zhì)排放少等特點(diǎn)，有利于改善空氣質(zhì)量。而且天然氣資源豐富，生產(chǎn)成本低，開(kāi)采出來(lái)后經(jīng)適度處理就可以直接作為燃料使用，屬于廉價(jià)易得的清潔型燃料。目前各大城市為改善空氣質(zhì)量，已開(kāi)始采用燃?xì)獍l(fā)電與供熱。尤其是近期國(guó)際油氣價(jià)格的持續(xù)走低，全球油氣產(chǎn)能的過(guò)剩對(duì)燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施與發(fā)展都非常有利。目前天然氣發(fā)電已作為一項(xiàng)新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，并且在多個(gè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，同時(shí)也帶動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)等燃?xì)鈩?dòng)力設(shè)備及其所需潤(rùn)滑油的發(fā)展。天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展前景，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用，將在此進(jìn)行研究與討論。

2 國(guó)內(nèi)外天然氣發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

目前全球天然氣發(fā)電在總發(fā)電量中所占份額達(dá)到了20%以上。從發(fā)達(dá)國(guó)家的情況來(lái)看，天然氣已成為美國(guó)最重要的電力供應(yīng)來(lái)源，自美國(guó)引導(dǎo)頁(yè)巖氣革命以來(lái)，其天然氣發(fā)電量不斷上漲，2000-2012年美國(guó)天然氣發(fā)電量增長(zhǎng)了96%。此外，日本70%的天然氣用于發(fā)電，占其國(guó)內(nèi)發(fā)電總量的28%；歐洲天然氣發(fā)電比例也超過(guò)20%。而目前國(guó)內(nèi)天然氣的消費(fèi)僅占一次性能源的5%，其中發(fā)電用氣僅占天然氣消費(fèi)的18%。

近年來(lái)，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)量不斷增加。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015-2020年中國(guó)天然氣發(fā)電行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，截至2011年底，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到32650MW，占全國(guó)總裝機(jī)量的3.09%，發(fā)電量為1.048×1011kW·h，占全國(guó)總發(fā)電量的2.22%，發(fā)電用氣占全國(guó)天然氣消費(fèi)量的15%左右。截至2012年底，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)容量約45000MW，同比增長(zhǎng)約38%，約占中國(guó)總裝機(jī)容量的4%。截至2013年底，我國(guó)天然氣發(fā)裝機(jī)容量已達(dá)46680MW，發(fā)電量為1.143×1011kW·h。

天然氣發(fā)電又分為集中式和分布式。集中式規(guī)模及用氣量較大，以發(fā)電供熱為主要目的，要求天然氣來(lái)源有充分保障，如陸地管道輸送或進(jìn)口液化天然氣LNG。截至2012年底，全國(guó)共有集中式天然氣發(fā)電機(jī)組167臺(tái)，裝機(jī)容量38830MW，占全國(guó)燃?xì)獍l(fā)電總裝機(jī)容量的96.4%，2013年裝機(jī)容量超過(guò)40000MW。我國(guó)集中式天然氣發(fā)電裝機(jī)主要分布在京津塘、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲地區(qū)，天然氣主要來(lái)源于“西氣東輸”管道、進(jìn)口LNG和海上氣田。分布式規(guī)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(fā)電為主要目的，具有就地取材、投資較少以及開(kāi)停靈活等特點(diǎn)，在我國(guó)起步較晚，主要是入網(wǎng)困難，但有利于資源的充分利用，可實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電調(diào)節(jié)，因此同樣具有發(fā)展前途。

3 燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展

燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備大體分為以下幾類：燃?xì)忮仩t，固定式或移動(dòng)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。

3.1 燃?xì)忮仩t發(fā)電機(jī)組

該機(jī)組是通過(guò)天然氣等或煤氣等可燃性氣體的燃燒產(chǎn)生的熱能加熱水，產(chǎn)生水蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，余熱可用于供熱。燃?xì)忮仩t發(fā)電機(jī)組一般為“煤改氣”的燃煤鍋爐發(fā)電機(jī)組，因現(xiàn)在燃煤發(fā)電機(jī)組對(duì)裝機(jī)容量有嚴(yán)格的要求，300MW以下機(jī)組面臨淘汰，煤電行業(yè)為了維持部分老舊設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行，即對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，將燃料由煤炭改為天然氣、煤層氣或煤氣。其特點(diǎn)是僅僅改變了燃料，無(wú)需對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行較大的改動(dòng)，并且能夠減少二氧化硫等有害氣體排放以及實(shí)現(xiàn)低碳排放，滿足環(huán)保要求，但功率和熱能利用率較低，屬于燃?xì)獍l(fā)電的“過(guò)渡形式”。

3.2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備

以燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的發(fā)電設(shè)備主要用來(lái)為油氣田鉆井或采油設(shè)備提供電能，或?yàn)橐巴馐┕C(jī)械提供電能。其特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率有限，一般用于3.5MW以下的發(fā)電設(shè)備。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)所用天然氣因產(chǎn)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?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)渦輪機(jī)組

燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率大，轉(zhuǎn)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(wú)需使用冷卻液，余熱可以得到利用。

一般來(lái)講，燃?xì)廨啓C(jī)是10MW以上發(fā)電容量的首選燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)，主要針對(duì)集中式發(fā)電，但隨著新興技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了適用于5MW以下的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，可以部分替代柴油發(fā)電機(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)，用于分布式發(fā)電[1]。

燃?xì)廨啓C(jī)做功后的尾氣仍具有很高的溫度，可以二次利用來(lái)加熱水產(chǎn)生水蒸汽進(jìn)一步發(fā)電，即聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，熱能利用率得到進(jìn)一步的提高，可達(dá)60%，已成為集中式天然氣發(fā)電的主流。燃?xì)庥酂嵋部捎糜诠幔纬蔁犭娐?lián)產(chǎn)。

4 天然氣發(fā)電在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其重要意義

從世界發(fā)達(dá)國(guó)家和一些東南亞國(guó)家發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，天然氣發(fā)電是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能源供應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，具有節(jié)能減排、提高供電安全性、電力與燃?xì)夤?yīng)削峰填谷以及促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等眾多優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代能源領(lǐng)域發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的潮流。

4.1 城市供電與供熱

天然氣燃燒完全，有害物質(zhì)的排放很少，接近“零排放”，對(duì)改善空氣質(zhì)量很有幫助，因此已開(kāi)始在北京等大城市中得到應(yīng)用，替代燃煤發(fā)電與供熱。

在仍以煤電供應(yīng)為主的情況下，天然氣發(fā)電具有開(kāi)停容易、操作方便以及供電穩(wěn)定等特點(diǎn)，在用電高峰時(shí)可開(kāi)啟天然氣發(fā)電設(shè)備補(bǔ)充供電，或天然氣供應(yīng)過(guò)剩時(shí)用于發(fā)電，對(duì)城市用電量及天然氣供應(yīng)可起到很好的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

4.2 中小型天然氣田的開(kāi)發(fā)

中國(guó)氣田以中小型居多，大多數(shù)氣田的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，勘探開(kāi)發(fā)難度大，因產(chǎn)氣量有限而難以用管道遠(yuǎn)距離輸送。為了更好地開(kāi)發(fā)中小型天然氣田，對(duì)其所生產(chǎn)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(yùn)送，另一種方式為就地燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過(guò)電網(wǎng)外送。LNG生產(chǎn)和天然氣發(fā)電共同采用，能起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，可針對(duì)市場(chǎng)需求靈活調(diào)整LNG產(chǎn)量和發(fā)電量，從而使氣井產(chǎn)量平穩(wěn)。

4.3 油田伴生氣的利用以及原油的開(kāi)采

油田伴生氣是指在開(kāi)采石油的同時(shí)所采出的天然氣。石油伴生氣的產(chǎn)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(kāi)采的油田，油田氣的產(chǎn)量會(huì)更多。我國(guó)油田伴生氣資源豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(dá)10×108m3左右，相當(dāng)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(xiàng)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(lái)制備LNG和燃?xì)獍l(fā)電，燃?xì)獍l(fā)電所產(chǎn)生的熱能還可用于稠油的加熱開(kāi)采。另外天然氣的燃燒能夠產(chǎn)生純度較高的CO2，因此天然氣發(fā)電所產(chǎn)生的尾氣還可用來(lái)做油田的驅(qū)油劑使用，從而減少購(gòu)買(mǎi)商品CO2所需費(fèi)用。另外油田目前擁有大量的固定式柴油發(fā)電機(jī)，如改用燃?xì)獍l(fā)電可實(shí)現(xiàn)燃料就地取材，從而節(jié)省大量的燃料費(fèi)用。

4.4 煤層氣的開(kāi)采利用

我國(guó)煤層氣資源也很豐富，居世界第三，穩(wěn)定年產(chǎn)量在6.33×1010～9.35×1010m3。煤層氣存在于煤礦中，通常成為煤炭開(kāi)采的安全隱患，因此煤炭的開(kāi)采需事先抽采煤層氣，我國(guó)煤層氣的開(kāi)采和利用剛處于起步階段，對(duì)煤層氣還未得到很好的利用，被很多礦區(qū)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(lái)制備LNG和燃燒發(fā)電，對(duì)煤炭資源的綜合利用及煤礦安全生產(chǎn)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(jī)物質(zhì)在隔絕空氣的條件下，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵作用而產(chǎn)生的，屬于二次能源，具有可再生性。農(nóng)林副產(chǎn)物的發(fā)酵，城鄉(xiāng)污水、垃圾與糞便的處理均會(huì)產(chǎn)生大量的沼氣，因此沼氣發(fā)電對(duì)污物的處理與環(huán)保都具有非常重要的意義。

4.6 遠(yuǎn)洋船舶及海洋鉆井平臺(tái)的應(yīng)用

船舶的動(dòng)力裝置通常有汽輪機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合動(dòng)力裝置等，柴油機(jī)占據(jù)了船舶動(dòng)力的主導(dǎo)地位。但柴油機(jī)多用于排水量在50000t級(jí)以下的船舶，超過(guò)該排水量的大型遠(yuǎn)洋船舶則使用燃油鍋爐和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。因船舶柴油機(jī)及鍋爐使用重質(zhì)燃料油，硫含量較高，因此國(guó)際MARPOL73/78防污染公約附則Ⅵ規(guī)定，總重400噸及以上的船舶或平臺(tái)，所使用的任何燃料油硫含量不超過(guò)4.5%，隨著環(huán)保要求的日趨嚴(yán)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(duì)于以蒸汽輪機(jī)為動(dòng)力的超大型遠(yuǎn)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(duì)要求日趨嚴(yán)格的海洋環(huán)保公約，LNG動(dòng)力船舶受到關(guān)注，該船舶以LNG為燃料，以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力裝置進(jìn)行發(fā)電或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，為船舶動(dòng)力等設(shè)施提供用電。LNG作為燃料可大幅度減少污染排放，甚至實(shí)現(xiàn)零排放。此外，LNG動(dòng)力船舶還具有以下功效：①燃?xì)獍l(fā)電的余熱還可以用來(lái)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(shí)產(chǎn)生的冷能可用于船舶的空調(diào)制冷及食品保鮮；③LNG不僅是動(dòng)力燃料，也可用于炊事燃料；④燃?xì)廨啓C(jī)油或燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)油換油周期較長(zhǎng)，可延長(zhǎng)船舶的換油養(yǎng)護(hù)周期，由此節(jié)省大量的潤(rùn)滑養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。燃?xì)獍l(fā)電不僅適用于船舶，還可用于海洋油氣鉆井平臺(tái)，而且燃料可直接采用海洋油氣田生產(chǎn)的天然氣。

4.7 其他領(lǐng)域的應(yīng)用

以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力源的燃?xì)獍l(fā)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(duì)煤電的要求越來(lái)越苛刻，而且提高了燃煤發(fā)電的稅收。煤炭行業(yè)為了生存，開(kāi)始由直接燃煤發(fā)電向煤炭氣化發(fā)電轉(zhuǎn)變，即利用煤炭氣化產(chǎn)生的煤氣CO用于燃燒發(fā)電，使污染排放大幅度降低。

5 對(duì)未來(lái)發(fā)展前景的展望和相關(guān)建議

5.1 天然氣來(lái)源的保障

發(fā)展天然氣發(fā)電的核心問(wèn)題就是天然氣的來(lái)源能否有充足的保障。從目前的勘探情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)天然氣已探明儲(chǔ)量約為3.8×1013m3，而且隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步新增探明儲(chǔ)量還在不斷增加。進(jìn)口天然氣也在持續(xù)增長(zhǎng)，俄羅斯、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和蒙古等陸地鄰國(guó)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(dāng)前歐美國(guó)家對(duì)俄羅斯進(jìn)行制裁，歐盟國(guó)家減少了對(duì)俄羅斯天然氣進(jìn)口的依賴，迫使俄羅斯天然氣出口由西向東轉(zhuǎn)移，使中國(guó)進(jìn)一步擴(kuò)大了進(jìn)口天然氣來(lái)源。液化天然氣LNG的進(jìn)口量也在持續(xù)增加，卡塔爾、澳大利亞和印尼等LNG的主要出口國(guó)在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)不景氣的情況下產(chǎn)能已嚴(yán)重飽和，使中國(guó)市場(chǎng)成為L(zhǎng)NG需求新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

另外非常規(guī)天然氣，如煤層氣、頁(yè)巖氣及可燃冰等，經(jīng)勘探表明儲(chǔ)量較常規(guī)天然氣更為豐富，一旦開(kāi)采技術(shù)取得突破，天然氣有望超過(guò)煤炭成為第一大能源。由此可見(jiàn)，天然氣的來(lái)源十分豐富，發(fā)展前景廣闊。

5.2 燃?xì)鈩?dòng)力裝置的發(fā)展

燃?xì)廨啓C(jī)已作為集中式大功率天然氣發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力裝置，而且形成了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，使熱能利用率得到進(jìn)一步的提高，目前我國(guó)已成為世界最大的燃?xì)廨啓C(jī)潛在市場(chǎng)，燃?xì)廨啓C(jī)已納入長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中，尤其是重型燃?xì)廨啓C(jī)為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的10項(xiàng)重大技術(shù)裝備之一，也是國(guó)家裝備制造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。

此外隨著分布式小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的推廣，小型或微型燃?xì)廨啓C(jī)以及燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)也十分活躍，將越來(lái)越多地用于中小型天然氣田和油田的開(kāi)發(fā)，以及可燃性氣體的回收利用。尤其是對(duì)于新能源汽車的發(fā)展，車載式LNG燃?xì)獍l(fā)電機(jī)有望成為混合動(dòng)力汽車未來(lái)的主要?jiǎng)恿υ础?/p>