天然氣分布式能源站裝機方案選擇及節(jié)能分析①

摘 要：本文介紹了某分布式能源站冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)以及項目概況。根據(jù)工程冷熱電負荷的需求，進行裝機方案原則論證。從一次能源利用率、總熱效率、節(jié)能和應(yīng)用效果等方面論述了燃氣冷熱電聯(lián)供是我國推行分布式能源供應(yīng)的優(yōu)良方式。

關(guān)鍵詞：分布式能源站 機組選型 節(jié)能

中圖分類號：TU996 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）0116-02

天然氣分布式能源系統(tǒng)是直接面向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統(tǒng)，它不同于傳統(tǒng)的集中式能源生產(chǎn)與供應(yīng)模式，而是分散在用戶端，以能源綜合梯級利用模式，來達到更高能源利用率、更低能源成本、更高供能安全性以及更好的環(huán)保性能等供能多目標。分布式是實現(xiàn)發(fā)電、制冷、制熱等多種功能先進能源系統(tǒng)，明確列入了“國家節(jié)能中長期專項規(guī)劃”中的重點節(jié)能領(lǐng)域。分布式能源系統(tǒng)適合建立在建筑功能多樣化、建筑相對集中的區(qū)域。不同建筑功能的建筑之間出現(xiàn)的能源峰谷時間不同，建筑功能多樣化可以使區(qū)域內(nèi)的電、冷、熱需求相對平衡，利于系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的年利用效率。

根據(jù)發(fā)改能源[2011]2196號文件《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，合理選擇建設(shè)規(guī)模，優(yōu)化系統(tǒng)配置，原則上天然氣分布式能源全年綜合利用效率應(yīng)高于70%，在低壓配電網(wǎng)就近供應(yīng)電力。發(fā)揮天然氣分布式能源的優(yōu)勢，兼顧天然氣和電力需求削峰填谷。

某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)集居住、商業(yè)、工業(yè)于一體，有電、冷、熱負荷需求，能源需求多樣化，適合建立分布式能源站，實現(xiàn)多系統(tǒng)能源融合，利用效率發(fā)揮到最大狀態(tài)，以達到節(jié)能減排的目的。

本能源站一期擬建設(shè)2套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，包括3臺LM6000PD Sprint型燃氣輪機（各帶1臺發(fā)電機）、3臺余熱鍋爐（單壓，帶尾部熱水鍋爐）、1臺背壓式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）和1臺抽凝式汽輪機（帶1臺發(fā)電機），主蒸汽采用母管制連接，并設(shè)置2套減溫減壓裝置作為備用。汽輪機最大能供工業(yè)蒸汽118 t/h，加上熱水鍋爐的供熱量約35.8 MW（510 t/h），以滿足本地區(qū)近期工業(yè)蒸汽負荷大部分需求和熱水負荷大部分需求。由于該經(jīng)濟開發(fā)區(qū)已經(jīng)建成了一定數(shù)量和容量的鍋爐房，鍋爐房的取締需要一段時間，開發(fā)區(qū)的熱負荷也是逐漸提高，因此余下熱負荷可在能源站二期進行彌補。

1 裝機方案

考慮到供熱的可靠性，本工程燃氣輪機數(shù)量以不少于2臺為宜，當1臺燃氣輪機或余熱鍋爐停運后，能保障用戶最小熱負荷的需求。同時，由于燃氣輪機因壓氣機進氣量的調(diào)節(jié)幅度小，低負荷時效率陡降，因此燃氣輪機高效率運行的調(diào)度方式應(yīng)以臺調(diào)節(jié)為主，不宜采用平均負荷的調(diào)度方式。因此，燃氣輪機數(shù)量以不少于2臺為宜。根據(jù)開發(fā)區(qū)的熱負荷和電負荷情況，確定機組的供熱能力和供電能力，本工程機組選型初步按下述方案考慮。

（1）方案一：安裝2套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（1套“二拖一”和1套“一拖一”，主蒸汽采用母管制），包括3臺LM6000PD Sprint型燃氣輪機（各帶1臺發(fā)電機）、3臺余熱鍋爐（單壓，帶尾部熱水鍋爐）、1臺抽凝式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）和1臺背壓式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）。

（2）方案二：安裝3套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（3套“一拖一”，主蒸汽采用母管制），包括3臺LM6000PD Sprint型燃氣輪機（各帶1臺發(fā)電機）、3臺余熱鍋爐（單壓，帶尾部熱水鍋爐）、2臺背壓式汽輪機（各帶1臺發(fā)電機）和1臺抽凝式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）。

兩個方案（年平均工況）比較詳見表1。

以上方案均可滿足平均工業(yè)生產(chǎn)蒸汽負荷需求，供熱水量基本相等。

方案二有3臺燃氣輪機、3臺余熱鍋爐和3臺汽輪機，供熱可靠性高，裝機容量適當，初投資高，機組運行調(diào)節(jié)靈活性較高。

方案一有3臺燃氣輪機、3臺余熱鍋爐和2臺汽輪機，供熱可靠性高，裝機容量適當，初投資較低，機組運行調(diào)節(jié)靈活性高。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組中，燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機的匹配原則一般是：余熱鍋爐的蒸發(fā)量與燃氣輪機排出的煙氣余熱相匹配，汽輪機的進汽量與余熱鍋爐的蒸發(fā)量相匹配，以使能源的利用效率最大化。汽輪機可以是抽汽凝汽式，也可以是背壓式。背壓式汽輪機熱效率高，但在實際運行中，如果熱負荷變化頻繁，將使整個機組的負荷率隨之不斷調(diào)整，對整個機組的運行不利。特別是當熱負荷較小時，導(dǎo)致整個機組處于低負荷運行，此時整個機組的熱效率會大大降低。而抽凝式汽輪機的抽汽可以隨著熱負荷的變化而調(diào)節(jié)，整個機組可以長期保持較高的熱效率。而根據(jù)國家能源政策，對于有充足、穩(wěn)定的工業(yè)熱負荷的地區(qū)，原則上建設(shè)背壓式機組，必要時配合建設(shè)抽汽凝汽式機組。

方案一根據(jù)開發(fā)區(qū)熱、冷、電負荷變化情況綜合考慮，同時配置背壓式汽輪機和抽汽式汽輪機，兼顧效率和靈活運行的需要。背壓式汽輪機的排汽可以直接對外供熱，沒有冷源損失，熱效率高。抽凝式汽輪機運行靈活，熱效率較純凝機組高。由于工業(yè)熱負荷屬于持續(xù)性熱負荷，需保證供熱可靠性，否則將會給熱用戶的工業(yè)生產(chǎn)造成較大的損失，因此裝機方案通過采用背壓式汽輪機和抽汽式汽輪機兼顧的格局。三臺余熱鍋爐的高壓蒸汽管道通過切換母管同時給背壓式汽輪機和抽凝式汽輪機供汽。背壓式汽輪機的排汽管道和抽凝式汽輪機的抽汽管道并聯(lián)至供熱母管上，向廠外供熱。三臺余熱鍋爐尾部設(shè)置的熱水鍋爐產(chǎn)生的熱水連接成母管，夏季作為熱水型溴化鋰吸收式制冷機的驅(qū)動熱源，全年作為生活熱水的加熱熱源。

根據(jù)該地區(qū)的熱負荷，全年有4個月是熱用戶的生產(chǎn)淡季，有4個月是熱用戶的生產(chǎn)旺季。生產(chǎn)淡季時，由于供熱負荷減少，方案二的2臺背壓機其中1臺將只能采用低負荷運行，運行效率低，必然影響投資效益，所以方案二的機組不太適應(yīng)熱負荷的變化，而方案一采用的是1臺抽凝機+1臺背壓機，無論在供熱工況，還是在凝汽工況下運行都具有高的熱效率，都能送出高效、節(jié)能和較清潔的電力，抗風險能力強。生產(chǎn)旺季時，可保留2臺15 t/h容量的鍋爐作為調(diào)峰鍋爐滿足余下的熱負荷，這樣可使能源站取得最佳經(jīng)濟效益。

綜上所述，能源站一期裝機方案推薦方案一，即裝設(shè)3臺LM6000PD Sprint型燃氣輪發(fā)電機組、3臺余熱鍋爐（單壓，帶尾部熱水鍋爐）、1臺抽凝式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）和1臺背壓式汽輪機（帶1臺發(fā)電機）。

推薦方案能源站全廠年平均熱效率為75.32%，年平均熱電比為76.5%，符合《熱電聯(lián)產(chǎn)項目可行性研究技術(shù)規(guī)定》中常規(guī)燃氣輪機熱電廠全廠年平均總熱效率應(yīng)大于55%、各容量等級燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電比年平均應(yīng)大于30%的要求。

2 節(jié)能分析

在相同供電量和供熱量的情況下，若采用熱電分產(chǎn)，即先進凝汽式電廠供電、集中供熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽和熱水供熱，或若采用關(guān)停供熱鍋爐，取其主要熱經(jīng)濟指標如表2。

注：超臨界600 MW級機組發(fā)電標煤耗為281 g/kWh，廠用電暫按6.3%計算，平均供電標煤耗為300 g/kWh。

通過上表可以看出，在相同供電量和供熱量的情況下，采用熱電分產(chǎn)，全年標準煤耗量約為37.15×104 t；采用關(guān)停的供熱鍋爐，全年標準煤耗量約為39.35×104 t；本工程全年天然氣耗量2.306×108 N m3，折合標準煤量26.22×104 t，相對于熱電分產(chǎn)每年節(jié)約標準煤量10.93×104 t，相對于關(guān)停的供熱鍋爐每年節(jié)約標準煤量13.13×104 t，能夠顯著地節(jié)約能源、減少排放。

而且，采用熱電聯(lián)產(chǎn)的方案能源利用效率比熱電分產(chǎn)以及關(guān)停的供熱鍋爐要高大約20個百分點。

3 結(jié)論及建議

通過對熱電聯(lián)產(chǎn)、分散鍋爐供熱的能源利用效益比較分析可知，熱電聯(lián)產(chǎn)比分散鍋爐供熱在提高能源利用效率、減少污染排放、節(jié)約能源和土地資源等方面效果更為顯著，且社會效益明顯。

參考文獻

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