天然气分布式能源的参数优化及经济分析

单位千瓦投资和发电成本。但由于发电技术和输配电技术的限制，其达到终端用户的一次能源利用率仅37%左右，大部分的能量会被浪费。

天然气冷热电联供系统（冷热电三联供，即CCHP（Combined Cooling， Heating and Power））是分布式能源系统的一个主要分支，它利用天然气作为一次能源，在发电的同时提供热能和冷能的综合能源供应系统。其最突出的优点是实现了能源的梯级利用，显著提高了能源利用率，并且由于布置在能源负荷中心，输电损耗很小，综合能源利用率更可高达75～90%，是一种非常高效的能源利用方式。此外，由于在供能过程中仅仅排放极少的大气污染物，对降低区域温室气体、大气污染方面具有积极作用，属于环境友好性的新一代清洁能源，具有巨大的经济效益与社会效益。

在2012年10月国务院发布的《中国的能源政策（2012）》白皮书指出：“促进清洁能源分布式利用。中国坚持‘自用为主、富余上网、因地制宜、有序推进’的原则，积极发展分布式能源。在能源负荷中心，加快建设天然气分布式能源系统。以城市、工业园区等能源消费中心为重点，大力推进分布式可再生能源技术应用。”因此，天然气分布式能源系统在我国有巨大的发展空间。

1.2 全厂联合循环主机配置方案

1.2.1 系统流程

典型的天然气冷热电三联供系统的流程图如图1所示。燃气轮机首先利用天然气进行发电，随之产生的高温烟气进入余热锅炉继续产生蒸汽，高压蒸汽进入汽轮机发电，并为高压蒸汽热用户提供热能；同时，余热锅炉产生的低压蒸汽可提供给溴化锂制冷机制冷或提供给供热站。该系统可以并入大电网，实现其与大电网互为备用电源的功能。

1.2.2 燃气轮机

航改型燃气轮机体积小，重量轻，设备部件精度高，单循环热效率高，启停迅速灵活且无寿命折损，同时NOx排放指标好，污染小，是一种非常适合冷热电联供分布式能源系统的燃气轮机。

近年来，在国内以航改型燃气轮机作为主设备的分布式能源中心已有多个项目投产运行。例如广州大学城项目配置了P&W公司的FT8 SWIFT PAC60 机型，江西九江三联供项目配置了GE公司的LM2500+G4机型，上海莘庄三联供项目配置了GE公司的LM6000机型。这些项目自投产以来机组运行安全稳定，同时取得了良好的社会、环境及经济效益，值得推广及借鉴。由于GE公司和华电集团合资成立了华电通用轻型燃气轮机有限公司，实现了设备的部分国产化，且GE的航改型燃气轮机在国内运行业绩较多，因此本文所分析的冷热电联供系统中，燃气轮机选则GE的LM2500+G4航改型燃气轮机。其主要技术参数见表1。

1.2.3 余热锅炉

对于30MW级燃气轮机排气温度较高，且排气流量较大，为追求高效率，优化的热力系统采用蒸汽多压化。同时热电冷三联供机组，供热可靠性要求高，机组热效率要求在70%以上，高压蒸汽进入汽轮机做功，且低压蒸汽可以作为低压热用户端蒸汽型溴化锂机组的驱动蒸汽（夏季）或管壳式汽水换热器的热源（冬季），进一步提高联合循环机组的出力和效率。故本文采用自然循环，双压，不补燃余热锅炉。

1.2.4 蒸汽轮机

2016年3月22日国家发改委、能源局财政部、住建部和环保部联合颁布的《热电联产管理办法》指出：工业联合循环项目可按“一抽一背”配置汽轮发电机组或采用背压式汽轮机发电机组。另外《上海市热电联产发展探讨》中也提到“热电联产最终规模中，背压机组的容量应占装机总容量的50%以上。”

根据汽机厂的反馈意见，背压式汽轮机在80%-100%负荷范围内机组热耗与设计值偏差不大；当负荷率在70%-80%范围内，机组热耗偏离设计值较大，经济性较差；当负荷率在70%以下，机组热耗急剧下降，经济性很差，而且末级叶片的磨损严重，长期运行会危及设备的安全可靠性。因此，当负荷率稳定在80%以上时，背压式机组才能够安全稳定经济地运行。

因此，按项目投资建设規模为两台（套），则主机配置方案选择一台为背压式机组，另一台为抽凝式机组。背压式机组承担大部分的稳定的热负荷，保证较高的运行效率，而抽凝机组的抽汽可以灵活地调节热负荷的变化，保证供热的灵活性。

2 联合循环参数选择

2.1 蒸汽参数选择原则

虽然汽轮机在整个联合循环系统中的功率占比不足总功率的1/3，但是由于采用蒸汽做工质，系统比燃气轮机复杂，占地面积大，而且在三联供系统中提供热能和冷能，对经济性影响也较大。因而，对于汽轮机热力参数的选择及汽水系统的设计仍需进行认真比较，体现科学性和经济性。

联合循环中，余热锅炉及汽轮机系统中的能量来源于燃气轮机的余热，使这部分余热能最充分的利用，即使全厂的热效率最大化应该是参数选择的首要原则。其次，建设分布式能源项目的另一目的是满足周边用户的冷热负荷要求，使设计参数与需求相匹配，保证项目的可行性。所谓参数选择与优化，就是在这两者之间取得适当的平衡。

蒸汽的初温由燃气轮机的排气温度来决定。一般从燃气轮机排气端到蒸汽轮机进口的温差为20～50℃。对适用于汽轮机的朗肯循环，蒸汽初参数的压力与温度之间有一个合适的配合关系，蒸汽的压力即由这种关系确定。为便于在同一档次内采用相同的材料、工艺和零部件以及试验规范，各汽轮机主要制造厂商将汽轮机划分为中压、次高压、高压、压临界、超临界和超超临界等几个档次。对于30MW级别的燃气联合循环机组中的汽轮机，一般选用高压和次高压系列。

在选择主蒸汽压力时，一般需要考虑多方面因素的影响。一是对汽轮机功率的影响，即对余热锅炉产汽量和蒸汽在汽轮机中的绝对焓降的影响，一般原则是使蒸汽产量与焓降的乘积为最大。二是对汽轮机排汽湿度的影响。三是需要汽轮机的功率等级，当功率较小时，如压力偏高，则进汽的容积流量较小，通流部分的喷嘴和动叶高度较短，二次流损失增加，内效率降低，故压力不能选得太高。另外，最佳进汽压力还与燃气轮机的运行条件、燃料种类、烟气成分、大气环境、余热锅炉的布置形式等有关。

对于三联供系统的双压蒸汽循环来说，随着主蒸汽压力的升高，由余热锅炉产生的主蒸汽流量是不断降低的，但低压蒸汽的流量却是增加的。这不仅影响汽轮机的出力，而且影响冷热负荷的供应。显然，最佳参数的选择是一个在余热锅炉出力、汽轮机性能以及外部冷热负荷之间进行的最优化热力计算过程。

2.2 不同蒸汽参数等级性能比较

根据上文的分析，本文选择典型的由两台燃气轮机（LM2500+G4），两台双压余热锅炉和两台蒸汽轮机（1台抽凝机组，1台背压机组）组成2套联合循环机组。

表2和图2给出了该循环机组主蒸汽参数在不同等级下的机组性能参数与曲线。根据图表可以看出，随着主蒸汽压力与温度的提高，主蒸汽流量减少，供热能力下降，但是全厂热效率提高，汽轮机出力增加，低压蒸汽流量也随之增加。

3 经济分析比较

3.1 经济性影响因素分析

影响天然气三联供系统经济效益的因素涉及多个方面。

首先，关于项目成本方面，天然气CCHP供能系统项目的特点之一就是前期固定资产投入较大，占较大比例，因此天然气冷热电三联供系统内各设备的价格会影响项目固定资产投资，从而影响项目的投资效益。其中，由于燃气轮机的国产化率低，其成本在固定成本中占比很高。此外，天然气的价格也是影响项目可变成本的主要因素。但是在本文讨论的范围内，由于燃气轮机机型已选定，而且主蒸汽参数的变化也不影响天然气耗量。由于主蒸汽参数对汽轮机和余热锅炉材料有影响，经咨询设备厂，方案一和方案三的汽轮机成本差别约为400万元，余热锅炉价格几乎无差别。此外，主汽管道和辅机设备也几乎无差别。

其次，关于经营性收入方面，由于主蒸汽参数改变会影响余热锅炉产汽量和汽轮机出力，从而影响营业收入，包括供电收入、供热收入和供冷收入。

3.2 营业收入分析比较

由于各个分布式项目所在地区的上网电价和冷热负荷市场价格差异较大，但目前该类型项目多建于经济较发达同时有较大环保压力的地区，本文以上海莘庄冷热电三联供项目的外部条件为基础，进行经济性分析，具有一定的代表意义。上海地区分布式能源平均上网电价0.674元/kWh，供冷价铬：0.529元/kwh，含税供热价为250元/t。根据表2的数据，可以得出三个方案的营业收入差异，由表3可以看出，方案一较方案二年营业收入高275万元，方案一较方案三年营业收入高1045万元。

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3.3 经济性分析

由上述数据可以得出，提高主蒸汽参数后，虽然汽轮机等设备的投资会增加约400万元，但是每年的营业收入可以增加约1045万元，只需要约0.5年即可收回增加的投资。由此可见，提高主蒸汽参数会对该项目带来非常可觀的收益。

但是，由于各项目的实际外部条件不同，例如不同地区的上网电价不同，冷热负荷价格不同，项目的设计热负荷不同，因此对于具体项目均需要进行技术经济性比较，同时满足热负荷的需求，才能最终确定适合项目本身的方案。

4 结论

①对于天然气冷热电三联供系统的双压蒸汽循环来说，主蒸汽参数变化会影响余热锅炉蒸汽流量和汽轮机出力。

②随着主蒸汽压力与温度的提高，由余热锅炉产生的主蒸汽流量减少，供热能力下降，但是低压蒸汽流量随之增加，汽轮机出力增加，全厂热效率提高。

③随着主蒸汽参数变化对项目投资及成本影响不大，但对营业收入影响较大。以上海地区为例，主蒸汽参数的提高有利于增强项目的经济性指标。

④由于各项目实际外部条件不同，应综合分析热负荷、上网电价和市场冷热负荷价格等，进行技术经济性比较，最终确定适合项目本身的方案。

致谢：感谢华电-通用轻型燃气轮机有限公司、杭州锅炉集团、青能汽轮机发电有限公司及上海华电闵行能源有限公司提供的帮助与支持。

参考文献：

[1]清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]严俊杰，黄锦涛，何茂刚.冷热电联产技术[M].北京：化工工业出版社，2006.

[3]曾荣鹏.小型天然气分布式能源系统的方案选择及性能分析[J].华北电力技术，2012（10）：6-9.

[4]王旭东.冷热电三联供分布式能源综合效益分析[D].北京：华北电力大学经济与管理学院，2014.

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