天然气分布式能源站装机方案选择及节能分析①

摘 要：本文介绍了某分布式能源站冷热电三联供系统以及项目概况。根据工程冷热电负荷的需求，进行装机方案原则论证。从一次能源利用率、总热效率、节能和应用效果等方面论述了燃气冷热电联供是我国推行分布式能源供应的优良方式。

关键词：分布式能源站 机组选型 节能

中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）0116-02

天然气分布式能源系统是直接面向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，它不同于传统的集中式能源生产与供应模式，而是分散在用户端，以能源综合梯级利用模式，来达到更高能源利用率、更低能源成本、更高供能安全性以及更好的环保性能等供能多目标。分布式是实现发电、制冷、制热等多种功能先进能源系统，明确列入了“国家节能中长期专项规划”中的重点节能领域。分布式能源系统适合建立在建筑功能多样化、建筑相对集中的区域。不同建筑功能的建筑之间出现的能源峰谷时间不同，建筑功能多样化可以使区域内的电、冷、热需求相对平衡，利于系统长时间稳定运行，提高系统的年利用效率。

根据发改能源[2011]2196号文件《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，合理选择建设规模，优化系统配置，原则上天然气分布式能源全年综合利用效率应高于70%，在低压配电网就近供应电力。发挥天然气分布式能源的优势，兼顾天然气和电力需求削峰填谷。

某经济开发区集居住、商业、工业于一体，有电、冷、热负荷需求，能源需求多样化，适合建立分布式能源站，实现多系统能源融合，利用效率发挥到最大状态，以达到节能减排的目的。

本能源站一期拟建设2套燃气-蒸汽联合循环机组，包括3台LM6000PD Sprint型燃气轮机（各带1台发电机）、3台余热锅炉（单压，带尾部热水锅炉）、1台背压式汽轮机（带1台发电机）和1台抽凝式汽轮机（带1台发电机），主蒸汽采用母管制连接，并设置2套减温减压装置作为备用。汽轮机最大能供工业蒸汽118 t/h，加上热水锅炉的供热量约35.8 MW（510 t/h），以满足本地区近期工业蒸汽负荷大部分需求和热水负荷大部分需求。由于该经济开发区已经建成了一定数量和容量的锅炉房，锅炉房的取缔需要一段时间，开发区的热负荷也是逐渐提高，因此余下热负荷可在能源站二期进行弥补。

1 装机方案

考虑到供热的可靠性，本工程燃气轮机数量以不少于2台为宜，当1台燃气轮机或余热锅炉停运后，能保障用户最小热负荷的需求。同时，由于燃气轮机因压气机进气量的调节幅度小，低负荷时效率陡降，因此燃气轮机高效率运行的调度方式应以台调节为主，不宜采用平均负荷的调度方式。因此，燃气轮机数量以不少于2台为宜。根据开发区的热负荷和电负荷情况，确定机组的供热能力和供电能力，本工程机组选型初步按下述方案考虑。

（1）方案一：安装2套燃气-蒸汽联合循环机组（1套“二拖一”和1套“一拖一”，主蒸汽采用母管制），包括3台LM6000PD Sprint型燃气轮机（各带1台发电机）、3台余热锅炉（单压，带尾部热水锅炉）、1台抽凝式汽轮机（带1台发电机）和1台背压式汽轮机（带1台发电机）。

（2）方案二：安装3套燃气-蒸汽联合循环机组（3套“一拖一”，主蒸汽采用母管制），包括3台LM6000PD Sprint型燃气轮机（各带1台发电机）、3台余热锅炉（单压，带尾部热水锅炉）、2台背压式汽轮机（各带1台发电机）和1台抽凝式汽轮机（带1台发电机）。

两个方案（年平均工况）比较详见表1。

以上方案均可满足平均工业生产蒸汽负荷需求，供热水量基本相等。

方案二有3台燃气轮机、3台余热锅炉和3台汽轮机，供热可靠性高，装机容量适当，初投资高，机组运行调节灵活性较高。

方案一有3台燃气轮机、3台余热锅炉和2台汽轮机，供热可靠性高，装机容量适当，初投资较低，机组运行调节灵活性高。

燃气-蒸汽联合循环热电联产机组中，燃气轮机、余热锅炉、汽轮机的匹配原则一般是：余热锅炉的蒸发量与燃气轮机排出的烟气余热相匹配，汽轮机的进汽量与余热锅炉的蒸发量相匹配，以使能源的利用效率最大化。汽轮机可以是抽汽凝汽式，也可以是背压式。背压式汽轮机热效率高，但在实际运行中，如果热负荷变化频繁，将使整个机组的负荷率随之不断调整，对整个机组的运行不利。特别是当热负荷较小时，导致整个机组处于低负荷运行，此时整个机组的热效率会大大降低。而抽凝式汽轮机的抽汽可以随着热负荷的变化而调节，整个机组可以长期保持较高的热效率。而根据国家能源政策，对于有充足、稳定的工业热负荷的地区，原则上建设背压式机组，必要时配合建设抽汽凝汽式机组。

方案一根据开发区热、冷、电负荷变化情况综合考虑，同时配置背压式汽轮机和抽汽式汽轮机，兼顾效率和灵活运行的需要。背压式汽轮机的排汽可以直接对外供热，没有冷源损失，热效率高。抽凝式汽轮机运行灵活，热效率较纯凝机组高。由于工业热负荷属于持续性热负荷，需保证供热可靠性，否则将会给热用户的工业生产造成较大的损失，因此装机方案通过采用背压式汽轮机和抽汽式汽轮机兼顾的格局。三台余热锅炉的高压蒸汽管道通过切换母管同时给背压式汽轮机和抽凝式汽轮机供汽。背压式汽轮机的排汽管道和抽凝式汽轮机的抽汽管道并联至供热母管上，向厂外供热。三台余热锅炉尾部设置的热水锅炉产生的热水连接成母管，夏季作为热水型溴化锂吸收式制冷机的驱动热源，全年作为生活热水的加热热源。

根据该地区的热负荷，全年有4个月是热用户的生产淡季，有4个月是热用户的生产旺季。生产淡季时，由于供热负荷减少，方案二的2台背压机其中1台将只能采用低负荷运行，运行效率低，必然影响投资效益，所以方案二的机组不太适应热负荷的变化，而方案一采用的是1台抽凝机+1台背压机，无论在供热工况，还是在凝汽工况下运行都具有高的热效率，都能送出高效、节能和较清洁的电力，抗风险能力强。生产旺季时，可保留2台15 t/h容量的锅炉作为调峰锅炉满足余下的热负荷，这样可使能源站取得最佳经济效益。

综上所述，能源站一期装机方案推荐方案一，即装设3台LM6000PD Sprint型燃气轮发电机组、3台余热锅炉（单压，带尾部热水锅炉）、1台抽凝式汽轮机（带1台发电机）和1台背压式汽轮机（带1台发电机）。

推荐方案能源站全厂年平均热效率为75.32%，年平均热电比为76.5%，符合《热电联产项目可行性研究技术规定》中常规燃气轮机热电厂全厂年平均总热效率应大于55%、各容量等级燃气轮机热电联产的热电比年平均应大于30%的要求。

2 节能分析

在相同供电量和供热量的情况下，若采用热电分产，即先进凝汽式电厂供电、集中供热锅炉生产蒸汽和热水供热，或若采用关停供热锅炉，取其主要热经济指标如表2。

注：超临界600 MW级机组发电标煤耗为281 g/kWh，厂用电暂按6.3%计算，平均供电标煤耗为300 g/kWh。

通过上表可以看出，在相同供电量和供热量的情况下，采用热电分产，全年标准煤耗量约为37.15×104 t；采用关停的供热锅炉，全年标准煤耗量约为39.35×104 t；本工程全年天然气耗量2.306×108 N m3，折合标准煤量26.22×104 t，相对于热电分产每年节约标准煤量10.93×104 t，相对于关停的供热锅炉每年节约标准煤量13.13×104 t，能够显著地节约能源、减少排放。

而且，采用热电联产的方案能源利用效率比热电分产以及关停的供热锅炉要高大约20个百分点。

3 结论及建议

通过对热电联产、分散锅炉供热的能源利用效益比较分析可知，热电联产比分散锅炉供热在提高能源利用效率、减少污染排放、节约能源和土地资源等方面效果更为显著，且社会效益明显。

参考文献

[1]夏立峰.分布式能源站负荷供应及供热优化研究[J].华中电力，2014（4）：412-413.

[2]杨威，刘欣.天然气分布式能源站主机方案选择[J].山西建筑，2012（10）：158-160.

[3]罗健.燃气分布式能源发展前景及经济性分析[J].燃气轮机技术，2012（3）：17-19.

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