小型煤礦區天然氣分布式能源站的裝機方案研究

陳聰杰

摘 要：本文主要分析了小型煤礦區天然氣分布式能源站裝機方案，針對行業特點，主要對燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、軸系布置各類型的優缺點進行分析，推薦了常規的小型煤礦區天然氣分布式能源站裝機方案，以供本行業規劃設計人員參考。

關鍵詞：小型煤礦;分布式能源站;裝機方案

中圖分類號：TU99;TK01 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0120-03

Abstract： This paper mainly analyzed the unit selection scheme of natural gas distributed energy station in small coal mine area. According to industry characteristics， the advantages and disadvantages of various types of gas turbines， waste heat boilers， steam turbines， and shafting arrangements were analyzed. The installation plan of the conventional small-scale coal mine area natural gas distributed energy station was recommended. The author hopes that the research of this paper can provide reference for the planning and design personnel in this industry.

Keywords： small coal mine;distributed energy station;installation plan

小型煤礦區對熱負荷具有迫切需求。為滿足其供熱、供冷及用電要求，依據國家有關政策，綜合考慮小型煤礦區所需熱負荷的實際情況，從提高整個小型煤礦區和能源站的供熱效率以及經濟效益出發，遵循“熱電聯產，以熱定電”的原則，規劃新建天然氣分布式能源站項目，為小型煤礦區提供生活、生產用氣。

1 主要原則

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式[1]。用于分布式能源站的原動機主要包括燃氣輪機和內燃機，區域式分布式能源站原動機宜選用燃氣輪機。采用燃氣輪機作為原動機時，符合下列情況之一時，宜選用航改型燃氣輪機：簡單循環效率高，需要快速頻繁啟停并且不影響機組壽命，土地價格高，環保排放要求高[2]。天然氣分布式能源站裝機選型應綜合考慮供熱半徑、熱負荷規模及特性、燃料供應和經濟效益等各因素，通過對原動機、余熱利用設備、蒸汽輪機進行比選優化，最終實現能源梯級高效利用。

機組選型的原則是優先安排背壓型熱電聯產機組，其發電容量不計入當地電力建設控制規模;當以氣體燃料為主時，采用分布式熱電聯產機組[3]。機組的容量、臺數應合理，保證供熱可靠性，避免供熱機組事故、檢修時影響用戶端。

天然氣分布式能源站規劃應優化設計、嚴格控制工程投資和運行成本。同時，能源站應積極采用國內外成熟的先進技術，提高整體技術水平，使能源站在質量性能指標、技術經濟指標以及安全穩定指標等方面與國際水平接軌。

2 機組國產化能力介紹

2.1 燃氣輪機

目前，我國燃氣輪機技術水平與國際先進水平仍存在較大差距，在技術開發、試驗研究和生產裝備的配置方面仍面臨巨大挑戰。20世紀60年代，國內各大汽輪機廠與科研院校聯合研發了國產燃氣輪機（初溫700 ℃）。20世紀90年代，國內各大汽輪機廠積極通過國際技術交流及合作，生產大功率燃氣輪機。“十五”期間，科技部“863計劃”（國家高技術研究發展計劃）能源領域重大專項工程設立了重型燃氣輪機和微型燃氣輪機兩個研制項目，各大科研單位，以產學研合作的方式，聯合攻關R0110重型燃氣輪機，我國成為世界上第五個具備重型燃氣輪機研制能力的國家。“十一五”期間，科技部通過“863計劃”支持開展了“中低熱值燃料R0110燃氣輪機研制及其在IGCC電站中的工程應用示范”和“F級中低熱值燃料燃氣輪機關鍵技術與整機設計研究”。目前，在我國已投產的天然氣分布式能源項目中，機組單機容量在70 MW以下的基本都采用國外燃機或內燃機技術，適合分布式能源的國產燃機汽輪機廠家目前較少。隨著能源結構的調整和“西氣東輸”工程的推進，國內燃機制造廠通過技術引進的方式積極開展各項準備工作，吸收國外技術經驗，不斷推動燃機國產化進程。

2.2 余熱鍋爐

目前，國內主要鍋爐制造廠通過與國外公司的分包合作、技術引進，已具備余熱鍋爐的設計制造能力。制造廠通過廣泛的國際技術交流、技術引進、消化吸收和技術創新，形成了獨立開發、設計和制造新型燃機余熱鍋爐的能力。國內已生產投運的產品包括自然循環（臥式）和強制循環（立式）兩大系列，單壓、雙壓、三壓三種類型，適應各類燃氣輪機。對于適合小型聯合循環的余熱鍋爐，國內各大制造廠都已具備很高的設計和制造能力。

2.3 蒸汽輪機

分布式能源站所配的汽輪機，因無回熱系統且容量屬小型工業汽輪機范圍，其結構形式相對于燃煤汽輪機較為簡單。我國汽輪機制造技術已很成熟，各大汽輪機廠均能生產各容量范圍的汽輪機組，生產能力和生產設備均已具備條件。國內汽輪機廠通過對常規汽輪機進行改造或引進國外技術，已經開發出專門用于燃機聯合循環的汽輪機系列，并已有實際運行實例。

燃氣-蒸汽聯合循環機組國產化是一個長期的進程。在當前階段，部分等級的燃氣輪機已具備國產化條件，能設計制造具有完全自主知識產權的燃氣輪機發電機組;余熱鍋爐已經可以實現國產化;蒸汽輪機相對燃機技術難度較小，國內具備一定的配套和生產能力，根據不同的配置情況，可以實現國產化;燃機發電機，由于各燃機廠家考慮機組的效率和匹配問題，一般由燃機廠家進行全套供應。針對上述情況，燃氣輪機從國內外適合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的機型中選取，并配燃機發電機，余熱鍋爐和蒸汽輪機采用國產。

3 機組選型

3.1 燃氣輪機

目前，天然氣分布式能源站基本采用燃氣—蒸汽聯合循環發電機組。燃氣輪機的選型不同，使得相應配套的余熱鍋爐和蒸汽輪機在選型、參數等方面有所不同。機組選型原則為“以熱定電”，針對項目設計負荷容量及特性，考慮使用技術先進、成熟可靠的機型。適合于分布式能源系統的燃氣輪機的國內外主要廠商有索拉、普惠、日立、西門子、GE、南汽、中航等。燃氣輪機選型必須根據項目供熱負荷需要進行匹配計算，選擇額定功率及熱耗合適的燃氣輪機。燃機制造商適用于小型煤礦區常見的燃機型號如表1所示。

3.2 余熱鍋爐

由于燃氣輪機排氣溫度比較低，余熱鍋爐熱量回收主要依靠對流接觸傳熱。按工質在蒸發受熱面中的流動特點可以將余熱鍋爐分為自然循環余熱鍋爐和強制循環余熱鍋爐兩類。其中，利用爐水循環系統內的流體密度差產生循環力的是自然循環鍋爐;利用鍋爐強制循環泵使爐水循環的是強制循環。自然循環余熱鍋爐的可靠性優于強制循環余熱鍋爐。余熱鍋爐按煙氣流動方向，分為立式鍋爐和臥式鍋爐，自然循環余熱鍋爐大多為臥式，強制循環余熱鍋爐較多為立式。一般來說，余熱鍋爐的循環方式有5種：單壓無再熱、雙壓無再熱、雙壓再熱、三壓無再熱和三壓再熱。適用于分布式能源的燃機容量相對較小，排氣參數較低，為簡化系統，一般不采用三壓循環，且雙壓蒸汽循環系統比單壓蒸汽循環系統的熱效率會有明顯提高（約提高1.5%～1.7%），建議采用雙壓余熱鍋爐。適用于分布式能源的燃機一般排煙溫度較低，余熱鍋爐中再熱器難以布置，同時考慮到經濟性和供熱可靠性問題，建議采用無再熱余熱鍋爐。因此，余熱鍋爐推薦采用自然循環、臥式、雙壓、無再熱余熱鍋爐，蒸汽壓力根據供熱蒸汽需求確定。

3.3 蒸汽輪機

聯合循環用的蒸汽輪機與一般的火力發電裝置用的蒸汽輪機在原理上是相同的，結構上也類似。聯合循環用的蒸汽輪機運行方式為滑壓運行，蒸汽輪機為全周進汽，正常運行時，蒸汽調節閥處于全開狀態，由燃氣輪機的燃料投入量進行負荷控制。當余熱鍋爐給水溫度升高時，余熱鍋爐的排煙溫度會隨之升高，使余熱回收效率下降，熱效率得不到提高，因此一般不設置回熱系統，同時由于沒有回熱抽汽，排汽量大。聯合循環用蒸汽輪機必須適應快速啟動的要求，在不影響效率的前提下，盡量加大動靜部件間隙，以防止在快速啟動時由于不均勻膨脹引起動靜部件之間的摩擦。聯合循環用蒸汽輪機排汽有軸向排汽和向下排汽兩個類型。適用于分布式能源的余熱鍋爐建議采用無再熱，因此蒸汽輪機也采用無再熱式。多壓機組比單壓機組運行經濟性高，系統復雜，前期投資高。適用于分布式能源的汽輪機組容量小，可靠性要求高，因此蒸汽輪機也采用單壓進汽。熱電聯產供熱方案中可供選擇的蒸汽輪機有抽凝、抽背與背壓式，須根據項目設計熱負荷波動情況合理選擇蒸汽輪機機型[4]。

4 軸系布置方案比較

聯合循環中燃氣輪機、汽輪機和發電機的軸系布置方案，與能源站主機軸系聯結方式、總體布置、負荷調節、檢修方式等有關，對裝置運行、操作與性能以及投資有較大影響。按裝置的有用功輸出方式，聯合循環的軸系布置方案分為單軸和多軸[5]。

4.1 單軸布置方案

單軸聯合循環是指聯合循環的有用輸出功率來自一根軸，即燃氣輪機和汽輪機驅動同一臺發電機。單軸布置方案又分為發電機尾置（燃氣輪機+汽輪機+發電機）和發電機中置（燃氣輪機+發電機+3S離合器+汽輪機）。單軸聯合循環布置方案的主要特點是：共用1臺較大容量的發電機，輔助設施統一布置，與多軸布置相比，設備簡單，布置緊湊，廠房面積小，土建成本降低，使整個電廠緊湊高效。

4.2 多軸布置方案

多軸聯合循環是指聯合循環的有用功來自一根以上的軸，即每臺燃氣輪機和汽輪機各自驅動不同發電機。多軸布置方案根據燃氣輪機與汽輪機的匹配不同，又可分為“一拖一”“二拖一”等多種配置方式。多軸聯合循環布置方案的主要特點是：燃氣輪機發電機和汽輪機發電機組相對獨立、分開布置，設備與系統都比較復雜，占地面積較大。

熱電聯產項目供熱的可靠性要求很高。單軸布置發電機尾置方案，一旦燃機或發電機故障或檢修，則整套機組必須停運，降低了供熱的可靠性。單軸布置發電機中置方案，3S離合器使燃機和汽輪機分開運行，但增加機組投資和發電機檢修的難度，同時單臺發電機降低了機組的可靠性。多軸布置方案，當一臺發電機進行檢修時，另一臺發電機均可正常運行，預熱鍋爐不必隨汽輪機、發電機的檢修而停運，提高了機組供熱的可靠性，同時可使能源站運行靈活、效率高。因此，軸系布置方案推薦采用多軸聯合循環。

5 結論

通過對各類燃機聯合循環機組進行全面比較，小型煤礦區天然氣分布式能源站的主機設備選型推薦如下：燃氣輪機從國內外適合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的機型中選取，并配置燃機發電機;余熱鍋爐采用自然循環、臥式、雙壓余熱式，蒸汽壓力根據供熱蒸汽需求確定，并采用國產品牌;蒸汽輪機采用抽凝、抽背或背壓式，并采用國產品牌;軸系布置方案采用多軸聯合循環式。

參考文獻：

[1]國家發展改革委，財政部，住房城鄉建設部，等.關于發展天然氣分布式能源的指導意見（發改能源〔2011〕2196號）[EB/OL].（2011-11-14）[2021-04-01].http：//www.gov.cn/gzdt/2011-10/13/content_1968820.htm.

[2]國家能源局.燃氣分布式能站設計規范：DL/T 5508—2015[S].北京：中國電力出版社，2015.

[3]國家發展改革委，國家能源局，財政部，等.關于印發《熱電聯產管理辦法》的通知（發改能源〔2016〕617號）[EB/OL].（2016-03-22）[2021-04-01].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-05/22/content_5075607.htm.

[4]國家計委，國家經貿委，建設部.熱電聯產項目可行性研究技術規定（計基礎〔2001〕26號）[EB/OL].（2001-01-11）[2021-04-01].https：//www.doc88.com/p-6327801034651.html？r=1.

[5]荊永昌.800 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組單軸和多軸配置的比較[J].中國電力，2014（5）：102-106.