摘 要

摘　要：闡述區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的特點和原理，結合某冷熱電聯(lián)供工程，根據(jù)冷熱負荷，研究區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的主機選型方案，進行方案對比，得出推薦方案。關鍵詞：分布式能源； 冷熱

摘　要：闡述區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的特點和原理，結合某冷熱電聯(lián)供工程，根據(jù)冷熱負荷，研究區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)的主機選型方案，進行方案對比，得出推薦方案。

關鍵詞：分布式能源；  冷熱負荷；  裝機方案；  冷熱電聯(lián)供

Comparison between Installation Schemes of Regional Distributed Energy System

Abstract：The characteristics and principle of the regional distributed energy system are expounded．The selection schemes of main equipment for the regional distributed energy system are studied according to the cold and hot load of a coolin9，heat and power cogeneration project，the scheme comparison are made，and the recommend scheme is obtained．

Keywords：distributed energy：cold and hot load；installation scheme；coolin9，heat and power cogeneration

 

1　區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)特點和原理

1.1　概述

國內(nèi)具有代表性的分布式能源主要有如下兩種：第一種是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式直接安裝在用戶端，可以獨立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)，能源包括太陽能、風能、燃料電池和燃氣冷、熱、電三聯(lián)供等多種形式。第二種是指安裝在用戶端的能源系統(tǒng)，一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔；二次能源以分布在用戶端的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)為主，其他能源供應系統(tǒng)為輔，將電力、熱力、制冷與蓄能技術結合，直接滿足用戶多種需求，實現(xiàn)能源梯級利用，并通過公用能源供應系統(tǒng)提供支持和補充，實現(xiàn)資源利用最大化。

目前國內(nèi)應用比較廣泛的燃氣冷熱電三聯(lián)供形式按照其應用規(guī)模分為區(qū)域性和樓宇式系統(tǒng)。

1.2　區(qū)域性分布式能源特點

區(qū)域性分布式能源主要采用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站作為分布式能源系統(tǒng)的能源中心，主機采用燃氣輪機發(fā)電機組、余熱鍋爐和蒸汽輪機發(fā)電機組。一般按照“以熱定電”的原則，根據(jù)區(qū)域內(nèi)冷熱負荷的大小確定燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的裝機容量。區(qū)域性分布式能源覆蓋的能源供給范圍相對較廣，區(qū)域內(nèi)冷、熱負荷比較大，因此，單機容量相對較大為宜，這樣有利于增加和提高分布式能源站的規(guī)模和效率。

區(qū)域性分布式能源接近負荷中心，不需要建設大電網(wǎng)進行遠距離高壓或超高壓輸送，可以大大減小線損，節(jié)省輸配電建設投資額和運行費用；由于高效利用燃氣輪機發(fā)電后排氣的廢熱，實現(xiàn)了能源的梯級利用。與傳統(tǒng)的集中式能源相比，分布式能源能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能源綜合利用率。目前，分布式能源的一次能源綜合利用效率可達70％～90％。分布式能源低排放，對大氣環(huán)境影響小。與燃煤電廠比，基本沒有二氧化硫排放，氮氧化物的排放量降低80％，二氧化碳排放量降低50％以上。區(qū)域性分布式能源把工業(yè)與民用冷、熱、電結合起來聯(lián)供，雖然聯(lián)供參數(shù)高低不一，系統(tǒng)復雜，但有利于能源的梯級利用，實現(xiàn)集中供應能源，減少重復投資，優(yōu)化社會資源，且大大地提高了能源的利用效率，減少了大氣污染物的排放量^[1]。

1.3　區(qū)域性分布式能源系統(tǒng)原理

采用天然氣為燃料的區(qū)域性分布式能源，一般采用燃氣輪機發(fā)電機組作為發(fā)電設備，燃氣輪機由壓氣機、燃燒室、透平組成。壓氣機從大氣吸入空氣，并把它壓縮到一定壓力，然后進入燃燒室與噴入的燃料混合、燃燒，形成高溫煙氣。具有做功能力的高溫煙氣進入透平膨脹做功，推動透平轉(zhuǎn)子帶著壓氣機一起旋轉(zhuǎn)，并同時帶動發(fā)電機輸出電能，從而把燃料中的化學能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。煙氣在透平中膨脹做功，其壓力和溫度都逐漸下降，最后煙氣進入余熱鍋爐，在余熱鍋爐內(nèi)煙氣與水換熱形成蒸汽，蒸汽進入蒸汽輪機用于發(fā)電。部分蒸汽通過蒸汽輪機的抽汽進入分汽缸，其中一部分蒸汽直接由分汽缸供給蒸汽用戶；另一部分蒸汽通過溴化鋰制冷機組生產(chǎn)冷水提供制冷負荷；還有一部分蒸汽通過換熱器提供供暖負荷。余熱鍋爐的尾部煙氣通過換熱器提供生活熱水負荷^[2]。典型分布式能源冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)流程見圖1。

 

2　工程案例

2.1　項目背景

本文對我國華南地區(qū)某區(qū)域性分布式能源項目進行案例分析，主要對該分布式能源的裝機方案進行分析。項目覆蓋區(qū)域占地面積約60km²，區(qū)域內(nèi)冷熱用戶主要為生物醫(yī)藥類企業(yè)、電子產(chǎn)品加工生產(chǎn)類企業(yè)、醫(yī)院、大型生活社區(qū)等。城市天然氣管網(wǎng)的供氣壓力為3.2MPa?，F(xiàn)有蒸汽負荷均由各用戶采用燃氣鍋爐自行供給，冷負荷一般采用電制冷機組提供，能源利用效率低，能耗成本高。

2.2　裝機方案研究

區(qū)域性分布式能源具有工業(yè)與民用冷熱電相結合聯(lián)供、聯(lián)供范圍廣、多媒供應等特點，系統(tǒng)運行安全性、可靠性非常重要。因此，主機選擇時除優(yōu)先考慮單機容量適中、技術比較先進外，還須考慮燃氣輪機天然氣供應系統(tǒng)的通用性、主機運行的可靠性、大中修的方便性、環(huán)保要求的適應性^[3]。

2．2．1冷熱電負荷確定

按照“以熱定電”的原則，通過本工程的冷熱負荷分析，系統(tǒng)設計供熱能力擬滿足近期全部工業(yè)最大用汽量(101.69t／h)，對外供熱蒸汽管網(wǎng)的凝結水不考慮回收；空調(diào)制冷的最大負荷為111.53MW；通過對冷熱負荷的分析，本工程的工業(yè)蒸汽負荷與制冷負荷同時利用系數(shù)為0.75；生活熱水日平均負荷為33.64MW；本工程不考慮冬季供暖負荷；過渡期不需要考慮空調(diào)制冷負荷；實際運行根據(jù)機組特性和各類負荷變化統(tǒng)一調(diào)整，根據(jù)熱負荷情況本工程裝機容量為300MW級，電力負荷作為附屬產(chǎn)品通過變電站送入電網(wǎng)，將來在政策條件允許的情況下可以考慮對用戶直供電。

2．2．2主機選型分析

采用天然氣作為燃料的分布式能源系統(tǒng)的核心設備是燃氣發(fā)電裝置，目前常選用的主機設備有內(nèi)燃機、輕型燃氣輪機和重型燃氣輪機。其中內(nèi)燃機(功率一般比較小)和中小功率的輕型燃氣輪機適應于樓宇式分布式能源站；而中小功率的重型燃氣輪機和大功率的輕型燃氣輪機可用于區(qū)域性分布式能源。

輕型燃氣輪機結構緊湊，體積小，重量輕，設備部件精度高，還具有啟停迅速，單循環(huán)熱效率較高的特點。但是輕型燃氣輪機的壽命較短，功率比較小，運行環(huán)境條件要求苛刻，特別是排氣流量小，煙氣溫度較低，聯(lián)合循環(huán)運行時，余熱鍋爐產(chǎn)汽量少，故蒸汽輪機的發(fā)電功率和供熱量均較小，對熱、電、冷三聯(lián)供項目來說，其供熱能力低。另一方面，輕型燃氣輪機造價較高，并且設備部件要求精度高，設備氏時間運行可靠性較差，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。另外，燃用天然氣的輕型燃氣輪機對天然氣的供氣壓力要求很高，如：LM6000PF型燃氣輪機要求機前進氣壓力為4.6MPa。因此，該類型燃氣輪機對區(qū)域性分布式能源雖不很適應，但仍是一種選擇。

重型燃氣輪機是專門為陸用發(fā)電而開發(fā)設汁的，其特點是設備體積和重量較大，對燃料的適應性較強，燃用天然氣時其天然氣供氣壓力為2.5～3.0MPa，適應我國目前城市電站供氣壓力等級。聯(lián)合循環(huán)運行時，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較大，能夠提高蒸汽輪機功率及供熱量。雖然該類燃氣輪機單循環(huán)效率略低于輕型燃氣輪機，但聯(lián)合循環(huán)熱效率卻高于輕型燃氣輪機。另外，其設備的檢修間隔周期也較長。如：PG6111FA(以下簡稱6FA)型燃氣輪機除了具有單機容量適中、供熱能力強、技術比較先進外，燃氣輪機天然氣進氣壓力通用性好、主機運行的可靠性、大修方便性、環(huán)保性能和對噪聲治理的適應性也很好。在目前的技術條件下，中小功率的重型燃氣輪機應是城市區(qū)域性分布式能源選擇的主要目標之一。

從目前國際、國內(nèi)燃氣輪機市場情況看，適應于我國區(qū)域性分布式能源的中型燃氣輪機(代表性的)有2類4種，即：

一類是重型燃氣輪機，如：通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的PG6111FA型燃氣輪機和南京汽輪機有限公司生產(chǎn)的PG65018型燃氣輪機。

另一類是輕型燃氣輪機，如：通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的LM6000PF型和LM2500型燃氣輪機。

根據(jù)冷熱負荷特性分析結果，結合中、遠期規(guī)劃預測負荷，整體考慮冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)化和裝機方案的合理性，本工程考慮兩種裝機方案及相應的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱系統(tǒng)。

①方案一

以6FA型燃氣輪機為基礎，共設置2套裝機系統(tǒng)，其中1套系統(tǒng)由2臺燃氣輪機+2臺余熱鍋爐+1臺抽凝式汽輪機組成，另1套系統(tǒng)由l臺燃氣輪機+1臺余熱鍋爐+1臺背壓式汽輪機組成。2種組態(tài)構成2套燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組形成的能源站系統(tǒng)。

a．燃氣輪機主要技術參數(shù)如下：

制造商及型號：GE公司6FA型；

型式：單軸，重型，軸排氣，快裝式；

額定功率：74.09MW；

排氣量：737.4t／h；

排煙溫度：602.9℃；

熱耗率：10268kJ／(kW·h)。

b．余熱鍋爐主要技術參數(shù)如下：

型式：雙壓，無補燃型；

高壓主蒸汽絕對壓力：9.8MPa；

高壓主蒸汽溫度：538℃；

高壓主蒸汽質(zhì)量流量：110t／h；

低壓主蒸汽絕對壓力：0.9MPa；

低壓主蒸汽溫度：275℃；

低壓主蒸汽質(zhì)量流量：15t／h。

c．抽凝式汽輪機主要技術參數(shù)如下：

型式：雙壓，單軸，下排氣，單抽式；

純凝工況額定功率：74.9MW；

高壓蒸汽進汽絕對壓力：9.8MPa；

高壓蒸汽進汽溫度：536℃；

高壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：220t／h；

低壓蒸汽進汽絕對壓力：0.8MPa；

低壓蒸汽進汽溫度：270℃；

低壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：30t／h；

抽汽絕對壓力：1.0MPa；

抽汽溫度：280℃；

額定抽汽質(zhì)量流量：77.55t／h。

d．背壓式汽輪機主要技術參數(shù)如下：

型式：單壓，單軸，下排式；

額定功率：16.05MW；

高壓蒸汽進汽絕對壓力：9.8MPa；

高壓蒸汽進汽溫度：536℃；

高壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：110t／h；

排汽絕對壓力：1.0MPa；

排汽溫度：280℃。

②方案二

以LM6000PF型燃氣輪機為基礎，共設置3套裝機系統(tǒng)，其中有2套采用相同的裝機系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由2臺燃氣輪機+2臺余熱鍋爐+1臺抽凝式汽輪機組成；另外1套系統(tǒng)由2臺燃氣輪機+2臺余熱鍋爐+1臺背壓式汽輪機組成。2種組態(tài)構成3套燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組形成的能源站系統(tǒng)。

a．燃氣輪機主要技術參數(shù)如下：

制造商及型號：GE公司LM6000PF型：

型式：單軸，航改型，軸排氣，快裝式；

額定功率：43.26MW；

排氣量：448.6t／h；

排氣溫度：458.7℃；

熱耗率：9103kJ／(kW·h)。

b．余熱鍋爐主要技術參數(shù)如下：

型式：雙壓，無補燃型；

高壓主蒸汽絕對壓力：5MPa：

高壓主蒸汽溫度：440℃；

高壓主蒸汽質(zhì)量流量：42t／h：

低壓主蒸汽絕對壓力：0.7MPa：

低壓主蒸汽溫度：207℃；

低壓主蒸汽質(zhì)量流量：13t／h。

c．抽凝式汽輪機主要技術參數(shù)如下：

型式：雙壓，單軸，下排氣，單抽式；

純凝工況額定功率：24.49MW；

高壓蒸汽進汽絕對壓力：4.8MPa；

高壓蒸汽進汽溫度：438℃；

高壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：84t／h；

低壓蒸汽進汽絕對壓力：0.6MPa：

低壓蒸汽進汽溫度：205℃；

低壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：26t／h；

抽汽絕對壓力：1.0MPa；

抽汽溫度：280℃；

額定抽汽質(zhì)量流量：25.3t／h。

d．背壓式汽輪機主要技術參數(shù)如下：

型式：單壓，單軸，下排式；

額定功率：8.72MW；

高壓蒸汽進汽絕對壓力：4.8MPa：

高壓蒸汽進汽溫度：438℃；

高壓蒸汽進汽質(zhì)量流量：84t／h；

排汽絕對壓力：1.0MPa；

排汽溫度：280℃。

2．2．3原則性熱力系統(tǒng)

本工程燃氣輪機按6FA和LM6000P11兩種機型考慮，與國產(chǎn)余熱鍋爐及國產(chǎn)蒸汽輪機發(fā)電機組構成聯(lián)合循環(huán)供熱機組。余熱鍋爐采用雙壓、無補燃、臥式自然循環(huán)鍋爐，蒸汽輪機分別采用抽凝式汽輪機和背壓式汽輪機。系統(tǒng)對外提供l50℃生活熱水負荷(利用余熱鍋爐尾部煙氣通過換熱器獲取)、1.0MPa飽和蒸汽負荷(由抽凝式汽輪機和背壓式汽輪機供給)以及冷負荷(利用蒸汽通過溴化鋰制冷機組制冷，本工程每1t／h的蒸汽可轉(zhuǎn)換成約0.93MW冷負荷)。

2.3　裝機方案對比

能源站采用6FA型燃氣輪機時，只需在廠區(qū)內(nèi)建一座天然氣調(diào)壓站，對廠外天然氣主干管來氣起調(diào)壓、計量等作用，以滿足燃氣輪機進氣要求。能源站采用LM6000PF型燃氣輪機時，需在廠區(qū)內(nèi)建一座天然氣升壓站，將城市天然氣管網(wǎng)的3.2MPa來氣升壓至4.8MPa，以滿足燃氣輪機進氣壓力要求。

考慮到最惡劣條件下，方案一中抽凝式汽輪機系統(tǒng)發(fā)生事故，方案二中有1套抽凝式汽輪機系統(tǒng)發(fā)生事故，兩個方案供熱可靠性分析見表1。

 

生活熱水負荷是通過余熱鍋爐尾部煙氣換熱獲取，方案一中6FA型燃氣輪機配套的l臺余熱鍋爐(單臺供生活熱水能力為37.2MW)尾部煙氣換熱量和方案二中LM6000PF型燃氣輪機配套的4臺余熱鍋爐(單臺供生活熱水能力為l2.96MW)尾部煙氣換熱量都能滿足生活熱水負荷的供給；汽輪機發(fā)生故障時，供應蒸汽量減少，優(yōu)先滿足工業(yè)蒸汽負荷，剩余部分蒸汽轉(zhuǎn)換成制冷負荷約31MW，通過備用電制冷補充約80MW以滿足最大空調(diào)制冷負荷；由表l可知兩種方案均能滿足最大工業(yè)蒸汽負荷101.69t／h，通過備用電制冷也能滿足最大空調(diào)制冷負荷111.53MW的要求。

兩種裝機方案的機組年平均工況熱平衡分析見表2。由表2可知，兩種方案在制冷期和過渡期均能滿足負荷需求。兩種裝機方案的全廠熱經(jīng)濟性指標見表3。

 

 

表3中，年總供熱量為年供工業(yè)蒸汽量及年供生活熱水負荷的總和；能源站采用天然氣作為燃料，天然氣的低熱值取37237.15kJ／m³，年平均能源綜合利用率為年總供熱量與年制冷量及年發(fā)電量之和與年消耗天然氣熱量之比。

本工程按照兩種裝機方案進行投資估算，方案一的工程靜態(tài)投資額為129366×10⁴元，單位造價為4130元/kW；工程動態(tài)投資額為134040×10⁴元，單位造價為4280元/kW。方案二的工程靜態(tài)投資額為l70395×10⁴元，單位造價為5370元／kW；工程動態(tài)投資額為178228×10⁴元，單位造價為5617元/kW。

2.4　對比結果

上述兩個方案經(jīng)技術經(jīng)濟比校，方案一比方案二具有以下優(yōu)勢：

①方案二結構緊湊，體積小，重量輕，但單位發(fā)電量造價比較高；本工程對場地面積限制不嚴格，因而方案一造價低的優(yōu)勢更加明顯。

②方案一燃氣輪機天然氣入口壓力要求較低，運行更為安全，且無需設立天然氣壓縮機，造價比方案二低，耗電量也低。

③方案一比方案二主機大修更方便、更經(jīng)濟。

④方案一(可室內(nèi)布置)比方案二(不能室內(nèi)布置)在噪聲治理方面有更好的適應性。

從裝機方案及其供熱系統(tǒng)的構成模式和總平面布置看，方案一和方案二都是可行的。從總體上和長遠供熱的角度看，方案一具有明顯優(yōu)勢，特別是考慮到燃氣輪機天然氣進氣壓力的通用性與安全性、主機大修的方便性與經(jīng)濟性以及對場地與噪聲治理的適應性和發(fā)展的持續(xù)性等因素，本工程推薦方案一。

 

參考文獻：

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[3]江億，付林，李輝．天然氣熱電冷聯(lián)供技術及應用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：27-53．

 

本文作者：姜福長  胡俊強

作者單位：中機國際工程設計研究院有限責任公司電力工程所