摘 要

摘　要：阐述区域性分布式能源系统的特点和原理，结合某冷热电联供工程，根据冷热负荷，研究区域性分布式能源系统的主机选型方案，进行方案对比，得出推荐方案。关键词：分布式能源； 冷热

摘　要：阐述区域性分布式能源系统的特点和原理，结合某冷热电联供工程，根据冷热负荷，研究区域性分布式能源系统的主机选型方案，进行方案对比，得出推荐方案。

关键词：分布式能源；  冷热负荷；  装机方案；  冷热电联供

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　区域性分布式能源系统特点和原理

1.1　概述

国内具有代表性的分布式能源主要有如下两种：第一种是指将冷热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端，可以独立地输出冷、热、电能的系统，能源包括太阳能、风能、燃料电池和燃气冷、热、电三联供等多种形式。第二种是指安装在用户端的能源系统，一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅；二次能源以分布在用户端的冷、热、电联产为主，其他能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充，实现资源利用最大化。

目前国内应用比较广泛的燃气冷热电三联供形式按照其应用规模分为区域性和楼宇式系统。

1.2　区域性分布式能源特点

区域性分布式能源主要采用燃气—蒸汽联合循环电站作为分布式能源系统的能源中心，主机采用燃气轮机发电机组、余热锅炉和蒸汽轮机发电机组。一般按照“以热定电”的原则，根据区域内冷热负荷的大小确定燃气一蒸汽联合循环电站的装机容量。区域性分布式能源覆盖的能源供给范围相对较广，区域内冷、热负荷比较大，因此，单机容量相对较大为宜，这样有利于增加和提高分布式能源站的规模和效率。

区域性分布式能源接近负荷中心，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输送，可以大大减小线损，节省输配电建设投资额和运行费用；由于高效利用燃气轮机发电后排气的废热，实现了能源的梯级利用。与传统的集中式能源相比，分布式能源能够实现更高的能源综合利用率。目前，分布式能源的一次能源综合利用效率可达70％～90％。分布式能源低排放，对大气环境影响小。与燃煤电厂比，基本没有二氧化硫排放，氮氧化物的排放量降低80％，二氧化碳排放量降低50％以上。区域性分布式能源把工业与民用冷、热、电结合起来联供，虽然联供参数高低不一，系统复杂，但有利于能源的梯级利用，实现集中供应能源，减少重复投资，优化社会资源，且大大地提高了能源的利用效率，减少了大气污染物的排放量^[1]。

1.3　区域性分布式能源系统原理

采用天然气为燃料的区域性分布式能源，一般采用燃气轮机发电机组作为发电设备，燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。压气机从大气吸入空气，并把它压缩到一定压力，然后进入燃烧室与喷入的燃料混合、燃烧，形成高温烟气。具有做功能力的高温烟气进入透平膨胀做功，推动透平转子带着压气机一起旋转，并同时带动发电机输出电能，从而把燃料中的化学能部分地转变为机械功。烟气在透平中膨胀做功，其压力和温度都逐渐下降，最后烟气进入余热锅炉，在余热锅炉内烟气与水换热形成蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机用于发电。部分蒸汽通过蒸汽轮机的抽汽进入分汽缸，其中一部分蒸汽直接由分汽缸供给蒸汽用户；另一部分蒸汽通过溴化锂制冷机组生产冷水提供制冷负荷；还有一部分蒸汽通过换热器提供供暖负荷。余热锅炉的尾部烟气通过换热器提供生活热水负荷^[2]。典型分布式能源冷热电三联供系统流程见图1。

 

2　工程案例

2.1　项目背景

本文对我国华南地区某区域性分布式能源项目进行案例分析，主要对该分布式能源的装机方案进行分析。项目覆盖区域占地面积约60km²，区域内冷热用户主要为生物医药类企业、电子产品加工生产类企业、医院、大型生活社区等。城市天然气管网的供气压力为3.2MPa。现有蒸汽负荷均由各用户采用燃气锅炉自行供给，冷负荷一般采用电制冷机组提供，能源利用效率低，能耗成本高。

2.2　装机方案研究

区域性分布式能源具有工业与民用冷热电相结合联供、联供范围广、多媒供应等特点，系统运行安全性、可靠性非常重要。因此，主机选择时除优先考虑单机容量适中、技术比较先进外，还须考虑燃气轮机天然气供应系统的通用性、主机运行的可靠性、大中修的方便性、环保要求的适应性^[3]。

2．2．1冷热电负荷确定

按照“以热定电”的原则，通过本工程的冷热负荷分析，系统设计供热能力拟满足近期全部工业最大用汽量(101.69t／h)，对外供热蒸汽管网的凝结水不考虑回收；空调制冷的最大负荷为111.53MW；通过对冷热负荷的分析，本工程的工业蒸汽负荷与制冷负荷同时利用系数为0.75；生活热水日平均负荷为33.64MW；本工程不考虑冬季供暖负荷；过渡期不需要考虑空调制冷负荷；实际运行根据机组特性和各类负荷变化统一调整，根据热负荷情况本工程装机容量为300MW级，电力负荷作为附属产品通过变电站送入电网，将来在政策条件允许的情况下可以考虑对用户直供电。

2．2．2主机选型分析

采用天然气作为燃料的分布式能源系统的核心设备是燃气发电装置，目前常选用的主机设备有内燃机、轻型燃气轮机和重型燃气轮机。其中内燃机(功率一般比较小)和中小功率的轻型燃气轮机适应于楼宇式分布式能源站；而中小功率的重型燃气轮机和大功率的轻型燃气轮机可用于区域性分布式能源。

轻型燃气轮机结构紧凑，体积小，重量轻，设备部件精度高，还具有启停迅速，单循环热效率较高的特点。但是轻型燃气轮机的寿命较短，功率比较小，运行环境条件要求苛刻，特别是排气流量小，烟气温度较低，联合循环运行时，余热锅炉产汽量少，故蒸汽轮机的发电功率和供热量均较小，对热、电、冷三联供项目来说，其供热能力低。另一方面，轻型燃气轮机造价较高，并且设备部件要求精度高，设备氏时间运行可靠性较差，燃气轮机的检修周期短，维修工作难度大，主要部件一般要返厂才能修理，运行维护费用较高。另外，燃用天然气的轻型燃气轮机对天然气的供气压力要求很高，如：LM6000PF型燃气轮机要求机前进气压力为4.6MPa。因此，该类型燃气轮机对区域性分布式能源虽不很适应，但仍是一种选择。

重型燃气轮机是专门为陆用发电而开发设汁的，其特点是设备体积和重量较大，对燃料的适应性较强，燃用天然气时其天然气供气压力为2.5～3.0MPa，适应我国目前城市电站供气压力等级。联合循环运行时，其配置的余热锅炉产汽量较大，能够提高蒸汽轮机功率及供热量。虽然该类燃气轮机单循环效率略低于轻型燃气轮机，但联合循环热效率却高于轻型燃气轮机。另外，其设备的检修间隔周期也较长。如：PG6111FA(以下简称6FA)型燃气轮机除了具有单机容量适中、供热能力强、技术比较先进外，燃气轮机天然气进气压力通用性好、主机运行的可靠性、大修方便性、环保性能和对噪声治理的适应性也很好。在目前的技术条件下，中小功率的重型燃气轮机应是城市区域性分布式能源选择的主要目标之一。

从目前国际、国内燃气轮机市场情况看，适应于我国区域性分布式能源的中型燃气轮机(代表性的)有2类4种，即：

一类是重型燃气轮机，如：通用电气公司(GE)生产的PG6111FA型燃气轮机和南京汽轮机有限公司生产的PG65018型燃气轮机。

另一类是轻型燃气轮机，如：通用电气公司(GE)生产的LM6000PF型和LM2500型燃气轮机。

根据冷热负荷特性分析结果，结合中、远期规划预测负荷，整体考虑冷、热、电联供系统的最优化和装机方案的合理性，本工程考虑两种装机方案及相应的燃气—蒸汽联合循环供热系统。

①方案一

以6FA型燃气轮机为基础，共设置2套装机系统，其中1套系统由2台燃气轮机+2台余热锅炉+1台抽凝式汽轮机组成，另1套系统由l台燃气轮机+1台余热锅炉+1台背压式汽轮机组成。2种组态构成2套燃气—蒸汽联合循环机组形成的能源站系统。

a．燃气轮机主要技术参数如下：

制造商及型号：GE公司6FA型；

型式：单轴，重型，轴排气，快装式；

额定功率：74.09MW；

排气量：737.4t／h；

排烟温度：602.9℃；

热耗率：10268kJ／(kW·h)。

b．余热锅炉主要技术参数如下：

型式：双压，无补燃型；

高压主蒸汽绝对压力：9.8MPa；

高压主蒸汽温度：538℃；

高压主蒸汽质量流量：110t／h；

低压主蒸汽绝对压力：0.9MPa；

低压主蒸汽温度：275℃；

低压主蒸汽质量流量：15t／h。

c．抽凝式汽轮机主要技术参数如下：

型式：双压，单轴，下排气，单抽式；

纯凝工况额定功率：74.9MW；

高压蒸汽进汽绝对压力：9.8MPa；

高压蒸汽进汽温度：536℃；

高压蒸汽进汽质量流量：220t／h；

低压蒸汽进汽绝对压力：0.8MPa；

低压蒸汽进汽温度：270℃；

低压蒸汽进汽质量流量：30t／h；

抽汽绝对压力：1.0MPa；

抽汽温度：280℃；

额定抽汽质量流量：77.55t／h。

d．背压式汽轮机主要技术参数如下：

型式：单压，单轴，下排式；

额定功率：16.05MW；

高压蒸汽进汽绝对压力：9.8MPa；

高压蒸汽进汽温度：536℃；

高压蒸汽进汽质量流量：110t／h；

排汽绝对压力：1.0MPa；

排汽温度：280℃。

②方案二

以LM6000PF型燃气轮机为基础，共设置3套装机系统，其中有2套采用相同的装机系统，每套系统由2台燃气轮机+2台余热锅炉+1台抽凝式汽轮机组成；另外1套系统由2台燃气轮机+2台余热锅炉+1台背压式汽轮机组成。2种组态构成3套燃气—蒸汽联合循环机组形成的能源站系统。

a．燃气轮机主要技术参数如下：

制造商及型号：GE公司LM6000PF型：

型式：单轴，航改型，轴排气，快装式；

额定功率：43.26MW；

排气量：448.6t／h；

排气温度：458.7℃；

热耗率：9103kJ／(kW·h)。

b．余热锅炉主要技术参数如下：

型式：双压，无补燃型；

高压主蒸汽绝对压力：5MPa：

高压主蒸汽温度：440℃；

高压主蒸汽质量流量：42t／h：

低压主蒸汽绝对压力：0.7MPa：

低压主蒸汽温度：207℃；

低压主蒸汽质量流量：13t／h。

c．抽凝式汽轮机主要技术参数如下：

型式：双压，单轴，下排气，单抽式；

纯凝工况额定功率：24.49MW；

高压蒸汽进汽绝对压力：4.8MPa；

高压蒸汽进汽温度：438℃；

高压蒸汽进汽质量流量：84t／h；

低压蒸汽进汽绝对压力：0.6MPa：

低压蒸汽进汽温度：205℃；

低压蒸汽进汽质量流量：26t／h；

抽汽绝对压力：1.0MPa；

抽汽温度：280℃；

额定抽汽质量流量：25.3t／h。

d．背压式汽轮机主要技术参数如下：

型式：单压，单轴，下排式；

额定功率：8.72MW；

高压蒸汽进汽绝对压力：4.8MPa：

高压蒸汽进汽温度：438℃；

高压蒸汽进汽质量流量：84t／h；

排汽绝对压力：1.0MPa；

排汽温度：280℃。

2．2．3原则性热力系统

本工程燃气轮机按6FA和LM6000P11两种机型考虑，与国产余热锅炉及国产蒸汽轮机发电机组构成联合循环供热机组。余热锅炉采用双压、无补燃、卧式自然循环锅炉，蒸汽轮机分别采用抽凝式汽轮机和背压式汽轮机。系统对外提供l50℃生活热水负荷(利用余热锅炉尾部烟气通过换热器获取)、1.0MPa饱和蒸汽负荷(由抽凝式汽轮机和背压式汽轮机供给)以及冷负荷(利用蒸汽通过溴化锂制冷机组制冷，本工程每1t／h的蒸汽可转换成约0.93MW冷负荷)。

2.3　装机方案对比

能源站采用6FA型燃气轮机时，只需在厂区内建一座天然气调压站，对厂外天然气主干管来气起调压、计量等作用，以满足燃气轮机进气要求。能源站采用LM6000PF型燃气轮机时，需在厂区内建一座天然气升压站，将城市天然气管网的3.2MPa来气升压至4.8MPa，以满足燃气轮机进气压力要求。

考虑到最恶劣条件下，方案一中抽凝式汽轮机系统发生事故，方案二中有1套抽凝式汽轮机系统发生事故，两个方案供热可靠性分析见表1。

 

生活热水负荷是通过余热锅炉尾部烟气换热获取，方案一中6FA型燃气轮机配套的l台余热锅炉(单台供生活热水能力为37.2MW)尾部烟气换热量和方案二中LM6000PF型燃气轮机配套的4台余热锅炉(单台供生活热水能力为l2.96MW)尾部烟气换热量都能满足生活热水负荷的供给；汽轮机发生故障时，供应蒸汽量减少，优先满足工业蒸汽负荷，剩余部分蒸汽转换成制冷负荷约31MW，通过备用电制冷补充约80MW以满足最大空调制冷负荷；由表l可知两种方案均能满足最大工业蒸汽负荷101.69t／h，通过备用电制冷也能满足最大空调制冷负荷111.53MW的要求。

两种装机方案的机组年平均工况热平衡分析见表2。由表2可知，两种方案在制冷期和过渡期均能满足负荷需求。两种装机方案的全厂热经济性指标见表3。

 

 

表3中，年总供热量为年供工业蒸汽量及年供生活热水负荷的总和；能源站采用天然气作为燃料，天然气的低热值取37237.15kJ／m³，年平均能源综合利用率为年总供热量与年制冷量及年发电量之和与年消耗天然气热量之比。

本工程按照两种装机方案进行投资估算，方案一的工程静态投资额为129366×10⁴元，单位造价为4130元/kW；工程动态投资额为134040×10⁴元，单位造价为4280元/kW。方案二的工程静态投资额为l70395×10⁴元，单位造价为5370元／kW；工程动态投资额为178228×10⁴元，单位造价为5617元/kW。

2.4　对比结果

上述两个方案经技术经济比校，方案一比方案二具有以下优势：

①方案二结构紧凑，体积小，重量轻，但单位发电量造价比较高；本工程对场地面积限制不严格，因而方案一造价低的优势更加明显。

②方案一燃气轮机天然气入口压力要求较低，运行更为安全，且无需设立天然气压缩机，造价比方案二低，耗电量也低。

③方案一比方案二主机大修更方便、更经济。

④方案一(可室内布置)比方案二(不能室内布置)在噪声治理方面有更好的适应性。

从装机方案及其供热系统的构成模式和总平面布置看，方案一和方案二都是可行的。从总体上和长远供热的角度看，方案一具有明显优势，特别是考虑到燃气轮机天然气进气压力的通用性与安全性、主机大修的方便性与经济性以及对场地与噪声治理的适应性和发展的持续性等因素，本工程推荐方案一。

 

参考文献：

[1]金红光，郑丹星，徐建中．分布式冷热电联产系统装置及应用[M]．北京：中国电力出版社，2010：49-54．

[2]马悦，董舟．分布式能源系统的研究及配置方案分析[J]．节能，2011(4)：15-19．

[3]江亿，付林，李辉．天然气热电冷联供技术及应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008：27-53．

 

本文作者：姜福长  胡俊强

作者单位：中机国际工程设计研究院有限责任公司电力工程所