燃氣分布式能源電廠機組選型分析

趙 丹

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095）

0 引言

分布式能源是利用小型設(shè)備向客戶提供能源供應(yīng)的新能源利用方式，通常指在客戶附近，以小規(guī)模、分散式的方式布置，可獨立提供電、冷、熱的供能系統(tǒng)。作為一種能源集成系統(tǒng)，分布式能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級基礎(chǔ)上，將供熱、制冷及發(fā)電過程結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)的中、低溫熱能得以合理利用［1］。與傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時，降低環(huán)境污染，能更好地滿足客戶對不同能源形式的需求。

目前，天然氣冷熱電三聯(lián)供是分布式能源的主要利用方式，其燃料除了天然氣外，也可以是煤層氣、煤制氣、焦爐煤氣等，其能源利用率可達到80%左右。因此，為盡可能提高能源利用率，有必要選擇適宜的分布式電廠燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組配置方式，并根據(jù)冷、熱、電客戶的實際需求，配置與實際需求相匹配的機組方案。

1 燃氣冷熱電三聯(lián)供機組型式

燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主要由動力設(shè)備、余熱利用設(shè)備和制冷設(shè)備等組成。

1.1 動力設(shè)備

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備主要有燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、燃氣外燃機、微燃機和燃料電池等［2－3］。

1）燃氣輪機是分布式能源項目中普遍使用的動力設(shè)備。小型燃氣輪機容量從幾百千瓦到50 MW，發(fā)電效率一般在20%～35%，余熱均為高品質(zhì)煙氣，溫度在500℃左右，非常便于回收，熱電聯(lián)產(chǎn)效率一般可達75%～85%。商業(yè)發(fā)電用機組容量一般為100～300 MW。燃氣輪機分為重型燃氣輪機及輕型燃氣輪機：

（1）工業(yè)重型燃氣輪機是專門為陸用發(fā)電而開發(fā)設(shè)計的，特點是設(shè)備體積和質(zhì)量較大，對燃料的適應(yīng)性較強，可燃用輕質(zhì)油和重油。重型燃氣輪機的排氣溫度較高，當采用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)時，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較大，故汽輪機的發(fā)電出力和供汽量均較大。雖然該型燃氣輪機單循環(huán)效率略低于輕型燃氣輪機，但聯(lián)合循環(huán)熱效率略高，缺點是設(shè)備的檢修周期較長。

（2）輕型燃氣輪機體積小、重量輕，設(shè)備部件精度高，對機組運行的環(huán)境條件要求較苛刻。輕型燃氣輪機啟停迅速，單循環(huán)熱效率較高，非常適宜于作調(diào)峰發(fā)電機組。輕型燃氣輪機排氣溫度較低，當采用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)時，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較少，故汽輪機的發(fā)電出力和供熱汽量均較小，對于冷熱電三聯(lián)供項目來說，其供熱能力相對較低。

2）燃氣內(nèi)燃機初投資較低、啟動方便、變工況性能較好，但噪聲較大、污染物排放較高，需要定期維護。內(nèi)燃機發(fā)電效率較高，從小樓宇使用的1～5 MW，到熱電聯(lián)產(chǎn)電廠或調(diào)峰電廠的20～100 MW，發(fā)電效率均可達到35%～44%。內(nèi)燃機組可以搭配各種大小不同單機容量，以多機組合、可漸進擴充發(fā)電容量滿足電廠彈性的經(jīng)濟性投資。內(nèi)燃機的余熱有350～450℃的排氣、90～110℃的缸套冷卻水、50～80℃中冷器冷卻水和潤滑油冷卻水，熱回收可視需求分別從不同系統(tǒng)獲得。

3）燃氣外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機，發(fā)電效率可達40%，且出力和效率不受海拔高度影響。外燃機可選用的燃料范圍比較廣，包括各種氣體、液體和固體燃料。燃料在汽缸外過氧連續(xù)燃燒，運行平穩(wěn)、振動小，排氣中有害成分較少，且噪聲較低。外燃機零部件較少，潤滑油耗量較小，無需過多維護保養(yǎng)。但其制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和使用壽命尚待提高。

4）微燃機將燃氣輪機微型化、簡單化，并結(jié)合先進的回熱技術(shù)、永磁發(fā)電技術(shù)、電力變頻控制技術(shù)和智能控制技術(shù)進行了優(yōu)化整合，使其成為一種白色家電化的能源設(shè)備。微燃機的功率在30～300 k W，發(fā)電效率為12%～28%，煙氣溫度在275～550℃。微燃機結(jié)構(gòu)緊湊、運動部件較少、重量較輕，且運行維護成本非常低。

5）燃料電池是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具有高效率、無污染、適用廣、無噪聲等優(yōu)點。目前，燃料電池尚處于開發(fā)研制階段，待技術(shù)、價格等相關(guān)問題得到解決之后，將是未來最具發(fā)展價值的動力設(shè)備。

1.2 余熱利用設(shè)備

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的余熱利用設(shè)備主要為余熱鍋爐。余熱鍋爐實質(zhì)上是一臺大型的熱交換器，利用燃氣輪機的高溫排氣加熱給水，并產(chǎn)生過熱蒸汽，再送往汽輪機做功。

余熱鍋爐按照結(jié)構(gòu)型式可分為立式和臥式；按照燃燒方案可分為補燃和無補燃，補燃余熱鍋爐又可分為部分補燃和完全補燃；按照蒸汽壓力等級可分為單壓、雙壓、雙壓再熱、三壓和三壓再熱5類蒸汽系統(tǒng)。

1.3 制冷設(shè)備

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的制冷系統(tǒng)主要分為壓縮式和吸收式兩種。

1）壓縮式制冷機主要通過消耗外功并傳遞給壓縮機進行制冷，可通過機械能的分配來調(diào)節(jié)電量和冷量的比例。

2）吸收式制冷機則是通過消耗低品味熱能來制冷，將來自熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分或全部熱能用于驅(qū)動制冷系統(tǒng)，根據(jù)對熱量和冷量的需求進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

常用的吸收式制冷設(shè)備有溴化鋰吸收式制冷機和氨吸收式制冷機。溴化鋰吸收式制冷機以熱能為動力，溴化鋰溶液為吸收劑，制取0℃以上的冷水。其對熱源參數(shù)的要求低、適應(yīng)性強，且消耗電能較少。氨吸收式制冷機以氨—水作為工質(zhì)，工作原理與溴化鋰吸收式制冷機相似，且能制取0℃以下的冷量而不易結(jié)晶。

2 分布式能源電廠機組配置分析

分布式能源電廠通常為燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，即除上述燃氣冷熱電三聯(lián)供主要設(shè)備外，還配有蒸汽輪機發(fā)電機組。燃氣輪機產(chǎn)生的高溫排氣在余熱鍋爐中加熱給水，使其成為過熱蒸汽后進入蒸汽輪機做功。根據(jù)冷熱客戶特點，蒸汽輪機可選用純凝式、抽凝式和背壓式。

分布式能源電廠機組配置的原則是根據(jù)上網(wǎng)電量和周邊的用熱、用冷負荷，按“以熱定電、以冷定電”原則進行配置［4］。通常，熱負荷為采暖負荷時，由于機組運行有季節(jié)性差異，故需選用抽凝式蒸汽輪機。熱負荷若為穩(wěn)定的工業(yè)用汽，則推薦使用背壓式蒸汽輪機。大多數(shù)分布式能源的熱負荷都是既有采暖負荷又有工業(yè)負荷的，此時建議根據(jù)實際熱負荷情況，使用抽凝式與背壓式汽輪機配合設(shè)置的方案［4－5］。

下面以某工業(yè)園區(qū)的分布式能源機組配置方案為例，分析說明各機組配置的特點。

2.1 確定供熱參數(shù)

園區(qū)內(nèi)規(guī)劃用熱蒸汽企業(yè)共7家，需蒸汽壓力為0.60～1.25 MPa，溫度為160～220℃，總計蒸汽用量約為105 t／h；需要0.3 MPa、7℃左右的冷卻水客戶兩家，需要冷卻水用量約為550 t／h。

根據(jù)各熱客戶用蒸汽參數(shù)、用蒸汽時間及至供汽電站距離等特點，將汽機抽汽口供熱額定參數(shù)定為1.4 MPa、300℃左右，后經(jīng)減溫器減至220℃送出。將冷水用量折合為熱蒸汽后，折算至熱源分界點后的蒸汽量約為100 t／h。

2.2 機組配置方案

根據(jù)客戶特點及電站管理運營性質(zhì)，選用燃氣輪機較為合適。本項目適宜選用的重型燃氣輪機為GE ＆南汽公司的PG6111FA型及PG6581B型燃氣輪機，普惠公司FT8-3型燃氣輪機。輕型燃機可選用GE ＆ 華電通用公司的LM6000PD-SPRINT型燃氣輪機。機組配置方案如表1所示。

2.3 各配置方案經(jīng)濟技術(shù)指標的分析比較

各配置方案的經(jīng)濟技術(shù)指標如表2所示。

1）兩套PG6111FA型“一拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置方案，選用抽凝式汽輪機。燃機的單機循環(huán)效率較高，聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電量很大，供熱能力較大，但由于本項目所需熱負荷低于其供熱能力，故總熱效率不高。

表1 機組配置方案

2）兩套PG6581B型“二拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置方案，選用抽凝式汽輪機。燃機的單機循環(huán)效率較低，聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電量很大，供熱能力很大。但由于本項目所需熱負荷遠低于其供熱能力，故總熱效率很低。

3）兩套PG6581B型“一拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機，一套選用背壓式汽輪機。由于選用了背壓式汽輪機，故聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電量很小，供熱能力與本項目較匹配，總熱效率較高。

4）兩套FT8-3型“一拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機，一套選用背壓式汽輪機。燃機的單機循環(huán)效率較高，聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電量較小，供熱能力與本項目較匹配，總熱效率較低。

表2 各配置方案的經(jīng)濟技術(shù)指標

5）三套LM6000PD-SPRINT型“一拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機，兩套選用背壓式汽輪機。燃機的單機循環(huán)效率很高，聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電量較大，供熱能力較小，但與本項目很匹配，故總熱效率很高。

這幾種配置方案均可滿足熱客戶供熱需求，但從機組初投資及總熱效率等方面綜合考慮，本項目推薦配置兩套PG6581B型“一拖一”燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，一套選用抽凝式汽輪機，一套選用背壓式汽輪機。

3 結(jié)語

重型燃氣輪機單機循環(huán)效率相對稍低，但供熱能力較大，對燃料品質(zhì)及運行環(huán)境有較強的適應(yīng)性。輕型燃氣輪機單機循環(huán)效率較高，發(fā)電能力更強，較適合運行環(huán)境較好的樓宇類場所。在機組配置時，需要根據(jù)冷、熱、電客戶的實際需求，配置與實際需求相匹配的機組方案，可采用分期建設(shè)，切勿過度放大配置，降低機組的運行經(jīng)濟性。分布式能源項目應(yīng)盡可能多方位開發(fā)低品質(zhì)熱能客戶，以提高綜合利用的高效率。

［1］ 王濤.分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)及工程實例介紹［J］.熱機技術(shù)，2012（12）：118-125.

［2］ 焦樹健.燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 黃科文，李鵬鵬，彭顯剛.含分布式電源的配電網(wǎng)電壓調(diào)整策略研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2013（01）：29-33.

［4］ 劉金海.燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組方案比較［J］.科技信息，2010（36）：289-290.

［5］ 莊園，賀海，楊曉慧.含分布式電源優(yōu)化調(diào)度的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012（12）：13-18.