分布式能源與燃氣輪機選型

王 濤

分布式能源與燃氣輪機選型

王 濤

分布式能源系統（DES，Distributed Energy System）是一種新型的能源系統，它一般建于用戶附近，減少了輸配系統投資和能量損失，是更高效、更可靠和更加環保的能源系統。當今的分布式能源系統主要是指用液體或氣體燃料的內燃機、微型或小型燃氣輪機和其他小型動力裝置，如燃料電池等為核心組成的總能系統。

分布式冷熱電聯供系統（DES/CCHP），即“第二代能源系統”，集燃氣輪機、燃氣內燃機、蒸汽輪機、吸收式冷熱水機、壓縮式冷熱水機、熱泵、吸收式除濕機和能源綜合控制體系等高新技術和設備為一體，對輸入能量及內部能流根據熱能品味進行綜合梯級利用，來達到更高能源利用率，減少二氧化碳及有害氣體排放。

1 燃氣輪機選型

1.1 機組選型原則

（1）按照“以熱定電”的原則，根據冷、熱負荷選擇合適的裝機方案，以取得較好的綜合效益。

（2）應綜合考慮供熱（冷）安全可靠，機組調節靈活，技術上經濟上先進合理。

（3）應考慮天然氣價格較貴的特點，盡可能選用高效率、起動快的機組，以充分利用能源，降低供熱（冷）供電價格。

（4）冷、熱負荷具有不確定性，機組選型應能適應一定冷、熱負荷變化的能力。

（5）選擇先進、成熟的標準系列產品，努力提高設備的國產化率。

（6）具有較佳的技術優勢和價格優勢。

1.2 主要供應商簡介

目前，世界上能設計和生產工業重型燃氣輪機的主導廠家有：美國GE公司、德國Siemens公司、法國Alstom公司、日本Mitsubishi公司和日本HITACHI公司。另外還有一些設計和生產輕型燃氣輪機的廠家，如美國P&W公司、美國Solar Turbines公司等。

（1）美國GE公司

美國GE公司是一家多元化公司，產品和服務范圍廣闊，從飛機發動機、發電設備、金融服務、水處理到醫療成像機媒體。GE公司是世界上最大的燃氣輪機生產廠家，它占有全世界70%的燃氣輪機市場，在設計經驗、價格和性能方面有很強的競爭力。LM2500+G4型和LM6000PF型均為航改型燃氣輪機，燃氣輪機發電功率分別可以達到30 MW和40 MW左右，單循環熱效率均高達40%左右，分別采用環形燃燒室和雙燃料干式低排（DLE）放燃燒技術，NOx排放量分別為25 ppm和15 ppm，啟停時間較短，可靠性高，但進氣壓力較高。

（2）日立公司

日立集團是一家知名的跨國綜合電氣企業，事業領域涉及電力及產業系統、信息通信系統、電子設備、數字媒體及家用電氣、高性能材料、物流及服務、金融服務等領域。日立集團在能源領域涉及火力發電系統、水力發電系統、風力發電系統、太陽能發電系統、核電系統以及SCR脫銷系統和電站控制系統等多領域。日立公司的燃氣輪機生產始于1966年，H25/H15燃氣輪機于1988年首臺開始商業運行。

（3）普惠公司

美國聯合技術公司是美國百強公司中2009年排名第40位的集團公司，年銷售額590億美元。旗下擁有普拉特·惠特尼發動機公司（普惠公司），奧梯斯電梯，開利空調，西科斯基直升機等著名品牌。普惠公司是世界上三大航空發動機制造商之一，而普惠動力系統公司（Pratt & Whitney Power Systems, PWPS）是普惠公司的地面動力系統分部，生產500 kW～60 MW的系列工業燃氣輪機，從上世紀60年代初開始生產工業燃氣輪機，至今已經生產各類工業燃氣輪機幾千臺套，是世界上輕型工業燃氣輪機的主要生產廠家之一。

FT8輕型工業燃氣輪機是普惠動力系統公司的主要產品，單臺ISO功率30 MW。FT8燃氣輪機的核心機來自普惠已經銷售了14 000多臺并累積運行1億多h的JT8D商用發動機。FT8燃氣輪機具有較高的效率、安裝簡便、占地小、啟動快速、部分負荷性能好和運行靈活等特點，廣泛用于發電（簡單循環和聯合循環）、熱電聯供和機械驅動。目前在世界上已經有400多臺FT8機組在運行，累計運行超過300萬h。

（4）西門子公司

總部位于柏林和慕尼黑的西門子公司是世界上最大的電子和電氣工程公司之一，主要業務集中在工業、能源和醫療領域。西門子能源是為整個能源轉換鏈提供全面解決方案的世界領先供應商，也為工業（特別是石油和天然氣行業）用戶提供全面系統的解決方案。西門子在能源業務領域上表現突出，下屬的6個業務集團均在市場中處于領先位置?；鹆Πl電集團為化石燃料發電提供高效的產品和解決方案，產品范圍涵蓋燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機以及“交鑰匙”電廠。可再生能源集團主要為風能和太陽能市場提供產品和解決方案。石油與天然氣集團為客戶提供用于石油天然氣開采、運輸和加工的系列產品與解決方案。能源服務集團為整座電廠和旋轉設備（如燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機和壓縮機等）提供綜合性服務，其中包括運營、維護和現代化服務。輸電集團是高壓領域的領先產品與解決方案供應商，是高壓直流系統領域的技術領軍者。配電集團通過智能網絡系統提高了能源系統的效率。該集團提供創新的中壓設備和系統、能源自動化高效解決方案以及電力系統和網絡的服務。SGT-600型燃氣輪機發電功率達24 MW，單循環效率達33.3%，排氣溫度較高，適合熱電聯產及聯合循環應用。

（5）索拉公司

索拉透平國際有限公司是卡特彼勒公司的獨資公司。索拉是世界領先的工業用燃氣輪機和渦輪機成套設備制造企業，其產品功率范圍為1 000～22 000 kW。索拉透平公司的產品還包括天然氣壓縮機、燃氣輪機發電機和壓縮機組以及燃氣輪機機械驅動裝置。目前,索拉在中國安裝了超過176臺機組,這些機組被中海油、中國石油以及中石化廣泛地用在油田電站和天然氣管線增壓站上。

1.3 主要燃氣輪機型號單循環性能比較

考慮到分布式能源項目的特點，容量小，靠近冷熱用戶，輸送距離短；相配套的燃氣輪機出力較小，本文選取5家公司具有代表意義的燃機型號進行比選，詳見表1。

對表1的數據經初析，可有3點結果。

（1）航改型的燃氣輪機比工業重型燃氣輪機壓比大，入口天然氣壓力高，會增加廠用電率。

（2）航改型的燃氣輪機在ISO工況單循環的熱耗比工業重型燃氣輪機低；效率比工業重型機高。

（3）燃氣輪機排氣能量，航改型燃氣輪機比工業重型燃氣輪機小。即航改型燃氣輪機比工業重型燃氣輪機余熱利用的潛力小。

1.4 航改型燃氣輪機和工業重型燃氣輪機的比較

為了減少篇幅，便于闡述，本文選取GE公司的航改型燃機LM2500+G4與日立公司的工業重型燃機H25進行比較。

（1）燃氣輪機入口的天然氣壓力

在燃氣輪機選型時要注意設備要求的天然氣進氣壓力。天然氣的進氣壓力應盡可能在天然氣管網能提供的壓力范圍內，以減少投資和廠用電的消耗。

由于GE公司的LM2500+G4的進氣壓力為3.8MPa，日立的H25進氣壓力為2.2～2.5 MPa。對于同樣的天然氣管網壓力，有可能出現采用日立的H25燃氣輪機可以不設置增壓站，而采用GE公司的LM2500+G4則必須設增壓機。增壓機會帶來額外的廠用電消耗，以及場地布置上需采取相應的防爆措施，所以在選擇航改型燃機時需要注意這方面因素的影響。

（2）大氣溫度的變化對機組的出力、熱耗以及排氣參數的影響

大氣溫度的變化對GE公司的LM2500+G4和日立的H25燃機出力、熱耗、排氣溫度以及排氣流量的曲線見圖1～圖4。

從圖1～圖4可以看出，隨著溫度的升高，GE公司的LM2500+G4出力下降較快，但熱耗下降較慢。相比之下，日立公司的排氣溫度和排期流量變化較為緩慢。

（3）熱端部件的更換周期

GE公司提出機組運行4 000 h需進行內窺鏡檢查（停機8～12 h）；25 000 h需進行熱部件檢修（停機3 d），更換費用約150～300萬美元；50 000 h大修，發動機更換，更換費用約300～500萬美元。

表1 主要燃氣輪機型號單循環性能比較

圖1 大氣溫度與燃機出力的變化曲線

圖2 大氣溫度與燃機熱耗的變化曲線

圖3 大氣溫度與排氣溫度的變化曲線

GE公司LM2500+G4 50 000 h（6 a）大修，更換發動機，日立的H25運行64 000 h（8 a）開缸進行大修。

（4）長期服務維護的合同費用

GE公司提出一般合同期為12 a，覆蓋2個大修期。服務包括合同期內的計劃性和非計劃性（有一定的上限）對維修備件及服務。合同按初始費用、月固定費用及燃燒時數費用進行收費。如果現場備有發動機或客戶參與租用發動機合同可以保證95%的可用率。整體的費用大約0.023～0.028元/kWh，根據合同內容而定。

圖4 大氣溫度與排氣流量的變化曲線

日立公司的H-25燃氣輪機的小/中/大修的保養維護的參考費用為0.013元/kWh。根據業主的條件、范圍、時期等要求的不同，費用會有相應變動。

（5）燃機經濟性比較

燃機經濟性主要與項目運營參數（年運行小時數和項目經營期）、生產運行參數（全廠聯合循環效率及氣價等）、繳付費用、工程造價、折舊、維護費用、融資條件、稅收及法定費率等條件有關。

一般在最終電價中，各種因素所占權重各不相同。經初步估算，工程造價約占電價權重的5%，全年發電量和供熱量約占電價權重的80%，維護費用可視為能直接計入電價。表2為根據某項目的相關基礎數據估算出兩款燃機的主要經濟數據對照表。

表2 兩款燃機的經濟數據對照表

由表2可知，在各類基礎性數據不變的情況下，針對供熱工況，日立公司的H-25燃氣輪機經濟性比GE公司的LM2500+G4燃氣輪機高，測算平均含稅上網電價稍低。

（6）工業重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機比較匯總

工業重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機的性能參數比較見表3。

2 裝機方案選擇

表3 工業重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機比較匯總表

2.1 聯合循環熱力系統選擇

實用的燃氣輪機—汽輪機聯合循環發電裝置（簡稱聯合循環）從熱力循環系統的角度來分主要有以下5類：

（1）無補燃的余熱鍋爐型聯合循環

所有的熱量都由燃氣輪機帶入的聯合熱力循環，這是一種以燃氣輪機為主的聯合循環，燃氣側參數對系統性能影響較大。

（2）有補燃的余熱鍋爐型聯合循環

在工質經過燃氣輪機做功后加入一部分熱量參與循環的聯合熱力循環。補燃作用是提高蒸汽參數與蒸汽產量，增加汽輪機的功率或對外部工藝流程提供額外的供熱蒸汽。

（3）排氣全燃型聯合循環

利用燃氣輪機排氣作為熱風助燃的聯合循環。工質中剩余的氧幾乎全部與燃料發生化學反應。這是一種以汽輪機為主的聯合循環，系統性能在很大程度上取決于蒸汽側循環參數。

（4）增壓鍋爐型聯合循環

蒸汽發生器放在循環的燃氣側燃燒室之后和燃氣透平之前的聯合循環。也是一種以汽輪機為主的聯合循環，系統性能主要取決于蒸汽側循環參數。

（5）給水加熱型聯合循環

燃氣輪機的排氣主要用于加熱蒸汽循環系統給水的聯合循環。更是以汽輪機為主的聯合循環；系統性能主要取決于蒸汽循環；適用于燃氣輪機排煙溫度較低的情況。

上述聯合循環不僅都能用于發電，而且還都可以做成熱電聯產或熱電冷三聯供的聯合循環，即可從系統某處引出蒸汽供工藝流程使用。

通常，無補燃的余熱鍋爐型聯合循環是各種聯合循環中效率最高的，因為輸入的熱量全部在燃氣側的較高溫度下加入循環體系的，因而得到最多的應用，最適合于帶基本負荷和中間負荷的機組。

因此分布式能源項目推薦采用無補燃的余熱鍋爐型聯合循環。

2.2 聯合循環機組軸系配置

就聯合循環電廠而言，系統的軸系布置方案是決定電廠結構和機組效率及靈活性的重要因素。通常，軸系布置方案可以分為單軸和多軸，單軸是指燃氣輪機和汽輪機在同一根軸上共同推動發電機做功；多軸則是燃氣輪機和汽輪機的軸分開，分別推動各自的發電機做功。多軸方案中可以是1臺燃氣輪機對應一臺汽輪機，也可以是多臺燃氣輪機對應一臺汽輪機，根據燃氣輪機的臺數，分別稱為“1+1”、“2+1”、“X+1”多軸系統。通常大容量燃機多配單軸，容量較小的常按多軸配置。

聯合循環軸系配置對電站投資成本、總體布置與占地面積、運行操作以及熱力性能(特別是變工況的性能)、機組是否承擔電網調峰等都有很大影響。除此之外，還應適當考慮投資、運行靈活性、占地面積、建設周期、國產化率、維修等因素的影響。電站設計優化選擇時應綜合考慮以上各種因素來確定選擇軸系配置總體方案。

對于分布式能源項目，以熱（冷）定電，所供熱（冷）負荷基本為工業熱負荷和空調冷、熱負荷，其可靠性要求較高，因此采用單軸配置優勢不明顯；且對于熱電冷三聯供機組，將同時承受電網和熱（冷）網波動的影響，為保證安全可靠，推薦采用多軸配置方案。

3 結論

（1）根據各方技術數據的比較，若采用純凝發電工況運行則GE公司的航改型燃氣輪機占優，對于分布式能源項目長期抽汽發電工況運行則日立公司的工業重型燃氣輪機占優。

（2）對于分布式能源項目選用的燃氣輪機不僅要注重經濟性，更要注重安全性和可靠性。建議業主對各公司長期連續運行的使用業績和長期服務維修費用專題調查或在招標過程中作為評分的主要依據之一。

（3）從機組運行的經濟性，長期連續運行，熱部件更換周期以及長期服務維修費用方面看，對于分布式能源項目，采用工業重型燃機比較合適，對于要求啟?？斓恼{峰電廠采用航改型燃機比較合適。

（4）對于分布式能源項目，宜采用無補燃的余熱鍋爐型聯合循環，并推薦采用多軸配置方案。

[1] 張雪峰等.上海華電莘莊燃氣熱電冷三聯供改造項目可行性研究報告總報告[R].30-F108501K-A-01，上海：中國電力工程顧問集團華東電力設計院，2011.

[2]CJJ 145-2010，燃氣冷熱電三聯供工程技術規程[S].

[3]DL/T 5174-2003，燃氣-蒸汽聯合循環電廠設計規定[S].

Distributed Energy and Gas-Fired Turbine Selection

Wang Tao

王濤：（1983-），男，浙江大學動力工程與工程熱物理專業碩士，工程師，主要從事節能咨詢工作。