天然氣分布式能源站裝機方案選擇及節(jié)能分析

文/唐偉，彭州華潤燃氣有限公司

1 總論

1.1 項目背景

我國傳統(tǒng)的能源結構中，燃煤在一次能源中比重過大，由此所導致的全社會整體能源利用效率低下、環(huán)境污染嚴重等惡劣影響日益凸顯。尤其近年以來各大中城市霧霾的肆虐，加大了國家對環(huán)境整治的決心，也加大了我國對發(fā)展清潔能源的需求。

隨著國家對節(jié)能減排的重視以及對新能源技術的支持，天然氣分布式能源技術作為緩解上述問題的有效手段，已經(jīng)在國內得到廣泛應用。

1.2 項目概況

本項目位于四川省成都市，供能對象為四川某有限責任公司，是一家專業(yè)生產(chǎn)生活用紙、高強瓦楞原紙、鞋用紙板的企業(yè)，擁有九條生產(chǎn)線。

項目屬于煤改氣工程，響應政府清潔能源改造政策，全年具有穩(wěn)定的熱、電負荷需求，適合采用天然氣分布式能源系統(tǒng)來滿足自身的用能需求。

電力情況：根據(jù)調研資料，企業(yè)目前僅有1回10kV市電作為電源，并建有1座高壓配電室。

低壓變配電系統(tǒng)，除1座公用變配電外，其余變壓器分散設置于各車間，具體情況如下：

高壓配電室旁建有1座低壓變配電室，內設1臺1000kVA變壓器，供企業(yè)園區(qū)內的鍋爐房、污水站、清水池、軟水處理等設備用電。

一車間建有紙機配電室，配1臺1000kVA變壓器；漿配電室，配1臺1600kVA變壓器。

二車間內設置3臺變壓器，容量為2×800kVA+1×1250kVA。

三車間設置2臺1000kVA變壓器。

四車間設置1臺1000kVA變壓器。

五車間設置1臺800kVA變壓器。

蒸汽情況：現(xiàn)有1臺20噸燃煤鍋爐，蒸汽參數(shù)：1.0MPa，180℃。2016年蒸汽用量為176458噸，在同一生產(chǎn)日內蒸汽負荷波動不大。下半年會增加一條生產(chǎn)線，需要4噸蒸汽，總設計容量按30t/h設計。

2 能源站接入系統(tǒng)方案設想

能源站電力接入市政供電系統(tǒng)方案的確定，要依據(jù)國家電力有關規(guī)程、導則的規(guī)定，要考慮能源站發(fā)電設備最終規(guī)劃總裝機容量和發(fā)電設備單機容量，企業(yè)市電電源供電等級、供配電系統(tǒng)接線型式，能源站外送輸電容量，系統(tǒng)短路水平和國家標準等因素，經(jīng)能源站接入系統(tǒng)技術經(jīng)濟論證和上級機關審查確定。

本項目分布式能源系統(tǒng)供能范圍是能源站自用電及企業(yè)的生產(chǎn)、辦公用電，宜直接接入負荷中心。本項目共選配1臺4600kW等級的燃氣輪機，發(fā)電機出口電壓建議選為10.5kV。

本工程現(xiàn)階段按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)”

的原則進行研究。現(xiàn)階段能源站暫按10kV等級出線設計，共設1回，采用電纜出線，接入企業(yè)的10kV高壓系統(tǒng)。

3 裝機方案

按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的運行模式，保證所發(fā)電力及余熱產(chǎn)生的冷熱量能在區(qū)域內被完全消化或盡可能多地消化，同時結合項目的負荷特點及能源價格等邊界條件考慮發(fā)電機組選型，余熱利用設備與調峰系統(tǒng)一起滿足項目的全部冷、熱負荷需求。

經(jīng)多方案比較，本工程推薦裝機方案為：1臺4.6MW等級燃氣內燃發(fā)電機組對接1臺余熱鍋爐，并以燃氣鍋爐作調峰設備，不足電負荷由市政電力提供。

3.1 主要設備選型

3.1.1 機組選型原則

該項目建設分布式能源站應盡量兼顧供熱與供電的雙重要求，在機組選擇方面主要遵循以下原則：

（1）發(fā)展熱電冷聯(lián)產(chǎn)的初衷即為提高能源利用率，促進節(jié)能減排，為真正實現(xiàn)這個目標，該分布式能源站應盡量采用天然氣等清潔能源，選擇高效率、清潔、環(huán)保的設備。積極向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的方向發(fā)展。

（2）機組容量首先應該滿足企業(yè)現(xiàn)有及近期熱負荷的需求。

（3）滿足國家熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源有關政策中關于熱電比、熱效率的有關要求。

（4）為提高機組利用率，在確定裝機容量時，不應按全年最高熱負荷來匹配機組，可通過配置調峰天然氣鍋爐、集中電制冷等調峰措施來滿足尖峰負荷。

（5）對于燃機和內燃機，由于天然氣價格較貴的特點，應盡可能選用高效率的機組，以充分利用能源，降低供熱供電價格。

3.1.2 機組型式的確定

燃氣輪機和燃氣內燃機相比，燃氣輪機生產(chǎn)蒸汽的能力較大，對熱負荷的適應能力較強。本項目由于熱負荷需求較大，因此，選擇供熱能力較大的燃氣輪機方案；同時考慮到電負荷消納能力相對有限，多余電力暫時難以獲得合適的價格回報，而燃氣輪機簡單循環(huán)能夠將更多熱能用于供熱，因此，現(xiàn)階段按燃氣輪機簡單循環(huán)方案進行方案比選。

燃氣輪機市場有一定特殊性。由于制造廠技術水平和技術路線的差異，不同燃機體現(xiàn)出各自的特色和不同的優(yōu)勢，差異性較突出。同時，還要考慮國內燃機市場的約束。

3.1.3 燃氣輪機選型

在國際燃氣輪機市場中，燃氣輪機的主要廠家有美國的GE公司、RATT&WHITNEY公司、三菱公司、德國的Siemens公司、美國Solar公司等。

目前陸上發(fā)電用燃氣輪機有輕型和工業(yè)重型兩類可供選擇。

輕型燃氣輪機由航空燃氣輪機派生，體積小，重量輕，設備部件精度高，對機組運行的環(huán)境條件要求也較苛刻。輕型燃氣輪機啟停迅速，單循環(huán)熱效率較高，非常適宜于作調峰發(fā)電機組。但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。另一方面，該型燃機，初投資較高，而且燃氣輪機的檢修周期短，維修工作難度大，主要部件一般要返廠才能修理，運行維護費用較高。由于目前主要的航改型燃氣輪機廠家可以提供備用轉子更換，因此檢修時間可大大縮短。

工業(yè)重型燃氣輪機是專門為陸用發(fā)電而開發(fā)設計的，其特點是設備體積和重量較大，對燃料的適應性較強，既可燃用輕質油，也可燃用重油。機組啟停也很快。工業(yè)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。重型燃機的檢修周期較長，可在能源站內完成大修，因此相對航改燃機來說，其維護費用較低，根據(jù)對某重型燃機廠家的了解，其維護費用大概是航改燃機的60%左右。

本項目的用戶主要為工業(yè)蒸汽用戶，項目以供應工業(yè)蒸汽為主，其全年負荷波動性不大，因此現(xiàn)階段選擇重型燃機作為主要設計機型。本項目所需要的燃氣容量在4～5MW之間，可選燃機品牌為西門子公司及Solar公司。

西門子公司自1948年自行開發(fā)第一臺燃氣輪機以來，按標準模塊的設計原則，首先建立起一套成熟可靠、有長期運行業(yè)績的標準部套結構。例如壓氣機的中心拉桿轉盤結構、壓氣機轉向導葉結構、雙軸承支撐、軸向排汽、功率冷端輸出、四級燃氣透平、標準的壓氣機通流部分等。通過幾何和轉速的模化原理，按轉速及0.67：1：1.2的尺寸比例，加上調整壓氣機進汽級的方式形成了幾種功率等級的產(chǎn)品。目前西門子SGT系列小型燃氣輪機的功率范圍在5～45MW范圍內有多種選擇。

Solar公司是卡特彼勒的全資子公司，是世界上生產(chǎn)1000kW至15000kW工業(yè)型燃氣輪機及燃氣輪機成套機組的領先廠家。Solar公司在長達50年中，一直是燃氣輪機系統(tǒng)設計、制造和系統(tǒng)集成的先驅，同時也是中小功率工業(yè)型燃氣輪機的領導者。迄今為止，solar公司已有超過100臺機組遍布中國各地。

本項目所需要的燃氣容量在4～5MW之間，可選燃機如下表所示：

表3.1 燃氣輪機性能參數(shù)對比

3.1.4 機組方案比選

（1）、發(fā)電機實際工況輸出比對

燃機的運行工況與項目所在地的海拔，氣溫，濕度等相關，影響較大的是氣溫變化，成都月平均溫度如下表：

表3.2

不同燃氣輪機的ISO性能參數(shù)參數(shù)見表3.3：

1、Solar Centaur50機型

半人馬C50燃機透平出來的煙氣溫度大約450～540℃，可以利用余熱鍋爐吸收高溫煙氣熱量生產(chǎn)蒸汽進行熱電聯(lián)產(chǎn)。半人馬C50燃氣輪發(fā)電機組是應用在工業(yè)發(fā)電的設計緊湊的發(fā)電設備,該機組是完全高度集成化的單撬裝置，出廠就可以安裝。系統(tǒng)包括燃氣輪機發(fā)動機、齒輪箱、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)。半人馬C50燃氣輪機發(fā)動機是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪,安裝在透平進氣端的部分,出力4600KW（ISO 標準狀況：海平面，環(huán)境溫度-0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度510℃，發(fā)電效率約29.3%。以天然氣為燃料的燃機發(fā)電機組。

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，Solar Centaur50機型在該項目中應用實際的功率輸出為3830kw～4343kw之間。

2、Solar Centaur40機型

半人馬C40燃氣輪機發(fā)動機是單軸、軸流式的，其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪，安裝在透平進氣端的部分，出力3500KW（ISO 標準狀況：海平面，環(huán)境溫度0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度440℃，發(fā)電效率約27.9%。以天然氣為燃料的燃機發(fā)電機組。

根據(jù)成都市平均月氣溫繪制各月燃機實際100%輸出功率圖如下：

表3.3 燃氣輪機配余熱鍋爐參數(shù)表

圖3.1 Solar Centaur40隨溫度變化輸出功率圖

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，Solar Centaur40機型在該項目中應用實際的功率輸出為2900kw～3347kw之間。

3、西門子SGT-100-5.1MW機型

西門子SGT-100-5.1MW燃氣輪機發(fā)動機是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪,安裝在透平進氣端的部分,出力5050KW（ISO 標準狀況：海平面，環(huán)境溫度0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度545℃，發(fā)電效率約30.2%。以天然氣為燃料的燃機發(fā)電機組。

根據(jù)成都市平均月氣溫繪制各月燃機實際100%輸出功率圖如下：

圖3.2 西門子SGT-100-5.1MW隨溫度變化輸出功率圖

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，西門子SGT-100-5.1MW機型在該項目中應用實際的功率輸出為4325kw～4795kw之間。

（2）、按月平均用電負荷進行機型匹配對比

根據(jù)企業(yè)提供2016年按月交付電費用電量清單，用電平均小時用電負荷繪制如下表：

圖3.3 2016年各月平均小時用電負荷圖

根據(jù)企業(yè)提供2017年1～8月按月交付電費用電量清單，用電平均小時用電負荷繪制如下圖：

圖3.4

Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在2016年各月發(fā)電機負荷率曲線如圖3.5：

Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在2017年各月發(fā)電機負荷率曲線如圖3.6：

根據(jù)2016及2017年企業(yè)實際用電負荷情況，以及與各機組按月實際輸出功率進行對比（因2月為春節(jié)期間，企業(yè)停產(chǎn)時間較長，不做比較參考），可得知，Solar Centaur40機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，均能滿負荷運行；Solar Centaur50機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，機組運行負荷均在95%以上。西門子SGT-100-5.1MW機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，大部分時間不能滿負荷運行，運行負荷在80%～90%之間。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，Solar Centaur40機型和Solar Centaur50機型均滿足該項目實際用能需求。西門子SGT-100-5.1MW機型輸出負荷比實際用能負荷大，因此不推薦該型號機組。

圖3.5 機型在2016年各月發(fā)電機負荷率曲線圖

圖3.6 機型在2017年各月發(fā)電機負荷率曲線圖

圖3.7 機型在9月29日至9月30日負荷率曲線

10月13日至10月14日對企業(yè)實際小時用電負荷進行記錄如表3.4：

根據(jù)上表，日平均用電負荷為4167kw。

根據(jù)該天逐時小時用電負荷，Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在該天負荷率曲線如圖3.8：

根據(jù)上表，日平均用電負荷為4033kw。

根據(jù)該天逐時小時用電負荷，Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在該天負荷率曲線如下圖：

根據(jù)上圖可看出，Solar Centaur40機型在每日逐時實際用電負荷情況下，均能滿負荷運行；Solar Centaur50機型在每時實際用電負荷情況下，機組運行負荷均在95%以上。

（3）、根據(jù)企業(yè)設備裝機容量及按月平均，日平均進行機型匹配對比（圖3.9）

根據(jù)企業(yè)提供全廠設備裝機容量如下：

全廠在線裝機容量為12562.3kw，變壓器總容量為9450KVA，10月份新增1000kw的電機裝機容量。新增生產(chǎn)線以后在線裝機總容量為13562.3kw，變壓器總容量為10250KVA。

表3.4 實際小時用電負荷進行記錄表

圖3.8 機型在10月13日至10月14日負荷率曲線

圖3.9 機型在10月14日至10月15日負荷率曲線

根據(jù)目前2016年及2017年實際運行數(shù)據(jù)，對應機組凈輸出功率與實際負荷比如下：

根據(jù)企業(yè)發(fā)展，2017年10月新增1000kw電機裝機容量，按裝機容量70%實際功率進行測算，新增用電功率為700kw，對應機組凈輸出功率與實際負荷比如下：

說明：C40，C50機組的輸出功率均以海拔594米，成都年平均溫度15.7℃為計算標準，扣除能源站自用電負荷，C40凈輸出功率為3022kw，C50凈輸出功率為3990kw。

（4）、根據(jù)機組不同輸出負荷的效率對比

根據(jù)一到四的機組對比，Solar Centaur40機型均能在滿負荷運行。

Solar Centaur50機型大部分時間均能在滿負荷工況下運行，其不同輸出負荷下效率如下：

從上面可以看出，Solar Centaur50機組，在50%～100%功率輸出時，機組總效率變化不大，因此對于用電負荷在2055kw～4110kw波動時，均能較好的運行。

4 結論

綜上所述，Solar Centaur50機組在目前生產(chǎn)情況下均能95%～100%負荷輸出運行，同時，在企業(yè)減產(chǎn)30%的時候，也能較好的正常運行，因此Solar Centaur50機組在該項目中具有較好的適應性。

本項目按照機組“并網(wǎng)不上網(wǎng)”考慮，配置美國solar公司的C5 0型燃機、“一拖一”多軸機組考慮，即每套燃氣-蒸汽簡單循環(huán)機組由1臺燃機、1臺燃機發(fā)電機和1臺余熱鍋爐組成。