燃气分布式能源电厂机组选型分析

赵 丹

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

0 引言

分布式能源是利用小型设备向客户提供能源供应的新能源利用方式，通常指在客户附近，以小规模、分散式的方式布置，可独立提供电、冷、热的供能系统。作为一种能源集成系统，分布式能源的冷热电联产系统是一种建立在能量梯级基础上，将供热、制冷及发电过程结合在一起的总能系统，使系统内的中、低温热能得以合理利用［1］。与传统的集中供电系统和热电联产系统相比，冷热电联产系统可以在大幅度提高系统能源利用率的同时，降低环境污染，能更好地满足客户对不同能源形式的需求。

目前，天然气冷热电三联供是分布式能源的主要利用方式，其燃料除了天然气外，也可以是煤层气、煤制气、焦炉煤气等，其能源利用率可达到80%左右。因此，为尽可能提高能源利用率，有必要选择适宜的分布式电厂燃气—蒸汽联合循环机组配置方式，并根据冷、热、电客户的实际需求，配置与实际需求相匹配的机组方案。

1 燃气冷热电三联供机组型式

燃气冷热电三联供系统主要由动力设备、余热利用设备和制冷设备等组成。

1.1 动力设备

冷热电联供系统的动力设备主要有燃气轮机、燃气内燃机、燃气外燃机、微燃机和燃料电池等［2－3］。

1）燃气轮机是分布式能源项目中普遍使用的动力设备。小型燃气轮机容量从几百千瓦到50 MW，发电效率一般在20%～35%，余热均为高品质烟气，温度在500℃左右，非常便于回收，热电联产效率一般可达75%～85%。商业发电用机组容量一般为100～300 MW。燃气轮机分为重型燃气轮机及轻型燃气轮机：

（1）工业重型燃气轮机是专门为陆用发电而开发设计的，特点是设备体积和质量较大，对燃料的适应性较强，可燃用轻质油和重油。重型燃气轮机的排气温度较高，当采用燃气—蒸汽联合循环时，其配置的余热锅炉产汽量较大，故汽轮机的发电出力和供汽量均较大。虽然该型燃气轮机单循环效率略低于轻型燃气轮机，但联合循环热效率略高，缺点是设备的检修周期较长。

（2）轻型燃气轮机体积小、重量轻，设备部件精度高，对机组运行的环境条件要求较苛刻。轻型燃气轮机启停迅速，单循环热效率较高，非常适宜于作调峰发电机组。轻型燃气轮机排气温度较低，当采用燃气—蒸汽联合循环时，其配置的余热锅炉产汽量较少，故汽轮机的发电出力和供热汽量均较小，对于冷热电三联供项目来说，其供热能力相对较低。

2）燃气内燃机初投资较低、启动方便、变工况性能较好，但噪声较大、污染物排放较高，需要定期维护。内燃机发电效率较高，从小楼宇使用的1～5 MW，到热电联产电厂或调峰电厂的20～100 MW，发电效率均可达到35%～44%。内燃机组可以搭配各种大小不同单机容量，以多机组合、可渐进扩充发电容量满足电厂弹性的经济性投资。内燃机的余热有350～450℃的排气、90～110℃的缸套冷却水、50～80℃中冷器冷却水和润滑油冷却水，热回收可视需求分别从不同系统获得。

3）燃气外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，发电效率可达40%，且出力和效率不受海拔高度影响。外燃机可选用的燃料范围比较广，包括各种气体、液体和固体燃料。燃料在汽缸外过氧连续燃烧，运行平稳、振动小，排气中有害成分较少，且噪声较低。外燃机零部件较少，润滑油耗量较小，无需过多维护保养。但其制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和使用寿命尚待提高。

4）微燃机将燃气轮机微型化、简单化，并结合先进的回热技术、永磁发电技术、电力变频控制技术和智能控制技术进行了优化整合，使其成为一种白色家电化的能源设备。微燃机的功率在30～300 k W，发电效率为12%～28%，烟气温度在275～550℃。微燃机结构紧凑、运动部件较少、重量较轻，且运行维护成本非常低。

5）燃料电池是把氢和氧反应生成水放出的化学能转换成电能的装置，具有高效率、无污染、适用广、无噪声等优点。目前，燃料电池尚处于开发研制阶段，待技术、价格等相关问题得到解决之后，将是未来最具发展价值的动力设备。

1.2 余热利用设备

冷热电联供系统的余热利用设备主要为余热锅炉。余热锅炉实质上是一台大型的热交换器，利用燃气轮机的高温排气加热给水，并产生过热蒸汽，再送往汽轮机做功。

余热锅炉按照结构型式可分为立式和卧式；按照燃烧方案可分为补燃和无补燃，补燃余热锅炉又可分为部分补燃和完全补燃；按照蒸汽压力等级可分为单压、双压、双压再热、三压和三压再热5类蒸汽系统。

1.3 制冷设备

冷热电联产系统中的制冷系统主要分为压缩式和吸收式两种。

1）压缩式制冷机主要通过消耗外功并传递给压缩机进行制冷，可通过机械能的分配来调节电量和冷量的比例。

2）吸收式制冷机则是通过消耗低品味热能来制冷，将来自热电联产的一部分或全部热能用于驱动制冷系统，根据对热量和冷量的需求进行调节和优化。

常用的吸收式制冷设备有溴化锂吸收式制冷机和氨吸收式制冷机。溴化锂吸收式制冷机以热能为动力，溴化锂溶液为吸收剂，制取0℃以上的冷水。其对热源参数的要求低、适应性强，且消耗电能较少。氨吸收式制冷机以氨—水作为工质，工作原理与溴化锂吸收式制冷机相似，且能制取0℃以下的冷量而不易结晶。

2 分布式能源电厂机组配置分析

分布式能源电厂通常为燃气—蒸汽联合循环发电机组，即除上述燃气冷热电三联供主要设备外，还配有蒸汽轮机发电机组。燃气轮机产生的高温排气在余热锅炉中加热给水，使其成为过热蒸汽后进入蒸汽轮机做功。根据冷热客户特点，蒸汽轮机可选用纯凝式、抽凝式和背压式。

分布式能源电厂机组配置的原则是根据上网电量和周边的用热、用冷负荷，按“以热定电、以冷定电”原则进行配置［4］。通常，热负荷为采暖负荷时，由于机组运行有季节性差异，故需选用抽凝式蒸汽轮机。热负荷若为稳定的工业用汽，则推荐使用背压式蒸汽轮机。大多数分布式能源的热负荷都是既有采暖负荷又有工业负荷的，此时建议根据实际热负荷情况，使用抽凝式与背压式汽轮机配合设置的方案［4－5］。

下面以某工业园区的分布式能源机组配置方案为例，分析说明各机组配置的特点。

2.1 确定供热参数

园区内规划用热蒸汽企业共7家，需蒸汽压力为0.60～1.25 MPa，温度为160～220℃，总计蒸汽用量约为105 t／h；需要0.3 MPa、7℃左右的冷却水客户两家，需要冷却水用量约为550 t／h。

根据各热客户用蒸汽参数、用蒸汽时间及至供汽电站距离等特点，将汽机抽汽口供热额定参数定为1.4 MPa、300℃左右，后经减温器减至220℃送出。将冷水用量折合为热蒸汽后，折算至热源分界点后的蒸汽量约为100 t／h。

2.2 机组配置方案

根据客户特点及电站管理运营性质，选用燃气轮机较为合适。本项目适宜选用的重型燃气轮机为GE ＆南汽公司的PG6111FA型及PG6581B型燃气轮机，普惠公司FT8-3型燃气轮机。轻型燃机可选用GE ＆ 华电通用公司的LM6000PD-SPRINT型燃气轮机。机组配置方案如表1所示。

2.3 各配置方案经济技术指标的分析比较

各配置方案的经济技术指标如表2所示。

1）两套PG6111FA型“一拖一”燃气—蒸汽联合循环机组的配置方案，选用抽凝式汽轮机。燃机的单机循环效率较高，联合循环机组发电量很大，供热能力较大，但由于本项目所需热负荷低于其供热能力，故总热效率不高。

表1 机组配置方案

2）两套PG6581B型“二拖一”燃气—蒸汽联合循环机组的配置方案，选用抽凝式汽轮机。燃机的单机循环效率较低，联合循环机组发电量很大，供热能力很大。但由于本项目所需热负荷远低于其供热能力，故总热效率很低。

3）两套PG6581B型“一拖一”燃气—蒸汽联合循环机组的配置方案，一套选用抽凝式汽轮机，一套选用背压式汽轮机。由于选用了背压式汽轮机，故联合循环机组的发电量很小，供热能力与本项目较匹配，总热效率较高。

4）两套FT8-3型“一拖一”燃气—蒸汽联合循环机组的配置方案，一套选用抽凝式汽轮机，一套选用背压式汽轮机。燃机的单机循环效率较高，联合循环机组的发电量较小，供热能力与本项目较匹配，总热效率较低。

表2 各配置方案的经济技术指标

5）三套LM6000PD-SPRINT型“一拖一”燃气—蒸汽联合循环机组的配置方案，一套选用抽凝式汽轮机，两套选用背压式汽轮机。燃机的单机循环效率很高，联合循环机组发电量较大，供热能力较小，但与本项目很匹配，故总热效率很高。

这几种配置方案均可满足热客户供热需求，但从机组初投资及总热效率等方面综合考虑，本项目推荐配置两套PG6581B型“一拖一”燃气—蒸汽联合循环机组，一套选用抽凝式汽轮机，一套选用背压式汽轮机。

3 结语

重型燃气轮机单机循环效率相对稍低，但供热能力较大，对燃料品质及运行环境有较强的适应性。轻型燃气轮机单机循环效率较高，发电能力更强，较适合运行环境较好的楼宇类场所。在机组配置时，需要根据冷、热、电客户的实际需求，配置与实际需求相匹配的机组方案，可采用分期建设，切勿过度放大配置，降低机组的运行经济性。分布式能源项目应尽可能多方位开发低品质热能客户，以提高综合利用的高效率。

［1］ 王涛.分布式冷热电联供系统及工程实例介绍［J］.热机技术，2012（12）：118-125.

［2］ 焦树健.燃气—蒸汽联合循环［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］ 黄科文，李鹏鹏，彭显刚.含分布式电源的配电网电压调整策略研究［J］.电网与清洁能源，2013（01）：29-33.

［4］ 刘金海.燃气—蒸汽联合循环机组方案比较［J］.科技信息，2010（36）：289-290.

［5］ 庄园，贺海，杨晓慧.含分布式电源优化调度的配电网络重构［J］.电网与清洁能源，2012（12）：13-18.