上海交通大學(xué) 翁史烈 陳漢平 蘇明

　　西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家發(fā)電能源利用率高、排放污染物少的重要原因之一是天然氣（包括石油）在發(fā)電用一次能源中占有較高的比例，而且形成了成熟的以燃?xì)廨啓C(jī)為中心的高效清潔發(fā)電技術(shù)。我國一次能源消費中煤炭占75%以上，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長的時間內(nèi)不會改變，世界上最終解決燃煤發(fā)電高效、清潔問題的也必定在中國。

    一. 熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展的歷史軌跡和啟示

　　總結(jié)了熱電轉(zhuǎn)換的四十年歷史，也預(yù)測了今后數(shù)十年的發(fā)展。由圖可見，在過去漫長的歲月中熱效率始終徘徊在40%以下，進(jìn)展緩慢。在80年代之后，情況發(fā)生了變化，熱效率有了明顯提高，而且方興未艾，進(jìn)一步的目標(biāo)將是突破60%大關(guān)，甚至達(dá)到70%以上。

　　我們還可以看到在熱效率提高中做出貢獻(xiàn)的設(shè)備是加壓流化床（PFBCI代PFBCII代）、燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CC）、燃料氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、超臨界和超高臨界循環(huán)（SC、USC）、濕空氣透平循環(huán)（HAT）、燃料氣化濕空氣透平循環(huán)(IGHAT)直到燃料電池--燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)（SOFC-CC）。

    所示大半個世紀(jì)的發(fā)展給以我們非常重要的啟示：

　　1. 80年代以后熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢之所以有重大轉(zhuǎn)機(jī)，其根本原因是在總能系統(tǒng)的思想指導(dǎo)下，熱能轉(zhuǎn)換打破了單一熱力循環(huán)的約束，而是按能量的梯級把多種熱力循環(huán)綜合集成為復(fù)合循環(huán)，從而打破了能源利用率數(shù)十年徘徊的局面，而且今后還將打破熱力學(xué)第二定律的限制，把熱效率提高到70%以上。當(dāng)然，熱電轉(zhuǎn)換效率的提高也應(yīng)該歸功于材料的改進(jìn)、氣動設(shè)計的完善、熱力參數(shù)的優(yōu)化、燃燒過程的合理組織等等因素。

　　2. 上述許多有貢獻(xiàn)的設(shè)備中，除了超臨界、超高臨界外，全都和燃?xì)廨啓C(jī)有關(guān)。在這些先進(jìn)的熱力系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)占有重要的、不可缺少的核心地位！

    二．熱力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的核心地位

　　燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展道路是艱難的，其原因是它的高溫性和高速性所引起的技術(shù)難度，只有高溫合金的研制成功、高速氣體動力學(xué)的發(fā)展和完善，才給燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

    本世紀(jì)20年代起燃?xì)廨啓C(jī)開始進(jìn)入工業(yè)界的各個領(lǐng)域。

　　40~50年代，在航空推進(jìn)領(lǐng)域中，燃?xì)廨啓C(jī)（包括噴氣發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)等）開始占有優(yōu)勢，并漸漸占為絕對優(yōu)勢。

　　70年代以來，艦用燃?xì)廨啓C(jī)迅速發(fā)展。美、英、蘇、德、日等國在70年代以后建造的大、中、小型水面艦艇的主動力絕大部分采用全燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置或柴油機(jī)--燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動力裝置。1955年燃?xì)廨啓C(jī)裝艦總功率僅為20萬馬力，1965年為240萬馬力，1978年為2366萬馬力，1987年為3800萬馬力，在30年跨度中燃?xì)廨啓C(jī)裝艦總功率竟增加了200倍！到1988年為止，有56國家、948艘艦艇安裝了2510臺燃?xì)廨啓C(jī)，其中包括6艘輕型航空母艦[1]。可以說，主力水面戰(zhàn)斗艦船絕大多數(shù)采用燃?xì)廨啓C(jī)作為主動力，商船用燃?xì)廨啓C(jī)也初露頭角！

　　90年代以后，隨著聯(lián)合循環(huán)的實用化進(jìn)程，在發(fā)電領(lǐng)域中燃?xì)廨啓C(jī)的核心地位也正在逐步形成。

　　可見燃?xì)廨啓C(jī)在海、陸、空都占有重要地位。當(dāng)然，之所以如此的原因是各不相同的：在航空領(lǐng)域占有優(yōu)勢的原因是高速飛行下的推進(jìn)效率；在航海領(lǐng)域是機(jī)動性、重量尺寸和隱蔽性；在發(fā)電領(lǐng)域則是燃?xì)廨啓C(jī)在形成復(fù)合循環(huán)時的特殊優(yōu)點。

　　正由于燃?xì)廨啓C(jī)的重要性，各國政府、國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界都非常重視燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)和研究，許多國家制訂了有名的研究計劃（下表）。

    燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展計劃

    國名 計劃 期限 資金 技術(shù)指標(biāo)

    美 IHPTET 1987-2003 45億USD 推重比翻番

    美 ATS 1992-2000 7億USD T3=1427°C，hs=60%，NOx<9ppm，CO<10ppm

    美 ATS VISSION21 hs=60%（煤）hs=60%

    美歐 CAGT CE90，PW4000，TRENT改為先進(jìn)燃機(jī)實現(xiàn)ICAD方案（作為HAT第一步）T3=1427°C ~1428°C

    歐共體 EC-ATS hs=40%，hcc360%

    日本 月光 五項目中第一項：先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)趕超國際

　　所有這些發(fā)展計劃的共同特點是大量資金投入、極高的技術(shù)指標(biāo)、鍥而不舍的長時期探索。有些計劃已實施多年，目前已開始總結(jié)，例如美國的ATS計劃，1997年11月在Pittsburgh召開了ATS計劃的總結(jié)會。會議確認(rèn)了ATS計劃確實是一個成功，該計劃產(chǎn)生的硬件系統(tǒng)將在日益增長的、以天然氣為基礎(chǔ)的燃?xì)廨啓C(jī)（2000-2020）市場中起重要作用。當(dāng)今，ATS計劃將把焦點放在中等功率燃?xì)廨啓C(jī)和固體燃料聯(lián)合循環(huán)的下一代技術(shù)上。

    三．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展前沿

　　為滿足能量轉(zhuǎn)換高效、潔凈的需要，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)會在以下諸方面得到充分的發(fā)展。

    1． 聯(lián)合循環(huán)

　　聯(lián)合循環(huán)是個古老的思想，1939年秋瑞士推出世界第一臺4000KW發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)。短短十年之后，燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置就投入運行，其廢熱利用的優(yōu)點是顯而易見的，但問題是這個優(yōu)點后來竟得到如此巨大的發(fā)揮，使燃?xì)廨啓C(jī)得以躋身于重要動力設(shè)備的行列，并逐步取得動力系統(tǒng)中的核心地位，這種發(fā)展卻是許多人都沒有想到的。

    事實上，聯(lián)合循環(huán)的思路得到發(fā)揚(yáng)光大，派生出許多很有前途的分支，最主要的分支有以下四類：

　　(1) 與燃料氣化相結(jié)合的聯(lián)合循環(huán)（IGCC）。這是清潔能源技術(shù)，對我國非常有吸引力。這里的燃料不單單是煤，而且包括生物質(zhì)、渣油等。

　　(2) 蒸汽回注循環(huán)（STIG）。廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽回注入燃燒室，和燃?xì)饣旌?，共同進(jìn)入渦輪作功。其優(yōu)點是省去蒸汽透平及其附屬設(shè)備，其特點是雙工質(zhì)平行工作而不是串行。

　　(3) 濕空氣透平循環(huán)（HAT）。它是一種更完善的雙工質(zhì)平行循環(huán)。在熱力系統(tǒng)中，有些地方需要排熱（例如壓氣機(jī)的中冷、透平的排氣廢熱等），有些地方則要吸熱（例如水的提溫、汽化等）。濕空氣循環(huán)的突出優(yōu)點是按能量梯級利用的原則把排熱充分利用，從而減少從燃料中獲取的熱量，達(dá)到節(jié)省燃料、提高效率的目的。該循環(huán)的另一個優(yōu)點是混合工質(zhì)所形成的低損耗。由于熱能轉(zhuǎn)換的完善性，它被譽(yù)為21世紀(jì)的新能源系統(tǒng)。

　　(4) 與燃料氣化相結(jié)合的濕空氣透平循環(huán)（IGHAT）。須特別指出的是燃料氣化過程中的排出廢熱可以在濕空氣循環(huán)中利用，從而提高工質(zhì)的濕化程度，并提高濕空氣循環(huán)的效率。

    2．復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)

　　復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的思想在數(shù)十年前已經(jīng)形成，但思想的實施在當(dāng)時的技術(shù)水平上遇到較大的困難。五十年代的RM60機(jī)組就是一個案例。幾十年后在新的技術(shù)、工藝、材料水平上復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)終于取得了成功。具有中間冷卻、回?zé)岬?5MWMarineWR型完成了500小時的試驗大綱，實際參數(shù)比美國海軍1991年給定的要好，可望在1999年批量生產(chǎn)！據(jù)報道，中間冷卻使發(fā)動機(jī)功率增加了25%，而回?zé)崞骱蛣恿u輪的可變面積噴嘴的結(jié)合使油耗下降了30%~40%[6]。

    3．燃料電池--燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)

　　1999年底，隨著美國歐文（IRVINE）世界首臺燃料電池--燃?xì)廨啓C(jī)混合動力系統(tǒng)的安裝、運行，先進(jìn)能量系統(tǒng)的歷史上一個重要的里程碑將要到達(dá)[2]。該機(jī)組的主要特征如下：

    1. 燃料電池類型：固體氧化物（SOFC）電解質(zhì)，管式。

    2. 聯(lián)合動力系統(tǒng)凈效率：56%~57%，優(yōu)化后達(dá)60%以上。

    3. 功率分配：總功率250KW，其中燃料電池80%，燃?xì)廨啓C(jī)20%。

    4. 燃料電池中工質(zhì)壓力：3.5atm。

    5. 燃料類型：天然氣。

    6. 投資：1500美元/KW。

　　上述機(jī)組按計劃應(yīng)該在2000年中期送電上網(wǎng)。此外，有消息報道：1~2萬KW混合系統(tǒng)也在國際上著名的公司中建造，估計不久就可進(jìn)行調(diào)試。

　　燃料電池是燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型能源，這種能量轉(zhuǎn)換不受熱力學(xué)第二定律的約束，轉(zhuǎn)換效率可以突破卡諾循環(huán)效率的限制。燃料電池的高效、潔凈引起世界各國的極大關(guān)注。對發(fā)電而言，最有發(fā)展前景的是熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。這兩種電池都可形成一定規(guī)模的供電能力，它們都工作于較高的溫度，其中MCFC為600°C~700°C，SOFC為1000°C，所以都屬于高溫燃料電池，而PEMFC等稱為低溫燃料電池。

　　高溫燃料電池排出的600~1000°C高溫氣體，從能量角度看，不應(yīng)該不加以利用?？梢灶A(yù)見：在發(fā)電領(lǐng)域中高溫燃料電池的實現(xiàn)形式一定不是單一的燃料電池，而是燃料電池和其它熱力系統(tǒng)聯(lián)合的混合系統(tǒng)，其中最成熟的是高溫燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)或高溫燃料電池與燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)結(jié)合的混合系統(tǒng)。就是這種混合系統(tǒng)的熱線圖。

　　值得指出的是該線圖中壓氣機(jī)C出口壓力為3.5大氣壓，回?zé)崞鞒隹诳諝鉁囟葹?00°C，燃料電池SOFC出口溫度1000°C。啟動時，燃料電池不工作，燃?xì)廨啓C(jī)由燃燒室中燃料燃燒提供高溫高壓工質(zhì)而作功，一旦燃料電池所需工作條件建立，燃燒室自動切斷。此后，燃?xì)廨啓C(jī)由燃料電池提供的高溫高壓工質(zhì)繼續(xù)作功。

    5．高性能小功率燃?xì)廨啓C(jī)

　　為滿足分布式供電的需要，高性能小功率燃?xì)廨啓C(jī)的研制也是一個重要的動向。分布式供電和集中供電相結(jié)合將使今后的電力供應(yīng)更加安全可靠，富有柔性。

另外，值得指出的是增壓流化床技術(shù)的發(fā)展又為燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。

    四．燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電中的天然氣能源利用

　　由于我國油、氣一次能源短缺，長期抑制了發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)大大落后于國際先進(jìn)水平?quot;西氣東輸"為發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電提供了極好的機(jī)遇，120億立方米天然氣的使用地點主要在上海，用戶就是發(fā)電、化工和民用能源。此外上海還將獲得來自東海氣田的天然氣供應(yīng)。另一方面，隨著環(huán)保的要求的提高，在人口密集的大都市燃煤發(fā)電受到的限制越來越多，發(fā)電成本也急劇升高，燃?xì)?、燃油的燃?xì)廨啓C(jī)清潔發(fā)電已經(jīng)具備了足夠的競爭能力。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電優(yōu)良的調(diào)峰能力也具有強(qiáng)烈的吸引力。鑒此，在部分大城市發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的時機(jī)已經(jīng)成熟，我國現(xiàn)階段發(fā)電能源應(yīng)該走以煤為主，輔以天然氣的道路。上海市政府已作出決定，今后將不再規(guī)劃建設(shè)大型燃煤電站，轉(zhuǎn)向發(fā)展利用天然氣的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)。此外，在能源結(jié)構(gòu)變化中我們還必須考慮蘊(yùn)藏超過其它化石能源總和的天然冰，這是海底形成的一種水包天然氣固體燃料，單位體積的潛藏能量是同體積天然氣的164倍，我國東海有豐富的資源。天然冰是極有前途的未來化石能源。

    五．燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)發(fā)展中的兩個重要方向

　　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展有以下兩個重要方向：

   （一） 大功率燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)

　　燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)包括常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)，以及把燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)合而為一的注水、注蒸汽、濕空氣燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)。大功率燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)以天然氣為主要能源，發(fā)電效率大于50%，明顯高于現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備，并具有良好的調(diào)峰能力，它們將與水電、煤電（大功率蒸汽輪機(jī)）、核電一起構(gòu)成完整的供電組合。由于我國發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)制造水平比較落后，目前這種大型設(shè)備只能依靠引進(jìn)。通過引進(jìn)一批先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，盡快改善我國發(fā)電設(shè)備的組合結(jié)構(gòu)，掌握先進(jìn)技術(shù)，積累運行經(jīng)驗，同時通過消化、創(chuàng)新和合作生產(chǎn)等方式為以后自主生產(chǎn)及進(jìn)一步發(fā)展燃煤聯(lián)合循環(huán)提供基礎(chǔ)。上海市計劃在"十五"期間啟動的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目就屬于這一方向。

   （二） 分布式供能系統(tǒng)

　　過去，為了追求高效率，電力建設(shè)總是辦大電廠，集中發(fā)電，單機(jī)功率越來越大，然后通過電網(wǎng)輸配電到用戶。今天，由于技術(shù)的進(jìn)步，集中的大容量發(fā)電和分布的小容量發(fā)電都能獲得高效率，兩者的合理配置能夠得到最佳的效果。先進(jìn)的小功率燃?xì)廨啓C(jī)與回?zé)帷⑽帐街评浣M成的電、熱、冷多聯(lián)供系統(tǒng)可以在當(dāng)?shù)孬@得高效率，如果設(shè)計得當(dāng)就可以獲得比集中供電更好的經(jīng)濟(jì)效果，污染水平也能令人滿意，因而非常有生命力。分布式供能系統(tǒng)的現(xiàn)實性已經(jīng)開始出現(xiàn)。

　　分布式供能還帶來了可靠性高的優(yōu)點，在城市里適宜用于機(jī)場、車站、大廈、醫(yī)院、特殊企業(yè)、住宅小區(qū)等綜合用能單位，金融、計算中心、防空部隊等電源不可間斷的重要部門。城市里分布式供能系統(tǒng)生產(chǎn)的電能不僅可以自用，還可以并網(wǎng)輸出。只要協(xié)調(diào)得好，就能夠為平衡電網(wǎng)峰谷差，獲得高的經(jīng)濟(jì)效益作出貢獻(xiàn)。在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村、漁區(qū)和牧區(qū)，分布式供能系統(tǒng)的優(yōu)越性更加突出，建設(shè)周期短，成本低，靈活機(jī)動性好。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家已開始實行電能買方和賣方的雙向自由選擇，國家只掌管電網(wǎng)，發(fā)電和用電兩端都放開，完全按市場方式運作。實踐證明了這種供電用電方式的的優(yōu)越性，促進(jìn)了競爭，提高了能源利用效率和服務(wù)質(zhì)量，減低了用電成本，它的成功又反過來促進(jìn)分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展。上海市黃浦區(qū)中心醫(yī)院建設(shè)的"愛能島"工程就是一個小型的分布式供能系統(tǒng)，運行表明這套系統(tǒng)在技術(shù)上是成功的，只是由于管理上的原因，尚不能真正發(fā)揮它的作用。由此可見，分布式供能系統(tǒng)的技術(shù)是可行的，成敗的關(guān)鍵在相當(dāng)程度上取決于供電管理的改革。其中轉(zhuǎn)變觀念以及將信息化高科技引入傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)，合理調(diào)度，正確核算都將起到十分重要的作用。同時，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到供電和用電的市場化改革是不可改變的發(fā)展方向。

　　特別值得重視的是燃料電池的發(fā)展，這是一種發(fā)電領(lǐng)域高效率低污染的高新技術(shù)。高溫燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合發(fā)電裝置最有可能首先在分布式供能系統(tǒng)中取得廣泛應(yīng)用。從理論上講，燃料電池聯(lián)合裝置不受熱力學(xué)第二定律的約束，從而可能獲得超過卡諾循環(huán)的效率，達(dá)到很高的經(jīng)濟(jì)性。從技術(shù)上講，發(fā)電用的高溫燃料電池盡管工作溫度較高，在材料和設(shè)計上有一定難度，但與汽車用的常溫燃料電池相比，因其無需在催化條件下工作，成本和壽命的問題都比較容易解決?？梢酝茰y它將先于常溫燃料電池獲得應(yīng)用，日本、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家燃料電池的發(fā)展實踐已經(jīng)證明了這一點，特別是工作溫度為650~700C的MCFC高溫燃料電池正進(jìn)入或接近實際應(yīng)用階段。上海交通大學(xué)研制的400瓦級MCFC燃料電池已解決了電極材料問題，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，現(xiàn)正著手?jǐn)U展電極板尺度，發(fā)展千瓦級試驗裝置。"十五"期間將進(jìn)一步引入天然氣重整和燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，研制100千瓦級MCFC燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合裝置，其中70%的輸出功率由燃料電池提供，30%的功率由燃?xì)廨啓C(jī)提供。由于聯(lián)合裝置中燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度并不很高，需要解決的主要問題是燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)的性能匹配，技術(shù)上獲得成功的可能性很大。由100千瓦級燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合裝置為主體組成的分布式供能系統(tǒng)在輸出功率和發(fā)電效率等重要性能都具有極強(qiáng)的競爭力。

    參考文獻(xiàn)：

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