燃煤供热电厂采用燃气蒸汽联合循环机组清洁生产改造案例分析

周俊飞华东理工大学工程设计研究院

燃煤供热电厂采用燃气蒸汽联合循环机组清洁生产改造案例分析

周俊飞
华东理工大学工程设计研究院

燃气轮机组三联供模式进行集中供冷、供热具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。利用天然气清洁能源替代燃煤锅炉，是治理大气污染和提高能源综合效率、节能减排的有效途径。通过实际案例对燃煤供热电厂采用燃气蒸汽联合循环机组清洁生产改造模式进行了分析和探讨。

天然气替代传统煤燃料；热负荷；热源选址；热网敷设；热平衡；节能效益；经济效益

根据《上海市人民政府办公厅关于转发市发展改革委等六部门制订的上海市燃煤(重油)锅炉清洁能源替代工作方案和专项资金扶持办法的通知》(沪府办发<2012>36号)、《关于进一步加大力度推进燃煤(重油)锅炉和窑炉清洁能源替代工作的实施意见》的通知（即市政府66号文），由此利用天然气清洁能源替代传统化石燃煤能源已经安排细致的时间节点，即2015年底拆除所有非热电厂的燃煤锅炉，2017年对所有300 MW以下的热电厂进行天然气清洁能源替代。本案例即为上海市清洁能源替代的典型性项目，也是上海市首个天然气清洁能源三联供的标杆项目。

实施燃气蒸汽联合循环机组-燃气热电冷三联供集中供能，是以天然气为燃料产生电力，并利用余热进行集中供冷、供热。具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。用节能环保的天然气能源替代工业区燃煤锅炉，是治理大气污染和提高能源综合效率，节能减排的有效途径，也是节能减排的大势所趋。

1 项目情况

1.1 热负荷

热负荷是工业区集中供热的基础。区域内需有稳定可靠的热负荷，即年负荷变化不大，不会随季节的变化而大幅度的变化。昼夜负荷变化小。一般工业生产工艺上用的负荷比较稳定且量较大，星级宾馆和医院的负荷也相对稳定。而办公楼宇、商场、学校、体育等公共场所的负荷变化较大且不稳定。因此替代后的集中供热的热负荷须稳定、持续和有一定的量。

1.2 地理位置

热源地理位置的确定是工业区集中供热的必要条件。热源位置既要满足热源自身所需的要求，同时也必须满足离热用户近的条件。热源离热用户近，在热量输送过程中热损失小，管道的建设投资省，符合节能减排的原则，并能产生较好的经济效益。反之如热源离热用户远，在热量输送过程中热损失大，管道的建设投资大，使热源的能量在输送过程中白白的浪费，不符合节能减排的原则，而且没有较好的经济效益。因此替代后的集中供热的热源须靠近热用户。

1.3 热网

热网是集中供热的生命线。是一条连接热源和热用户的通道。由于输送热量有别与输送天然气、水、油、电等其他介质，特别是蒸汽热网输送的条件比较苛刻。当管道的输送距离较长，而热用户的流量相对较小或不太稳定时，管道内的蒸汽会逐渐冷却变成饱和水，并随着管道的长度增加，水量也在增加。在管道沿线除了不断排除凝结水，在输送过程中也将产生不安全的因素。同时送到用户时可能发生带较多水的蒸汽，对用户的生产工艺有较大的影响，甚至影响到产品的质量。因此替代后的集中供热的热网与热源的距离不宜太长。

1.4 效益

替代后的集中供热要有社会效益也要有经济效益。由于使用清洁能源替代，社会效益显著，即达到了节能减排的目标，又产生了较好的大气环境和周边区域清洁的环境。但清洁能源的价格高于传统能源的价格，选择使用于该区域的集中供热方式和机组的配置，将使经济效益得到充分的体现。

2 天然气蒸汽联合循环三联供案例

为落实国家节能减排产业政策，上海某工业区及周边的供热工程实施燃气蒸汽联合循环机组-燃气热电冷三联供改造。项目以天然气清洁能源为燃料产生电力，并利用余热进行集中供冷、供热。项目不仅局限于工业区，还对周边地区形成覆盖，使该区域关停燃煤锅炉实施清洁能源替代。目前热源的一期工程已顺利投产，各项指标均达到预期的效果。

2.1 稳定的热负荷

2.1.1 一期热负荷

热源的一期工程主要替代原有工业区的集中供热站和分散锅炉房，热负荷是现有的，用热蒸汽压力均为1.3 MPa。一期工程的热负荷表详见表1，一期工程典型日热负荷曲线图详见图1，一期工程热负荷持续曲线图详见图2。

曲线表明热负荷在某个季节时段是较稳定的。

2.1.2 二期热负荷

二期主要是工业区周边已有分散的燃煤锅炉的热负荷，二期工程热负荷表详见表2，二期工程2.5 MPa典型日热负荷曲线图和年热负荷图详见图3和图4。

注：0.7 MPa等级蒸汽热负荷已包括正在建设用户的预测热负荷，暂无热负荷曲线图。

表1 一期工程热负荷表

图1 一期工程典型日热负荷曲线图

图2 一期工程热负荷持续曲线图

图3 二期工程2.5 MPa典型日热负荷曲线图

图4 二期工程2.5 MPa典型年热负荷曲线图

表2 二期工程热负荷表

2.1.3 民用冷热负荷

紧邻热源有一个综合商务区。是工业区向都市型综合产业园区的转型，有公共设施的配套，包括生产服务与生活服务。规划建设现代服务业聚集区，集中安排总部经济、外包服务、专业服务、科技孵化和金融服务功能，并辅以商业、文化娱乐等公共设施，形成以服务本区企业为主，并承接部分市中心服务功能外溢的综合配套区。初期将于2015年投入运行。根据有关专业的预测，初期的冷热负荷为42 t/h（主要是夏季空调制冷，冬季采暖）。

综合商务区与热源相邻，最有利于实行集中供热供冷。

从以上的热负荷表和热负荷曲线图说明该区域有较大和较稳定的冷热负荷。

2.2 热源位置

由于是老工业区，在热负荷的中心已没有地块可利用，只能选在尽量靠近热用户、又符合建热源的有限的空地块内。该项目的热源设在老工业区内，离原热网的供热站为1km；离综合商务区仅隔一条河；离最远的也是最大的热用户距离为7.5 km。

2.3 热网

2.3.1 原有热网

工业区原有的热网全部可以利用，只需对原有的供热站管道稍作改造。从原有热网延伸出去部分原来是分散锅炉用户的管道。

2.3.2 新建热网

新建热网主要是配合热源的二期工程。一期工程中部分原有热网无法延伸到分散锅炉的用户，而需重新敷设管道。新建的热网有三个压力等级：2.5 MPa、1.3 MPa、0.7 MPa分别向不同压力要求的用户供热。使能源得到合理的使用。新建热网的路由已得到有关部门的许可，基本上实施在已拓宽的河道绿化带内和已拓宽后的道路绿化带内。在热源内同类压力等级的管道设联通管，不同压力的管道也设联通管，并加控制装置使各类管道能互为切换，保证热源机组稳定的运行。

2.4 机组配置及热平衡

2.4.1 机组配置

根据以上热负荷的情况和建设场地的限制，热源选择燃气蒸汽联合循环机组比较合适。该项目共配置了6套燃气蒸汽联合循环机组分二期建设。

一期工程主要替代工业区的燃煤锅炉。建设2套60 MW级燃气－蒸汽联合循环机组，总额定提供1.3 MPa压力的蒸汽53.7 t/h为工业用。同时可为综合商务区初期提供0.7 MPa压力的蒸汽28 t/h为热电冷能源服务。选用每套机组由一台燃气轮机、一台余热锅炉和一台抽汽凝汽式蒸汽轮机组成，燃气轮机为室外布置，蒸汽轮机为室内布置。另配一台20 t/h的燃气锅炉作为应急备用。从上面的工业区热负荷曲线可以看出，工业区内的日热负荷、季节热负荷有较大变化，选用抽汽凝汽式蒸汽轮机组可根据热负荷的变化而调节，保证向热用户稳定地供热，但效率相对较低。

二期工程主要替代工业区周边的燃煤锅炉。建设4套30 MW级燃气－蒸汽联合循环机组，总额定提供2.5 MPa的蒸汽74.4 t/h；提供1.3 MPa的蒸汽69.2 t/h。同时可为综合商务区初期提供0.7 MPa的蒸汽14 t/h为热电冷能源服务。选用每套机组由一台燃气轮机、一台余热锅炉和一台背压式蒸汽轮机组成，燃气轮机为室外布置，蒸汽轮机为室内布置。其中设置两台燃气轮机配2台高背压式汽轮机以及两台燃气轮机配2台中背压式汽轮机。从二期热负荷的曲线可以看出，日和年的热负荷都较为稳定。选用背压式汽轮机的排汽对外供热，没有冷源损失，热效率高。由于热负荷大且稳定，背压式机组在此工况下可以获得较好的经济性。2.4.2 热平衡

该项目实现燃气冷热电三联供替代煤燃料的锅炉。因区域内用户多、供热参数品种多、供热管线距离较长，所以热源内的一期和二期的蒸汽需分级联通，各蒸汽网之间的平衡可由控制装置解决，一方面是保证背压机组的基本负荷。另一方面是确保热用户用热的稳定和安全。并在靠近主要热用户附近建设一套燃气锅炉备用，以彻底解决用户的后顾之忧。

2.5 效益分析

2.5.1 减排效益

燃气蒸汽联合循环机组采用清洁的天然气为燃料。该项目选用的燃气轮机在燃烧天然气时，采用低氮燃烧技术，使排放烟气中NOx和SO2排放浓度低于GB13223-2011标准的排放浓度50 mg/ Nm3和35 mg/Nm3以下。年排放SO2量不超过45 t；年排放NOx不超过285 t。烟气经40 m高烟囱排放。

经分析与计算实现燃气蒸汽联合循环机组三联供后，该地区每年可以减少煤燃料的消耗量约18万t标煤，每年可减少SO2的排放量1 164 t；减少NOx的排放量749 t；减少CO2的排放量48万t；不产生烟尘；不产生灰渣等固体废弃物。大大改善该地区的大气环境质量。根据对已投入运行的一期燃气蒸汽联合循环机组测定，SO2的排放浓度为21.3 mg/m3，NOx的排放浓度为32 mg/m3，均低于国家标准的排放范围。

2.5.2 供能效益

随着一次能源由燃煤向天然气等清洁能源的转变，用热企业获得蒸汽价格必然上升。根据测算，使用燃煤锅炉生产蒸汽的成本约为180元/t ，使用天然气锅炉生产蒸汽的成本约为400元/t。大幅上涨的蒸汽成本必然会给企业生产经营带来冲击。而采用燃气蒸汽联合循环机组生产的蒸汽的成本约为278元/t。用热企业不用改造原有锅炉就能使用天然气产生的价廉的蒸汽。使热源企业和用热企业得到双赢。

2.5.3 节能效益

图5 供热系统热平衡图

一般分散小型锅炉的热效率在50%～70%，发电厂的发电效率一般为30%～40%；而集中供热采用燃气蒸汽联合循环机组，能量梯级利用，利用率高，该项目机组整体效率在88%以上。大型燃气蒸汽联合循环机组（采用背压式汽轮机组）热效率高，减少燃料消耗，具有明显的节能效果。

该项目实现了燃气替代煤燃料后的集中供热供冷不仅节能效果明显，更重要的是减少了对环境的污染。

2.5.4 经济效益

上海地区的燃气机组的运行小时数基本在2000～3 000 h，由于该项目是热电冷三联供机组，机组利用小时数可达5 500 h以上。因此具有一定的经济效益。

2.5.5 气电调峰效益

该项目所处的地区电网平衡一直有较大的电力缺口，供电较为紧张。燃气热电冷三联供机组采用自发电，可以作为调峰机组，避开电网用电高峰，可用于该地区的部分电负荷的需求，缓解地区电力峰谷差，在一定程度上减轻当地电网供电压力。

燃气热电冷三联供机组在夏季能够协调天然气富裕而电力紧张的平衡作用；燃气热电冷三联供机组另外一个作用是调节天然气网的负荷，一般白天用户的冷热负荷和电力负荷较大，到晚上是较小，而天然气负荷则相反，因此对天然气网和电网具有双向调峰作用，能够减小电网峰谷差，优化能源系统的运行。

3 结语

以上的案例说明了燃煤供热电厂采用燃气蒸汽联合循环机组清洁生产改造模式是节能减排的有效途径。该项目满足工业区及周边地区的工业用汽和采暖(制冷)的任务，成为该区域主要热源之一，为工业区的可持续发展创造条件；解决附近地区部分用电需求；降低整个能源结构中的耗煤比重；减少环境污染，符合上海以环境友好方式利用资源、保护环境、调整能源结构、提高能源的利用水平和走经济可持续发展之路的要求。

除了具有明显的社会效益和环境效益外，在一定的冷热负荷的支撑下还具有较好的经济效益。

长三角地区经济发达，实行集中供热的小型燃煤热电厂很多，而且大多具有较大和稳定的热负荷。燃气蒸汽联合循环热电冷三联供机组替代小容量燃煤热电机组和小锅炉，不仅节约了能源，同时将有效地改善该区域环境空气质量，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益，宜复制推广。

Case Analysis on App lying Gas and Steam Com bined Cycle Unit Clean Production Renovation at Coal-Fired Heating Pow er Plant

Zhou Junfei
East China Science and Engineering University Engineering Design Institution

Gas-fired turbine CCHP can provide heating and cooling with comprehensive benefits, such as saving energy, improving environment, enhancing heating quantity, increasing electric power supp ly etc. Using clean natural gas to replace coa l-fired boiler, which is effective measure to hand le air pollution and improve energy comprehensive efficiency and energy saving and em ission reduction. The author analyzes and discusses applying gas and steam combined cycle unit clean production renovation mode through p ractical cases.

Natura l Gas Rep lacing Traditiona l Coal，Heating Load, Heating Resource Site Selection, Heating Network Laying, Heating Balance, Energy Conservation Benefit, Econom ic Benefit

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.010