摘　要：介紹燃氣分布式能源系統(tǒng)配置。對燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組性能(性能參數(shù)、變工況特性、余熱特性、燃氣進氣壓力)、經(jīng)濟性等進行比較。

關鍵詞：分布式能源系統(tǒng)；  燃氣輪機發(fā)電機組；  燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組；  經(jīng)濟性

Analysis on Performance and Economy of Gas Turbine and Gas Engine Generator Units

Abstract：The configuration of gas distributed energy system is introduced．The performance of gas turbine generator unit including performance parameters，variable conditions characteristics，waste heat characteristics and gas inlet pressure as well as the economy are compared with gas engine generator unit．

Keywords：distributed energy system：gas turbine generator unit；gas engine generator unit；eeonomy

1　概述

燃氣分布式能源系統(tǒng)(以下簡稱分布系統(tǒng))是指布置在用戶附近，以天然氣為主要一次能源，采用發(fā)電機組發(fā)電，并利用發(fā)電余熱進行供冷、供熱的能源系統(tǒng)^[1-11]。主要設備包括發(fā)電機組、余熱利用裝置等，作為動力設備的發(fā)電機組是分布系統(tǒng)的關鍵。

分布系統(tǒng)通常采用的發(fā)電機組為燃氣輪機發(fā)電機組(以下簡稱燃氣輪機組)、燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組(以下簡稱內(nèi)燃機組)。燃氣輪機組是以連續(xù)流動氣體為工質(zhì)，將熱能轉化為機械能的旋轉式動力設備，包括壓氣機、燃燒室、透平、輔助設備等，具有結構緊湊、操作簡便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在分布系統(tǒng)中應用的主要是發(fā)電功率范圍為25～20000kW的微型、小型燃氣輪機組。

內(nèi)燃機組是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內(nèi)部燃燒并產(chǎn)生動力的設備，是一種將熱能轉化為機械能的熱機，具有體積小、熱效率高、啟動性能好等優(yōu)點，發(fā)電功率范圍為5～18000kW。美國不同規(guī)模分布系統(tǒng)的發(fā)電機組發(fā)電功率見表1^[12]。

由表1可知，對于發(fā)電功率小于1MW的分布系統(tǒng)，內(nèi)燃機組比例較大，這是由于發(fā)電功率在1MW以下時，燃氣輪機組的發(fā)電效率較低，經(jīng)濟性較差，因此多選用內(nèi)燃機組。對于發(fā)電功率范圍為1～5MW的分布系統(tǒng)，燃氣輪機組的數(shù)量約為內(nèi)燃機組的50％。對于發(fā)電功率大于5MW的分布系統(tǒng)，燃氣輪機組比例超過內(nèi)燃機組，這是由于當發(fā)電功率較高時，燃氣輪機組的發(fā)電效率較高，若進一步采用燃氣輪機組一蒸汽聯(lián)合循環(huán)，分布系統(tǒng)的發(fā)電效率、調(diào)節(jié)靈活性、經(jīng)濟效益都將進一步提高^[12]。

2　分布系統(tǒng)配置

分布系統(tǒng)一般包括動力設備(主要為發(fā)電機組)、余熱利用設備(主要為帶補燃的余熱鍋爐、換熱設備、帶補燃的吸收式冷熱水機組等)、供配電設備(主要為電控設備等)、燃氣供應設備、監(jiān)控裝置等，常規(guī)配置見圖1。在實際設計中，應根據(jù)發(fā)電機組特性、用戶需求(熱電比、冷熱負荷特性)等多方面因素合理配置分布系統(tǒng)，以實現(xiàn)能源的高效經(jīng)濟利用。

動力設備對分布系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用，其排放的余熱被下游的余熱利用設備回收利用，成為分布系統(tǒng)的驅動源頭。一般情況下，當負荷主要為冷熱負荷時，余熱利用設備宜采用吸收式冷熱水機組；當負荷主要為蒸汽或熱水負荷時，余熱利用設備宜采用余熱鍋爐及換熱設備。

3　發(fā)電機紐性能比較

①性能參數(shù)

燃氣輪機組與內(nèi)燃機組熱電輸出特性將影響分布系統(tǒng)的性能，兩種品牌不同型號小型燃氣輪機組與內(nèi)燃機組的性能參數(shù)分別見表2、3。由表2、3可知，小型燃氣輪機組適用于較大規(guī)模的分布系統(tǒng)，內(nèi)燃機組適用于較小規(guī)模的分布系統(tǒng)。相近發(fā)電功率下，內(nèi)燃機組的發(fā)電效率比小型燃氣輪機組高，但前者的排煙溫度較低。此外，與內(nèi)燃機組相比，燃氣輪機組性能受海拔和環(huán)境溫度影響較大^[13-14]，但在確定廠址的前提下，負荷變化對兩種發(fā)電機組性能的影響較為突出。

②變工況特性

在分布系統(tǒng)中，發(fā)電機組常運行在部分負荷狀態(tài)下，其變工況特性對分布系統(tǒng)綜合性能影響較大。以發(fā)電功率均為3MW的燃氣輪機組、內(nèi)燃機組為例，熱效率、發(fā)電效率隨負荷率的變化見圖2^[12]。由圖2可知，隨著負荷率的降低，兩種發(fā)電機組的發(fā)電效率均呈現(xiàn)下降趨勢，但內(nèi)燃機組的發(fā)電效率比燃氣輪機組高10％(絕對值)左右。燃氣輪機組的熱效率明顯高于內(nèi)燃機組，前者的熱效率隨著負荷率的降低而降低，后者的熱效率隨著負荷率的降低有上升趨勢。由以上分析可知，盡管兩種發(fā)電機組在額定工況下具有大致相同的熱電總效率(熱效率與發(fā)電效率之和)，但內(nèi)燃機組的變工況特性更優(yōu)。

③余熱特性

a．燃氣輪機組

微型燃氣輪機組的煙氣溫度較低，集中在300℃左右，主要用于制冷、供暖、制備生活熱水，少數(shù)情況用于生產(chǎn)低壓蒸汽。小型燃氣輪機組的煙氣溫度較高，煙氣溫度在500℃以上的機組占68.5％，煙氣溫度在450℃以上的機組占93.8％，主要用于生產(chǎn)高壓蒸汽，除直接利用及利用蒸汽型吸收式冷水機組制冷外，還可推動蒸汽輪機發(fā)電機組發(fā)電，組成燃氣輪機組一蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

b．內(nèi)燃機組

與燃氣輪機組的余熱全部體現(xiàn)在煙氣不同，內(nèi)燃機的余熱分為兩部分：一部分為缸套冷卻水余熱，是為保證燃氣內(nèi)燃機正常工作溫度，通過冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，溫度較低；另一部分為煙氣余熱，是燃料燃燒做功后煙氣攜帶的熱量，煙氣溫度基本介于微型與小型燃氣輪機組之間。由于缸套冷卻水溫度較低，主要用于供熱、制備生活熱水，煙氣可用于驅動吸收式冷水機組及生產(chǎn)蒸汽外輸。

④燃氣進氣壓力^[15]

一般情況下，發(fā)電機組燃氣進氣壓力由低到高的順序為：內(nèi)燃機組，微型燃氣輪機組，小型燃氣輪機組。小型燃氣輪機組進氣壓力比較大，一般為高壓或次高壓，因此需要增設燃氣壓縮機，而燃氣壓縮過程需要消耗大量能量，影響到小型燃氣輪機的實際輸出功率，一些項目甚至需要消耗小型燃氣輪機15％～20％的輸出功率。內(nèi)燃機組與微型燃氣輪機組燃氣進氣壓力較低，通常為低壓或中壓。

4　經(jīng)濟性

目前，相同發(fā)電功率的燃氣輪機組、內(nèi)燃機組的使用壽命、大修間隔時間基本相同，內(nèi)燃機組的單位發(fā)電功率運行維護費用略高于燃氣輪機組，但單位發(fā)電功率造價約為燃氣輪機組的50％。此外，對于具體的分布系統(tǒng)，經(jīng)濟性還與全年負荷波動、當?shù)啬茉磧r格以及環(huán)保要求等指標有關。

為避免補燃和余熱排空現(xiàn)象的發(fā)生，一般根據(jù)用戶需求選擇發(fā)電機組類型和容量，從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟效益。當建筑冷熱負荷全年波動較大，導致不得不采用補燃或余熱部分排空方式進行調(diào)節(jié)時，分布系統(tǒng)經(jīng)濟性勢必受到一定影響。

左政等人^[12]以發(fā)電功率分別為1、3MW的燃氣輪機、內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)作為研究對象，對兩種分布系統(tǒng)在不同熱電比下的一次能源消耗量進行比較。研究結果表明，對于發(fā)電功率為3MW的分布系統(tǒng)，若用戶余熱需求在兩種發(fā)電機組最大可利用余熱量之間變化時，內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)在大部分區(qū)域比燃氣輪機組分布系統(tǒng)節(jié)能，只有當余熱需求接近燃氣輪機組最大可利用余熱量時，燃氣輪機組分布系統(tǒng)才比內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)節(jié)能。對于發(fā)電功率為1MW的分布系統(tǒng)，在任意情況下內(nèi)燃機組分布系統(tǒng)均比燃氣輪機組分布系統(tǒng)的整體性能優(yōu)。

此外，還應考慮后期維護所需人工費用對運行費用的影響。以歐洲某品牌內(nèi)燃機組為例，外派維修人工費用約700歐元／d。

參考文獻：

[1]WU D W，WANG R Z．Combined coolin9．heating and power：A review[J]．Progress in Energy and Combustion Science，2006(5／6)：459-495．

[2]馮繼蓓，高峻，楊杰，等．樓宇式天然氣冷熱電聯(lián)供技術在北京的應用[J]．煤氣與熱力，2009，29(3)：A10-A13．

[3]張云飛．杭州市推廣天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的可行性[J]．煤氣與熱力，2007，27(2)：67-69．

[4]楊俊蘭，馮剛，馬一太，等．樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的應用[J]．煤氣與熱力，2007，27(1)：56-59．

[5]柴沁虎，耿克成，付林，等．我國發(fā)展燃氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(6)：53-54．

[6]蘭麗，張泠，顧登峰．建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展[J]．煤氣與熱力，2006，26(1)：49-53．

[7]龔希武，李艷紅，胡國新，等．我國天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展及障礙[J]．煤氣與熱力，2004，24(6)：350-352．

[8]郝小禮，張國強．建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)綜述[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：67-73．

[9]段潔儀，馮繼蓓，梁永建．樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供技術及應用[J]．煤氣與熱力，2003，23(6)：337-341

[10]王麗，魏敦崧．天然氣分布式能源系統(tǒng)的應用[J]．煤氣與熱力，2006，26(1)：46-48．

[11]胡小堅，王忠平，張雪梅，等．分布式天然氣CCHP系統(tǒng)應用研究現(xiàn)狀與前景[J]．煤氣與熱力，2011，31(4)：A04-A09．

[12]左政，華賁．燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較[J]．煤氣與熱力，2005，25(1)：39-42．

[13]左遠志，楊曉西，丁靜．微型燃氣輪機的生產(chǎn)廠商與性能影響因素[J]．煤氣與熱力，2007，27(3)：76-79．

[14]劉蜀清．內(nèi)燃機和燃氣輪機在發(fā)電領域的比較[J]．內(nèi)燃機，2002(4)：24-25．

[15]張丹，高頂云，郭甲生，等．分布式能源系統(tǒng)燃氣發(fā)電機組特性及選型原則[J]．煤氣與熱力，2013，33(10)：A20-A23．

本文作者：沈建鋒  張崗  楊世杰  劉偉  陳耀耀

作者單位：江蘇中核華緯工程設計研究有限公司