天然氣分布式能源的參數優化及經濟分析

田景欣

摘要：文章介紹了天然氣冷熱電聯供分布式能源項目的主機配置方案，著重分析了主蒸汽參數對于全廠性能及外部冷熱負荷的影響，發現隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，由余熱鍋爐產生的主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是低壓蒸汽流量隨之增加，汽輪機出力增加，全廠熱效率提高。通過以某一實際項目的外部條件為基準，分析了不同主蒸汽參數對項目經濟性的影響，結果發現提高主蒸汽參數會對該項目帶來非?？捎^的收益。結論認為，CCHP分布式項目的需要結合各項目自身冷熱負荷以及上網電價等因素進行技術經濟比較，最終確定最優的主蒸汽參數。

Abstract： This paper introduces the scheme of the host computer configuration for the distributed energy project of natural gas cogeneration. The influence of the main steam parameters on the performance of the whole plant and the external cooling and heating load is analyzed. It is found that with the increase of the main steam pressure and temperature， the main steam flow generated by the waste heat boiler is reduced and the heat supply capacity is reduced. However， the flow of low pressure steam increases， the output of the steam turbine increases， and the thermal efficiency of the whole plant is improved. The influence of different main steam parameters on the project economy is analyzed on the basis of the external conditions of a practical project. It is found that the improvement of the main steam parameters would bring considerable benefits to the project. It is concluded that the needs of the CCHP distributed project are compared with the technical and economic factors such as the self-heating and cooling load of the project and the feed-in tariff， and the optimal main steam parameters are finally determined.

關鍵詞：天然氣分布式；裝機方案；蒸汽參數優化；經濟比較

Key words： natural gas distribution；installed capacity；steam parameter optimization；economic comparison

中圖分類號：TM611.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0145-03

1 典型裝機方案

1.1 天然氣分布式能源概況

在以前相當長的時期內，我國的電力能源系統主要以大機組、大電廠、大電網以及長距離輸電的方式發展，該方式可以提高單元機組的發電效率，降低單位千瓦投資和發電成本。但由于發電技術和輸配電技術的限制，其達到終端用戶的一次能源利用率僅37%左右，大部分的能量會被浪費。

天然氣冷熱電聯供系統（冷熱電三聯供，即CCHP（Combined Cooling， Heating and Power））是分布式能源系統的一個主要分支，它利用天然氣作為一次能源，在發電的同時提供熱能和冷能的綜合能源供應系統。其最突出的優點是實現了能源的梯級利用，顯著提高了能源利用率，并且由于布置在能源負荷中心，輸電損耗很小，綜合能源利用率更可高達75～90%，是一種非常高效的能源利用方式。此外，由于在供能過程中僅僅排放極少的大氣污染物，對降低區域溫室氣體、大氣污染方面具有積極作用，屬于環境友好性的新一代清潔能源，具有巨大的經濟效益與社會效益。

在2012年10月國務院發布的《中國的能源政策（2012）》白皮書指出：“促進清潔能源分布式利用。中國堅持‘自用為主、富余上網、因地制宜、有序推進的原則，積極發展分布式能源。在能源負荷中心，加快建設天然氣分布式能源系統。以城市、工業園區等能源消費中心為重點，大力推進分布式可再生能源技術應用。”因此，天然氣分布式能源系統在我國有巨大的發展空間。

1.2 全廠聯合循環主機配置方案

1.2.1 系統流程

典型的天然氣冷熱電三聯供系統的流程圖如圖1所示。燃氣輪機首先利用天然氣進行發電，隨之產生的高溫煙氣進入余熱鍋爐繼續產生蒸汽，高壓蒸汽進入汽輪機發電，并為高壓蒸汽熱用戶提供熱能；同時，余熱鍋爐產生的低壓蒸汽可提供給溴化鋰制冷機制冷或提供給供熱站。該系統可以并入大電網，實現其與大電網互為備用電源的功能。

1.2.2 燃氣輪機

航改型燃氣輪機體積小，重量輕，設備部件精度高，單循環熱效率高，啟停迅速靈活且無壽命折損，同時NOx排放指標好，污染小，是一種非常適合冷熱電聯供分布式能源系統的燃氣輪機。

近年來，在國內以航改型燃氣輪機作為主設備的分布式能源中心已有多個項目投產運行。例如廣州大學城項目配置了P&W公司的FT8 SWIFT PAC60 機型，江西九江三聯供項目配置了GE公司的LM2500+G4機型，上海莘莊三聯供項目配置了GE公司的LM6000機型。這些項目自投產以來機組運行安全穩定，同時取得了良好的社會、環境及經濟效益，值得推廣及借鑒。由于GE公司和華電集團合資成立了華電通用輕型燃氣輪機有限公司，實現了設備的部分國產化，且GE的航改型燃氣輪機在國內運行業績較多，因此本文所分析的冷熱電聯供系統中，燃氣輪機選則GE的LM2500+G4航改型燃氣輪機。其主要技術參數見表1。

1.2.3 余熱鍋爐

對于30MW級燃氣輪機排氣溫度較高，且排氣流量較大，為追求高效率，優化的熱力系統采用蒸汽多壓化。同時熱電冷三聯供機組，供熱可靠性要求高，機組熱效率要求在70%以上，高壓蒸汽進入汽輪機做功，且低壓蒸汽可以作為低壓熱用戶端蒸汽型溴化鋰機組的驅動蒸汽（夏季）或管殼式汽水換熱器的熱源（冬季），進一步提高聯合循環機組的出力和效率。故本文采用自然循環，雙壓，不補燃余熱鍋爐。

1.2.4 蒸汽輪機

2016年3月22日國家發改委、能源局財政部、住建部和環保部聯合頒布的《熱電聯產管理辦法》指出：工業聯合循環項目可按“一抽一背”配置汽輪發電機組或采用背壓式汽輪機發電機組。另外《上海市熱電聯產發展探討》中也提到“熱電聯產最終規模中，背壓機組的容量應占裝機總容量的50%以上。”

根據汽機廠的反饋意見，背壓式汽輪機在80%-100%負荷范圍內機組熱耗與設計值偏差不大；當負荷率在70%-80%范圍內，機組熱耗偏離設計值較大，經濟性較差；當負荷率在70%以下，機組熱耗急劇下降，經濟性很差，而且末級葉片的磨損嚴重，長期運行會危及設備的安全可靠性。因此，當負荷率穩定在80%以上時，背壓式機組才能夠安全穩定經濟地運行。

因此，按項目投資建設規模為兩臺（套），則主機配置方案選擇一臺為背壓式機組，另一臺為抽凝式機組。背壓式機組承擔大部分的穩定的熱負荷，保證較高的運行效率，而抽凝機組的抽汽可以靈活地調節熱負荷的變化，保證供熱的靈活性。

2 聯合循環參數選擇

2.1 蒸汽參數選擇原則

雖然汽輪機在整個聯合循環系統中的功率占比不足總功率的1/3，但是由于采用蒸汽做工質，系統比燃氣輪機復雜，占地面積大，而且在三聯供系統中提供熱能和冷能，對經濟性影響也較大。因而，對于汽輪機熱力參數的選擇及汽水系統的設計仍需進行認真比較，體現科學性和經濟性。

聯合循環中，余熱鍋爐及汽輪機系統中的能量來源于燃氣輪機的余熱，使這部分余熱能最充分的利用，即使全廠的熱效率最大化應該是參數選擇的首要原則。其次，建設分布式能源項目的另一目的是滿足周邊用戶的冷熱負荷要求，使設計參數與需求相匹配，保證項目的可行性。所謂參數選擇與優化，就是在這兩者之間取得適當的平衡。

蒸汽的初溫由燃氣輪機的排氣溫度來決定。一般從燃氣輪機排氣端到蒸汽輪機進口的溫差為20～50℃。對適用于汽輪機的朗肯循環，蒸汽初參數的壓力與溫度之間有一個合適的配合關系，蒸汽的壓力即由這種關系確定。為便于在同一檔次內采用相同的材料、工藝和零部件以及試驗規范，各汽輪機主要制造廠商將汽輪機劃分為中壓、次高壓、高壓、壓臨界、超臨界和超超臨界等幾個檔次。對于30MW級別的燃氣聯合循環機組中的汽輪機，一般選用高壓和次高壓系列。

在選擇主蒸汽壓力時，一般需要考慮多方面因素的影響。一是對汽輪機功率的影響，即對余熱鍋爐產汽量和蒸汽在汽輪機中的絕對焓降的影響，一般原則是使蒸汽產量與焓降的乘積為最大。二是對汽輪機排汽濕度的影響。三是需要汽輪機的功率等級，當功率較小時，如壓力偏高，則進汽的容積流量較小，通流部分的噴嘴和動葉高度較短，二次流損失增加，內效率降低，故壓力不能選得太高。另外，最佳進汽壓力還與燃氣輪機的運行條件、燃料種類、煙氣成分、大氣環境、余熱鍋爐的布置形式等有關。

對于三聯供系統的雙壓蒸汽循環來說，隨著主蒸汽壓力的升高，由余熱鍋爐產生的主蒸汽流量是不斷降低的，但低壓蒸汽的流量卻是增加的。這不僅影響汽輪機的出力，而且影響冷熱負荷的供應。顯然，最佳參數的選擇是一個在余熱鍋爐出力、汽輪機性能以及外部冷熱負荷之間進行的最優化熱力計算過程。

2.2 不同蒸汽參數等級性能比較

根據上文的分析，本文選擇典型的由兩臺燃氣輪機（LM2500+G4），兩臺雙壓余熱鍋爐和兩臺蒸汽輪機（1臺抽凝機組，1臺背壓機組）組成2套聯合循環機組。

表2和圖2給出了該循環機組主蒸汽參數在不同等級下的機組性能參數與曲線。根據圖表可以看出，隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是全廠熱效率提高，汽輪機出力增加，低壓蒸汽流量也隨之增加。

3 經濟分析比較

3.1 經濟性影響因素分析

影響天然氣三聯供系統經濟效益的因素涉及多個方面。

首先，關于項目成本方面，天然氣CCHP供能系統項目的特點之一就是前期固定資產投入較大，占較大比例，因此天然氣冷熱電三聯供系統內各設備的價格會影響項目固定資產投資，從而影響項目的投資效益。其中，由于燃氣輪機的國產化率低，其成本在固定成本中占比很高。此外，天然氣的價格也是影響項目可變成本的主要因素。但是在本文討論的范圍內，由于燃氣輪機機型已選定，而且主蒸汽參數的變化也不影響天然氣耗量。由于主蒸汽參數對汽輪機和余熱鍋爐材料有影響，經咨詢設備廠，方案一和方案三的汽輪機成本差別約為400萬元，余熱鍋爐價格幾乎無差別。此外，主汽管道和輔機設備也幾乎無差別。

其次，關于經營性收入方面，由于主蒸汽參數改變會影響余熱鍋爐產汽量和汽輪機出力，從而影響營業收入，包括供電收入、供熱收入和供冷收入。

3.2 營業收入分析比較

由于各個分布式項目所在地區的上網電價和冷熱負荷市場價格差異較大，但目前該類型項目多建于經濟較發達同時有較大環保壓力的地區，本文以上海莘莊冷熱電三聯供項目的外部條件為基礎，進行經濟性分析，具有一定的代表意義。上海地區分布式能源平均上網電價0.674元/kWh，供冷價鉻：0.529元/kwh，含稅供熱價為250元/t。根據表2的數據，可以得出三個方案的營業收入差異，由表3可以看出，方案一較方案二年營業收入高275萬元，方案一較方案三年營業收入高1045萬元。

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3.3 經濟性分析

由上述數據可以得出，提高主蒸汽參數后，雖然汽輪機等設備的投資會增加約400萬元，但是每年的營業收入可以增加約1045萬元，只需要約0.5年即可收回增加的投資。由此可見，提高主蒸汽參數會對該項目帶來非常可觀的收益。

但是，由于各項目的實際外部條件不同，例如不同地區的上網電價不同，冷熱負荷價格不同，項目的設計熱負荷不同，因此對于具體項目均需要進行技術經濟性比較，同時滿足熱負荷的需求，才能最終確定適合項目本身的方案。

4 結論

①對于天然氣冷熱電三聯供系統的雙壓蒸汽循環來說，主蒸汽參數變化會影響余熱鍋爐蒸汽流量和汽輪機出力。

②隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，由余熱鍋爐產生的主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是低壓蒸汽流量隨之增加，汽輪機出力增加，全廠熱效率提高。

③隨著主蒸汽參數變化對項目投資及成本影響不大，但對營業收入影響較大。以上海地區為例，主蒸汽參數的提高有利于增強項目的經濟性指標。

④由于各項目實際外部條件不同，應綜合分析熱負荷、上網電價和市場冷熱負荷價格等，進行技術經濟性比較，最終確定適合項目本身的方案。

致謝：感謝華電-通用輕型燃氣輪機有限公司、杭州鍋爐集團、青能汽輪機發電有限公司及上海華電閔行能源有限公司提供的幫助與支持。

參考文獻：

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