天然氣分布式能源站裝機方案選擇及節能分析

文/唐偉，彭州華潤燃氣有限公司

1 總論

1.1 項目背景

我國傳統的能源結構中，燃煤在一次能源中比重過大，由此所導致的全社會整體能源利用效率低下、環境污染嚴重等惡劣影響日益凸顯。尤其近年以來各大中城市霧霾的肆虐，加大了國家對環境整治的決心，也加大了我國對發展清潔能源的需求。

隨著國家對節能減排的重視以及對新能源技術的支持，天然氣分布式能源技術作為緩解上述問題的有效手段，已經在國內得到廣泛應用。

1.2 項目概況

本項目位于四川省成都市，供能對象為四川某有限責任公司，是一家專業生產生活用紙、高強瓦楞原紙、鞋用紙板的企業，擁有九條生產線。

項目屬于煤改氣工程，響應政府清潔能源改造政策，全年具有穩定的熱、電負荷需求，適合采用天然氣分布式能源系統來滿足自身的用能需求。

電力情況：根據調研資料，企業目前僅有1回10kV市電作為電源，并建有1座高壓配電室。

低壓變配電系統，除1座公用變配電外，其余變壓器分散設置于各車間，具體情況如下：

高壓配電室旁建有1座低壓變配電室，內設1臺1000kVA變壓器，供企業園區內的鍋爐房、污水站、清水池、軟水處理等設備用電。

一車間建有紙機配電室，配1臺1000kVA變壓器；漿配電室，配1臺1600kVA變壓器。

二車間內設置3臺變壓器，容量為2×800kVA+1×1250kVA。

三車間設置2臺1000kVA變壓器。

四車間設置1臺1000kVA變壓器。

五車間設置1臺800kVA變壓器。

蒸汽情況：現有1臺20噸燃煤鍋爐，蒸汽參數：1.0MPa，180℃。2016年蒸汽用量為176458噸，在同一生產日內蒸汽負荷波動不大。下半年會增加一條生產線，需要4噸蒸汽，總設計容量按30t/h設計。

2 能源站接入系統方案設想

能源站電力接入市政供電系統方案的確定，要依據國家電力有關規程、導則的規定，要考慮能源站發電設備最終規劃總裝機容量和發電設備單機容量，企業市電電源供電等級、供配電系統接線型式，能源站外送輸電容量，系統短路水平和國家標準等因素，經能源站接入系統技術經濟論證和上級機關審查確定。

本項目分布式能源系統供能范圍是能源站自用電及企業的生產、辦公用電，宜直接接入負荷中心。本項目共選配1臺4600kW等級的燃氣輪機，發電機出口電壓建議選為10.5kV。

本工程現階段按照“并網不上網”

的原則進行研究。現階段能源站暫按10kV等級出線設計，共設1回，采用電纜出線，接入企業的10kV高壓系統。

3 裝機方案

按照“并網不上網”的運行模式，保證所發電力及余熱產生的冷熱量能在區域內被完全消化或盡可能多地消化，同時結合項目的負荷特點及能源價格等邊界條件考慮發電機組選型，余熱利用設備與調峰系統一起滿足項目的全部冷、熱負荷需求。

經多方案比較，本工程推薦裝機方案為：1臺4.6MW等級燃氣內燃發電機組對接1臺余熱鍋爐，并以燃氣鍋爐作調峰設備，不足電負荷由市政電力提供。

3.1 主要設備選型

3.1.1 機組選型原則

該項目建設分布式能源站應盡量兼顧供熱與供電的雙重要求，在機組選擇方面主要遵循以下原則：

（1）發展熱電冷聯產的初衷即為提高能源利用率，促進節能減排，為真正實現這個目標，該分布式能源站應盡量采用天然氣等清潔能源，選擇高效率、清潔、環保的設備。積極向資源節約型、環境友好型社會的方向發展。

（2）機組容量首先應該滿足企業現有及近期熱負荷的需求。

（3）滿足國家熱電聯產和分布式能源有關政策中關于熱電比、熱效率的有關要求。

（4）為提高機組利用率，在確定裝機容量時，不應按全年最高熱負荷來匹配機組，可通過配置調峰天然氣鍋爐、集中電制冷等調峰措施來滿足尖峰負荷。

（5）對于燃機和內燃機，由于天然氣價格較貴的特點，應盡可能選用高效率的機組，以充分利用能源，降低供熱供電價格。

3.1.2 機組型式的確定

燃氣輪機和燃氣內燃機相比，燃氣輪機生產蒸汽的能力較大，對熱負荷的適應能力較強。本項目由于熱負荷需求較大，因此，選擇供熱能力較大的燃氣輪機方案；同時考慮到電負荷消納能力相對有限，多余電力暫時難以獲得合適的價格回報，而燃氣輪機簡單循環能夠將更多熱能用于供熱，因此，現階段按燃氣輪機簡單循環方案進行方案比選。

燃氣輪機市場有一定特殊性。由于制造廠技術水平和技術路線的差異，不同燃機體現出各自的特色和不同的優勢，差異性較突出。同時，還要考慮國內燃機市場的約束。

3.1.3 燃氣輪機選型

在國際燃氣輪機市場中，燃氣輪機的主要廠家有美國的GE公司、RATT&WHITNEY公司、三菱公司、德國的Siemens公司、美國Solar公司等。

目前陸上發電用燃氣輪機有輕型和工業重型兩類可供選擇。

輕型燃氣輪機由航空燃氣輪機派生，體積小，重量輕，設備部件精度高，對機組運行的環境條件要求也較苛刻。輕型燃氣輪機啟停迅速，單循環熱效率較高，非常適宜于作調峰發電機組。但輕型燃氣輪機排氣溫度較低，當采用燃氣—蒸汽聯合循環時，其配置的余熱鍋爐產汽量較少，故汽輪機的發電出力和供熱汽量均較小。另一方面，該型燃機，初投資較高，而且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。由于目前主要的航改型燃氣輪機廠家可以提供備用轉子更換，因此檢修時間可大大縮短。

工業重型燃氣輪機是專門為陸用發電而開發設計的，其特點是設備體積和重量較大，對燃料的適應性較強，既可燃用輕質油，也可燃用重油。機組啟停也很快。工業重型燃氣輪機的排氣溫度較高，當采用燃氣—蒸汽聯合循環時，其配置的余熱鍋爐產汽量較大，故汽輪機的發電出力和供汽量均較大，雖然該型燃氣輪機單循環效率略低于輕型燃氣輪機，但聯合循環熱效率略高。重型燃機的檢修周期較長，可在能源站內完成大修，因此相對航改燃機來說，其維護費用較低，根據對某重型燃機廠家的了解，其維護費用大概是航改燃機的60%左右。

本項目的用戶主要為工業蒸汽用戶，項目以供應工業蒸汽為主，其全年負荷波動性不大，因此現階段選擇重型燃機作為主要設計機型。本項目所需要的燃氣容量在4～5MW之間，可選燃機品牌為西門子公司及Solar公司。

西門子公司自1948年自行開發第一臺燃氣輪機以來，按標準模塊的設計原則，首先建立起一套成熟可靠、有長期運行業績的標準部套結構。例如壓氣機的中心拉桿轉盤結構、壓氣機轉向導葉結構、雙軸承支撐、軸向排汽、功率冷端輸出、四級燃氣透平、標準的壓氣機通流部分等。通過幾何和轉速的模化原理，按轉速及0.67：1：1.2的尺寸比例，加上調整壓氣機進汽級的方式形成了幾種功率等級的產品。目前西門子SGT系列小型燃氣輪機的功率范圍在5～45MW范圍內有多種選擇。

Solar公司是卡特彼勒的全資子公司，是世界上生產1000kW至15000kW工業型燃氣輪機及燃氣輪機成套機組的領先廠家。Solar公司在長達50年中，一直是燃氣輪機系統設計、制造和系統集成的先驅，同時也是中小功率工業型燃氣輪機的領導者。迄今為止，solar公司已有超過100臺機組遍布中國各地。

本項目所需要的燃氣容量在4～5MW之間，可選燃機如下表所示：

表3.1 燃氣輪機性能參數對比

3.1.4 機組方案比選

（1）、發電機實際工況輸出比對

燃機的運行工況與項目所在地的海拔，氣溫，濕度等相關，影響較大的是氣溫變化，成都月平均溫度如下表：

表3.2

不同燃氣輪機的ISO性能參數參數見表3.3：

1、Solar Centaur50機型

半人馬C50燃機透平出來的煙氣溫度大約450～540℃，可以利用余熱鍋爐吸收高溫煙氣熱量生產蒸汽進行熱電聯產。半人馬C50燃氣輪發電機組是應用在工業發電的設計緊湊的發電設備,該機組是完全高度集成化的單撬裝置，出廠就可以安裝。系統包括燃氣輪機發動機、齒輪箱、發電機、控制系統、燃料系統、滑油系統和啟動系統。半人馬C50燃氣輪機發動機是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪,安裝在透平進氣端的部分,出力4600KW（ISO 標準狀況：海平面，環境溫度-0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度510℃，發電效率約29.3%。以天然氣為燃料的燃機發電機組。

依據成都月平均氣溫變化，根據上圖得知，Solar Centaur50機型在該項目中應用實際的功率輸出為3830kw～4343kw之間。

2、Solar Centaur40機型

半人馬C40燃氣輪機發動機是單軸、軸流式的，其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪，安裝在透平進氣端的部分，出力3500KW（ISO 標準狀況：海平面，環境溫度0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度440℃，發電效率約27.9%。以天然氣為燃料的燃機發電機組。

根據成都市平均月氣溫繪制各月燃機實際100%輸出功率圖如下：

表3.3 燃氣輪機配余熱鍋爐參數表

圖3.1 Solar Centaur40隨溫度變化輸出功率圖

依據成都月平均氣溫變化，根據上圖得知，Solar Centaur40機型在該項目中應用實際的功率輸出為2900kw～3347kw之間。

3、西門子SGT-100-5.1MW機型

西門子SGT-100-5.1MW燃氣輪機發動機是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅動齒輪,安裝在透平進氣端的部分,出力5050KW（ISO 標準狀況：海平面，環境溫度0℃，濕度60%，進排氣損失不計），排氣溫度545℃，發電效率約30.2%。以天然氣為燃料的燃機發電機組。

根據成都市平均月氣溫繪制各月燃機實際100%輸出功率圖如下：

圖3.2 西門子SGT-100-5.1MW隨溫度變化輸出功率圖

依據成都月平均氣溫變化，根據上圖得知，西門子SGT-100-5.1MW機型在該項目中應用實際的功率輸出為4325kw～4795kw之間。

（2）、按月平均用電負荷進行機型匹配對比

根據企業提供2016年按月交付電費用電量清單，用電平均小時用電負荷繪制如下表：

圖3.3 2016年各月平均小時用電負荷圖

根據企業提供2017年1～8月按月交付電費用電量清單，用電平均小時用電負荷繪制如下圖：

圖3.4

Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在2016年各月發電機負荷率曲線如圖3.5：

Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在2017年各月發電機負荷率曲線如圖3.6：

根據2016及2017年企業實際用電負荷情況，以及與各機組按月實際輸出功率進行對比（因2月為春節期間，企業停產時間較長，不做比較參考），可得知，Solar Centaur40機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，均能滿負荷運行；Solar Centaur50機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，機組運行負荷均在95%以上。西門子SGT-100-5.1MW機型在2016及2017年的實際用電負荷情況下，大部分時間不能滿負荷運行，運行負荷在80%～90%之間。

根據以上數據分析，Solar Centaur40機型和Solar Centaur50機型均滿足該項目實際用能需求。西門子SGT-100-5.1MW機型輸出負荷比實際用能負荷大，因此不推薦該型號機組。

圖3.5 機型在2016年各月發電機負荷率曲線圖

圖3.6 機型在2017年各月發電機負荷率曲線圖

圖3.7 機型在9月29日至9月30日負荷率曲線

10月13日至10月14日對企業實際小時用電負荷進行記錄如表3.4：

根據上表，日平均用電負荷為4167kw。

根據該天逐時小時用電負荷，Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在該天負荷率曲線如圖3.8：

根據上表，日平均用電負荷為4033kw。

根據該天逐時小時用電負荷，Solar Centaur50、Centaur40機型及西門子SGT-100-5.1MW機型在該天負荷率曲線如下圖：

根據上圖可看出，Solar Centaur40機型在每日逐時實際用電負荷情況下，均能滿負荷運行；Solar Centaur50機型在每時實際用電負荷情況下，機組運行負荷均在95%以上。

（3）、根據企業設備裝機容量及按月平均，日平均進行機型匹配對比（圖3.9）

根據企業提供全廠設備裝機容量如下：

全廠在線裝機容量為12562.3kw，變壓器總容量為9450KVA，10月份新增1000kw的電機裝機容量。新增生產線以后在線裝機總容量為13562.3kw，變壓器總容量為10250KVA。

表3.4 實際小時用電負荷進行記錄表

圖3.8 機型在10月13日至10月14日負荷率曲線

圖3.9 機型在10月14日至10月15日負荷率曲線

根據目前2016年及2017年實際運行數據，對應機組凈輸出功率與實際負荷比如下：

根據企業發展，2017年10月新增1000kw電機裝機容量，按裝機容量70%實際功率進行測算，新增用電功率為700kw，對應機組凈輸出功率與實際負荷比如下：

說明：C40，C50機組的輸出功率均以海拔594米，成都年平均溫度15.7℃為計算標準，扣除能源站自用電負荷，C40凈輸出功率為3022kw，C50凈輸出功率為3990kw。

（4）、根據機組不同輸出負荷的效率對比

根據一到四的機組對比，Solar Centaur40機型均能在滿負荷運行。

Solar Centaur50機型大部分時間均能在滿負荷工況下運行，其不同輸出負荷下效率如下：

從上面可以看出，Solar Centaur50機組，在50%～100%功率輸出時，機組總效率變化不大，因此對于用電負荷在2055kw～4110kw波動時，均能較好的運行。

4 結論

綜上所述，Solar Centaur50機組在目前生產情況下均能95%～100%負荷輸出運行，同時，在企業減產30%的時候，也能較好的正常運行，因此Solar Centaur50機組在該項目中具有較好的適應性。

本項目按照機組“并網不上網”考慮，配置美國solar公司的C5 0型燃機、“一拖一”多軸機組考慮，即每套燃氣-蒸汽簡單循環機組由1臺燃機、1臺燃機發電機和1臺余熱鍋爐組成。