摘要：根据妈湾电厂的生产形势和设备状况，提出了基于IGCC的燃气机组替换方案，同时对IGCC中的联合循环进行了改进，提出用HAT循环替换余热锅炉与汽轮机，提高了发电效率，减少投资成本。利用气化炉的净煤气配套建设一组SOFC燃料电池作为未来发电技术的验证项目，既达到较高的发电效率同时也提高了全厂调频调峰能力。
关键词：燃气轮机、IGCC、HAT、SOFC
一、先进的燃气轮机系统
当前燃气轮机发电机组容量可达300MW以上，技术非常成熟可靠，效率在40%以上，还可以通过多种联合循环方式提高整体效率。深圳市燃气集团股份有限公司作为市属国企，有着成熟的燃气管理经验和燃气供给能力，目前和我厂也保持良好的合作关系，如果我们在一号机组关停后上马一台300MW的GE公司9F级燃气轮机，燃气温度1288度，热耗率不大于10000kJ/kWh，天然气热值约为38000kJ/Nm3，满负荷时计算用气量约为7.9万标方每小时，深圳燃气供应可以满足用气需求。
整体煤气化联合循环（IGCC），是把煤气化技术与联合循环结合的洁净煤动力系统，是煤的气化技术、煤气净化技术、高性能燃气轮机和汽轮机联合循环及系统整体化的技术等多种高新技术的集成体。
IGCC的特点：以燃机为主，供电效率提升潜力大，可望达到50%；环保性能优越，易于实现污染物零排放；非直接燃煤方式，增加了热量损失和厂用电；易于大型化，单机容量可达300MW以上；废物处理量少，可获得附加值高的副产品，如硫单质、灰渣等。
全球现有30多座IGCC电站运行或在建，供电效率已达43%以上，已从技术验证进入商业应用阶段。较为著名的示范工程：荷兰Buggenum 电站、美国WabashRiver电站、西班牙Puertollano电站、华能天津265MW示范工程。
开拓并应用新的热力循环，是IGCC改进的核心。主要是不同循环、不同技术、不同产品的有机结合和多目标优化。而整体煤气化湿空气涡轮机循环，具有高比功、高效率、低污染、低费用等特点，是降低投资费用和发电成本的有效途径。再加上燃料电池，具有很高的热效率和环保特性，必将是未来火电发展的主要方向。
二、IGCC与HAT循环的整合
新型联合循环之湿空气涡轮机联合循环（HAT:Humid Air Turbine），是以湿空气和燃气两种流体为工质的循环，由日本Y.Mori教授于1983年提出。
优点：效率高，因采用湿化技术，更经济地增加涡轮机流量（12%-25%）使压气机功耗只占涡轮机做功的30%左右（常规燃气轮机可达50%-60%），也就增加了涡轮机输出功率；污染小，燃烧过程温度更易控制，NOX、CO排放很低；变工况性能好，因可以改变湿化比来适应外负荷；系统简单造价较低，因取消了复杂的热力循环和附属装置，如余热锅炉、汽轮机等；最后的排气实现很低的循环放热温度（70—100度），对环境影响小。缺点：对水处理要求高，用于湿化的工质难以回收；蒸发饱和器的性能对最终的效率影响很大，其技术仍在发展中。
如何与IGCC系统整合呢？首先要建立一套先进的水处理系统，根据在库尔勒电厂的运维经验，当前的水处理技术如超滤、反渗透等可以保证给水的严格要求。深圳地处珠江的出海口，每年平均降水在较高的水平，淡水资源有着可靠的供应，能承受排气的水汽损耗。其次将余热锅炉和汽轮机取消，改成各级换热器。启动阶段，当气化炉出口的净煤气与压气机的高压空气混合后，在燃烧室内燃烧膨胀至涡轮机做功。排气进入热量梯级利用模块，包含回热器和水加热器，最后排至大气。给水经过加热后，满足温度后根据含量要求在饱和器和空气混合变成湿空气，进入燃烧室继续后面的流程。
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三、气化炉
工业用气化炉考虑采用以水煤浆供料、富氧气化剂的德士古气化技术，气化为一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主的合成煤气，经过脱硫、除尘、加湿后加热至355度送至燃烧室。由美国德士古公司开发的加压气流床煤气化设备，气化温度1200~1600℃，操作压力4MPa，水煤浆中煤粉浓度约71%(质量)，碳转化率99%。生成气的组成(体积%)为:一氧化碳44~51、氢35~36、二氧化碳13~18、甲烷 0.1。根据华能天津的经验，其使用的干粉加压气化炉达到2000t/d的出力完全可以满足发电需求，我们可以参考这个数据。
四、燃料电池
燃料电池的负荷特性
原理如下：在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如:氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，排放物是水和二氧化碳。
燃料电池原理
SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点: (1)较高的电流密度和功率密度，功率密度达到1MW/M3，对块状设计来说有可能高达3MW/M3;(2)阳、阴极极化可忽略，损失集中在电解质内阻降;(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、煤气等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂;(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀问题;(5)能提供高质余热，操作温度在650~1000℃，实现热电联产，是一种清洁高效的能源系统;(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构;(7)陶瓷电解质要求中、高温运行，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备；(8)模块化，安装时间短；(9)操作性能好，负荷的响应速度、有功无功调节、突发性停电的快速响应能力极佳，提高了电力系统稳定性，减少线路传输损耗；(10)占地面积小，与环境兼容性好，安全间距小，如德国某100KW固态氧化物电池系统，全长8.59米，宽2.75米，高3.58米。
缺点是启动时间长，启动时间在65分钟至200分钟；常用电极材料含贵金属、稀土元素，导致原料成本高；使用寿命仍待验证。
我厂可以先新建一套2MW的试验性SOFC燃料电池组，以后根据需要再行扩建。气化炉出口的净煤气一部分进入燃机燃烧室，一部分进入燃料电池发生反应，未反应的气体经过收集装置重新回到燃机或者燃料电池的进口。燃料电池的余热经过换热器加热给水，可提供90度左右热水给工业或者民用企业使用。同时利用燃料电池良好的调峰调频能力，作为我厂燃机机组和燃煤机组二次调频的有益补充，可以大大减少对中调调频指令的响应延迟，提高全厂的中标几率，增强市场竞争力。
五、总结
煤炭气化过程会有热能损耗，但是出口的净煤气是优秀的发电燃料，同时去除了大部分的N、S元素，重金属等，副产品是灰渣、硫磺，总体而言这点损耗是值得的。再经过改进的HAT联合循环，提升了燃机效率，降低了污染物排放。但是CO2的排放是一大难题，目前碳捕捉与封存（CCS）技术研究在稳步推进，相信以后还可以增加工序达到温室气体减排的目标，比如在燃烧室前把CO2降至零，采用新颖膜分离回收CO2，新的煤气化技术只产出氢气供给H级燃机燃烧后无CO2产生。利用储存的大量纯氢气还可以用作氢氧燃料电池汽车的加氢站来源，提高经济效益。
参考文献
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[4]Yves Brunet著，唐西胜，徐鲁宁，周龙，韩娜译.储能技术及应用(ENERGY STORAGE) [M].北京:机械工业出版社,2018.
论文作者:刘 嘉
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/25
标签：燃料电池论文; 燃气轮机论文; 电解质论文; 涡轮机论文; 技术论文; 阳极论文; 阴极论文; 《当代电力文化》2019年第10期论文;