基于燃氣分布式熱電聯產系統的工程應用研究

摘要：結合某企業分布式能源項目，通過電力和蒸汽負荷分析，給出內燃機和燃氣輪機兩種分布式熱電聯產系統的工藝方案，并從負荷平衡分析角度評價兩種方案的技術可行性，在此基礎上進行項目投資和增量效益分析，為項目決策提供參考依據和建議，燃氣分布式能源系統方案的確定提供設計參考經驗。

關鍵詞：燃氣分布式熱電聯產;內燃機;燃氣-蒸汽聯合循環;綜合熱效率

1 引言

燃氣分布式系統也叫燃氣冷熱電聯供，是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機、微燃機或內燃機發電機等燃氣發電設備運行，產生的電力供應用戶的電力需求，系統發電后排出的余熱通過余熱回收利用設備（余熱鍋爐或者余熱直燃機等）向用戶供熱、供冷。通過這種方式大大提高整個系統的一次能源利用率，實現了能源的梯級利用，還可以提供并網電力作能源互補，整個系統的經濟收益及效率均相應增加。

本文結合某企業分布式能源項目的設置情況，從燃氣輪機和燃氣內燃機分布式熱電聯產系統為例，通過多角度對比分析，為燃氣分布式能源系統方案的確定提供設計參考經驗。

一、???????? 項目概述

某企業年蒸汽消耗量30 萬t/年，用戶端使用蒸汽為0.8Mpa 飽和蒸汽，由于工藝線啟停，蒸汽負荷用量每天實時波動性較大（最小值20t/h，最大值55t/h，平均40t/h 左右）。

規劃建設天然氣分布式能源熱電聯產系統，熱電聯產系統產出電力及蒸汽均在廠區內部消納，年運行小時可以達到7500小時。

某企業工藝過程需要消耗-35℃冷凍鹽水和5℃的冷凍水兩種冷量，目前已經配備有冷凍站滿足冷量需求，改項目僅考慮熱電聯產系統。

改項目所采用的分布式能源系統采用天然氣熱電聯產的系統形式，即內燃機或燃氣輪機發電產生高溫余熱，并由余熱鍋爐回收產生高溫高壓蒸汽，高壓蒸汽可以用來發電變成低品位背壓排汽后供企業用汽，也可發電的同時抽取部分蒸汽供企業用汽，內燃機的缸套水和中冷水作為低溫余熱可用于補水預熱或對外供應生活熱水，實現能量的梯級利用，能量品位和用能需求對等，提高系統的綜合能源利用效率。

2 負荷分析

2.1電力

該化工企業是耗電大戶，一年耗電量約5 億度電，熱電聯產項目發電量可自主消納。

2.2蒸汽負荷

企業年蒸汽消耗量30 萬t/年，用戶端使用蒸汽為0.8Mpa 飽和蒸汽，由于工藝線啟停，蒸汽負荷用量每天實時波動性較大（最小值20t/h，最大值55t/h，平均40t/h 左右）。

3 工藝路線

影響冷熱源方案決策的因素很多，要選擇一個最優的設計方案，需要考慮各種影響因素。根據項目特點，從系統的經濟性、環保節能性和系統穩定性等方面進行方案比選。

根據能源系統的供應方式及布置方式，主要有以下兩種方案。

（1）?????? 方案一

內燃機發電機+余熱鍋爐+燃氣蒸汽鍋爐，主要能源形式市電+燃氣。

本方案將內燃機發電機組、余熱鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐集中布置在能源站，燃氣內燃發電機組與余熱蒸汽鍋爐對接。內燃機高溫煙氣進入余熱蒸汽鍋爐，作為余熱鍋爐的熱源，產生蒸汽供企業用汽，內燃機承擔基礎蒸汽負荷15t/h，欠負荷運行，保證內燃機滿發高效運行，余熱鍋爐產蒸汽不足部分，由燃氣蒸汽鍋爐補充供應。

由于企業及周圍暫時無熱水負荷，本方案將內燃機缸套水（94℃/74℃）和中冷水（80℃/70℃）分別送入板式換熱器，對燃氣蒸汽鍋爐的補水進行梯級加熱，將鍋爐補水由20℃加熱至75℃左右，減小鍋爐的燃氣耗量。

能源站優先使用自發電，其次使用市電。發電總裝機3×9521kW，蒸汽裝機3×5.2t/h余熱蒸汽鍋爐+2×25t/h燃氣蒸汽鍋爐。

（2）方案二

方案二：燃氣輪機發電機+余熱鍋爐+抽凝式汽輪機+背壓式汽輪機+燃氣蒸汽鍋爐，主要能源形式市電+燃氣;集中設置在能源站。

燃氣輪機發電機組與余熱蒸汽鍋爐對接。燃氣輪機高溫煙氣進入余熱蒸汽鍋爐，作為余熱鍋爐的熱源，產生的主蒸汽供背壓式汽輪機組膨脹做功發電，背壓式汽輪機組的背壓蒸汽供企業用汽，背壓蒸汽承擔企業的基礎蒸汽負荷15t/h，欠負荷運行，保證燃氣輪機滿發高效運行;另外，考慮到企業日蒸汽負荷的波動性較大，配置兩臺抽凝式汽輪機組以適應負荷的變化的需要。

燃氣輪機和背壓式汽輪機組、抽凝式汽輪機組之間均采用“一拖一”配置方式，燃氣輪機機組所產蒸汽不足部分，由燃氣蒸汽鍋爐補充供應。

能源站優先使用自發電，其次使用市電。發電總裝機3×7200kW（燃氣輪機）+1×2480kW（背壓機組）+抽凝機組，蒸汽裝機3×15t/h余熱蒸汽鍋爐+2×10t/h燃氣蒸汽鍋爐。

（3）現有供熱形式：燃煤鍋爐，主要能源形式市電+燃煤。

4 負荷平衡分析

用能單位的熱負荷需求如下：

最大55t/h，最小20t/h，平均40t/h。供熱參數為0.8Mpa，170.41℃。

下面分別對內燃機方案和燃氣輪機方案的負荷平衡情況進行簡要分析。

內燃機方案

能源站正常運行時，余熱鍋爐產汽量15.6t/h，燃氣蒸汽鍋爐的產汽量50t/h，考

慮10%的自耗汽后，能源站總的產汽量60.6t/h，可滿足最大熱負荷和平均熱負荷的需求。

事故及檢修工況時，當其中一臺內燃機放生故障，剩余機組仍然可以滿足最大負荷需求。三臺內燃機同時發生故障是小概率事件，即使只有燃氣蒸汽鍋爐可用，也可以滿足最低20t/h的熱負荷需求。

（2）燃氣輪機方案

能源站正常運行時，背壓式汽輪機組產汽量15t/h，抽凝式汽輪機組最大抽氣量

22.5t/h，燃氣蒸汽鍋爐的產汽量20t/h，考慮10%的自耗汽后，能源站總的產汽量55.5t/h，可滿足最大熱負荷和平均熱負荷的需求。

事故及檢修工況時，當背壓機組發生故障，抽凝式機組和燃氣鍋爐的產汽量可滿足平均熱負荷的要求，3臺燃氣輪機同時發生故障是小概率事件，即使只有燃氣蒸汽鍋爐可用，也可以滿足最低20t/h的熱負荷需求。

綜合上述分析，內燃機方案和燃氣輪機方案均可基本滿足用能需求，在滿足供熱可靠性的同時，也能滿足靈活調節的需要。

5 對比分析

以采用市電和現有燃煤蒸汽鍋爐供電、供熱的基本方案為對比方案，對內燃機方案和燃氣輪機方案進行運行分析。通過多級利用天然氣資源，最大化發揮天然氣效益，相對于對比方案可以節省一定運行費用，同時實現一定節能減排效益。

5.1 年運行工況

不同方案的年運行工況對比如表所示。

5.2 投資及運行費用

（1）內燃機分布式能源系統靜態投資24276萬元，年節省電費11428.77萬元，企業年節省運行費用3160.82萬元，聯供系統綜合利用效率82%，增量投資回收期7.68年。

（2）燃氣輪機分布式能源系統靜態投資18376.8萬元，年節省電費11859.12萬元，企業年節省運行費用4113.25萬元，聯供系統綜合利用效率75%，增量投資回收期4.47年。

內燃機方案和燃氣輪機方案的年運行費用均低于燃煤鍋爐方案，且燃氣輪機方案的年節省運行費用低于方案一，投資回收期也低于方案一。

6 小結

（1）項目采用分布式能源系統，可實現企業供熱和部分供電，符合國家新型能源發展方向，實現了能源的梯級利用，提高了用能的安全可靠性。

（2）考慮到項目的各項負荷特點等因素，項目適宜采用3臺7200kW等級的燃汽輪機發電機，配置一臺背壓式汽輪機和兩臺抽凝式汽輪機，采用“一拖一”配置方式的燃氣-蒸汽聯合循環系統，蒸汽不足部分由調峰燃氣蒸汽鍋爐提供，能滿足供能系統的安全、可靠要求。

（3）燃氣輪機方案單位供能量靜態投資與同行業基本持平，相對現有燃煤鍋爐供熱系統的增量投資回收期4.47年，具備較好的可實施性。

（4）分布式能源系統滿足企業的用能負荷需求，熱電聯供系統年綜合熱效率75%。

（5）采用分布式能源系統系統具有明顯的節能、減排優勢。與現有燃煤鍋爐供熱系統相比，采用燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯供系統后，可實現較大的節能量及運行費用節省，大幅度減少二氧化碳、二氧化硫等污染物排放。

參考文獻

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作者簡介：周新朋

職稱：工程師

工作單位：中國中元國際工程有限公司

研究領域：區域供熱及綜合能源應用研究