天然气分布式能源站装机方案选择及节能分析

文/唐伟，彭州华润燃气有限公司

1 总论

1.1 项目背景

我国传统的能源结构中，燃煤在一次能源中比重过大，由此所导致的全社会整体能源利用效率低下、环境污染严重等恶劣影响日益凸显。尤其近年以来各大中城市雾霾的肆虐，加大了国家对环境整治的决心，也加大了我国对发展清洁能源的需求。

随着国家对节能减排的重视以及对新能源技术的支持，天然气分布式能源技术作为缓解上述问题的有效手段，已经在国内得到广泛应用。

1.2 项目概况

本项目位于四川省成都市，供能对象为四川某有限责任公司，是一家专业生产生活用纸、高强瓦楞原纸、鞋用纸板的企业，拥有九条生产线。

项目属于煤改气工程，响应政府清洁能源改造政策，全年具有稳定的热、电负荷需求，适合采用天然气分布式能源系统来满足自身的用能需求。

电力情况：根据调研资料，企业目前仅有1回10kV市电作为电源，并建有1座高压配电室。

低压变配电系统，除1座公用变配电外，其余变压器分散设置于各车间，具体情况如下：

高压配电室旁建有1座低压变配电室，内设1台1000kVA变压器，供企业园区内的锅炉房、污水站、清水池、软水处理等设备用电。

一车间建有纸机配电室，配1台1000kVA变压器；浆配电室，配1台1600kVA变压器。

二车间内设置3台变压器，容量为2×800kVA+1×1250kVA。

三车间设置2台1000kVA变压器。

四车间设置1台1000kVA变压器。

五车间设置1台800kVA变压器。

蒸汽情况：现有1台20吨燃煤锅炉，蒸汽参数：1.0MPa，180℃。2016年蒸汽用量为176458吨，在同一生产日内蒸汽负荷波动不大。下半年会增加一条生产线，需要4吨蒸汽，总设计容量按30t/h设计。

2 能源站接入系统方案设想

能源站电力接入市政供电系统方案的确定，要依据国家电力有关规程、导则的规定，要考虑能源站发电设备最终规划总装机容量和发电设备单机容量，企业市电电源供电等级、供配电系统接线型式，能源站外送输电容量，系统短路水平和国家标准等因素，经能源站接入系统技术经济论证和上级机关审查确定。

本项目分布式能源系统供能范围是能源站自用电及企业的生产、办公用电，宜直接接入负荷中心。本项目共选配1台4600kW等级的燃气轮机，发电机出口电压建议选为10.5kV。

本工程现阶段按照“并网不上网”

的原则进行研究。现阶段能源站暂按10kV等级出线设计，共设1回，采用电缆出线，接入企业的10kV高压系统。

3 装机方案

按照“并网不上网”的运行模式，保证所发电力及余热产生的冷热量能在区域内被完全消化或尽可能多地消化，同时结合项目的负荷特点及能源价格等边界条件考虑发电机组选型，余热利用设备与调峰系统一起满足项目的全部冷、热负荷需求。

经多方案比较，本工程推荐装机方案为：1台4.6MW等级燃气内燃发电机组对接1台余热锅炉，并以燃气锅炉作调峰设备，不足电负荷由市政电力提供。

3.1 主要设备选型

3.1.1 机组选型原则

该项目建设分布式能源站应尽量兼顾供热与供电的双重要求，在机组选择方面主要遵循以下原则：

（1）发展热电冷联产的初衷即为提高能源利用率，促进节能减排，为真正实现这个目标，该分布式能源站应尽量采用天然气等清洁能源，选择高效率、清洁、环保的设备。积极向资源节约型、环境友好型社会的方向发展。

（2）机组容量首先应该满足企业现有及近期热负荷的需求。

（3）满足国家热电联产和分布式能源有关政策中关于热电比、热效率的有关要求。

（4）为提高机组利用率，在确定装机容量时，不应按全年最高热负荷来匹配机组，可通过配置调峰天然气锅炉、集中电制冷等调峰措施来满足尖峰负荷。

（5）对于燃机和内燃机，由于天然气价格较贵的特点，应尽可能选用高效率的机组，以充分利用能源，降低供热供电价格。

3.1.2 机组型式的确定

燃气轮机和燃气内燃机相比，燃气轮机生产蒸汽的能力较大，对热负荷的适应能力较强。本项目由于热负荷需求较大，因此，选择供热能力较大的燃气轮机方案；同时考虑到电负荷消纳能力相对有限，多余电力暂时难以获得合适的价格回报，而燃气轮机简单循环能够将更多热能用于供热，因此，现阶段按燃气轮机简单循环方案进行方案比选。

燃气轮机市场有一定特殊性。由于制造厂技术水平和技术路线的差异，不同燃机体现出各自的特色和不同的优势，差异性较突出。同时，还要考虑国内燃机市场的约束。

3.1.3 燃气轮机选型

在国际燃气轮机市场中，燃气轮机的主要厂家有美国的GE公司、RATT&WHITNEY公司、三菱公司、德国的Siemens公司、美国Solar公司等。

目前陆上发电用燃气轮机有轻型和工业重型两类可供选择。

轻型燃气轮机由航空燃气轮机派生，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也较苛刻。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。但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。另一方面，该型燃机，初投资较高，而且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。由于目前主要的航改型燃气轮机厂家可以提供备用转子更换，因此检修时间可大大缩短。

工业重型燃气轮机是专门为陆用发电而开发设计的，其特点是设备体积和重量较大，对燃料的适应性较强，既可燃用轻质油，也可燃用重油。机组启停也很快。工业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。重型燃机的检修周期较长，可在能源站内完成大修，因此相对航改燃机来说，其维护费用较低，根据对某重型燃机厂家的了解，其维护费用大概是航改燃机的60%左右。

本项目的用户主要为工业蒸汽用户，项目以供应工业蒸汽为主，其全年负荷波动性不大，因此现阶段选择重型燃机作为主要设计机型。本项目所需要的燃气容量在4～5MW之间，可选燃机品牌为西门子公司及Solar公司。

西门子公司自1948年自行开发第一台燃气轮机以来，按标准模块的设计原则，首先建立起一套成熟可靠、有长期运行业绩的标准部套结构。例如压气机的中心拉杆转盘结构、压气机转向导叶结构、双轴承支撑、轴向排汽、功率冷端输出、四级燃气透平、标准的压气机通流部分等。通过几何和转速的模化原理，按转速及0.67：1：1.2的尺寸比例，加上调整压气机进汽级的方式形成了几种功率等级的产品。目前西门子SGT系列小型燃气轮机的功率范围在5～45MW范围内有多种选择。

Solar公司是卡特彼勒的全资子公司，是世界上生产1000kW至15000kW工业型燃气轮机及燃气轮机成套机组的领先厂家。Solar公司在长达50年中，一直是燃气轮机系统设计、制造和系统集成的先驱，同时也是中小功率工业型燃气轮机的领导者。迄今为止，solar公司已有超过100台机组遍布中国各地。

本项目所需要的燃气容量在4～5MW之间，可选燃机如下表所示：

表3.1 燃气轮机性能参数对比

3.1.4 机组方案比选

（1）、发电机实际工况输出比对

燃机的运行工况与项目所在地的海拔，气温，湿度等相关，影响较大的是气温变化，成都月平均温度如下表：

表3.2

不同燃气轮机的ISO性能参数参数见表3.3：

1、Solar Centaur50机型

半人马C50燃机透平出来的烟气温度大约450～540℃，可以利用余热锅炉吸收高温烟气热量生产蒸汽进行热电联产。半人马C50燃气轮发电机组是应用在工业发电的设计紧凑的发电设备,该机组是完全高度集成化的单撬装置，出厂就可以安装。系统包括燃气轮机发动机、齿轮箱、发电机、控制系统、燃料系统、滑油系统和启动系统。半人马C50燃气轮机发动机是单轴、轴流式的,其输出齿轮箱，包括辅助驱动齿轮,安装在透平进气端的部分,出力4600KW（ISO 标准状况：海平面，环境温度-0℃，湿度60%，进排气损失不计），排气温度510℃，发电效率约29.3%。以天然气为燃料的燃机发电机组。

依据成都月平均气温变化，根据上图得知，Solar Centaur50机型在该项目中应用实际的功率输出为3830kw～4343kw之间。

2、Solar Centaur40机型

半人马C40燃气轮机发动机是单轴、轴流式的，其输出齿轮箱，包括辅助驱动齿轮，安装在透平进气端的部分，出力3500KW（ISO 标准状况：海平面，环境温度0℃，湿度60%，进排气损失不计），排气温度440℃，发电效率约27.9%。以天然气为燃料的燃机发电机组。

根据成都市平均月气温绘制各月燃机实际100%输出功率图如下：

表3.3 燃气轮机配余热锅炉参数表

图3.1 Solar Centaur40随温度变化输出功率图

依据成都月平均气温变化，根据上图得知，Solar Centaur40机型在该项目中应用实际的功率输出为2900kw～3347kw之间。

3、西门子SGT-100-5.1MW机型

西门子SGT-100-5.1MW燃气轮机发动机是单轴、轴流式的,其输出齿轮箱，包括辅助驱动齿轮,安装在透平进气端的部分,出力5050KW（ISO 标准状况：海平面，环境温度0℃，湿度60%，进排气损失不计），排气温度545℃，发电效率约30.2%。以天然气为燃料的燃机发电机组。

根据成都市平均月气温绘制各月燃机实际100%输出功率图如下：

图3.2 西门子SGT-100-5.1MW随温度变化输出功率图

依据成都月平均气温变化，根据上图得知，西门子SGT-100-5.1MW机型在该项目中应用实际的功率输出为4325kw～4795kw之间。

（2）、按月平均用电负荷进行机型匹配对比

根据企业提供2016年按月交付电费用电量清单，用电平均小时用电负荷绘制如下表：

图3.3 2016年各月平均小时用电负荷图

根据企业提供2017年1～8月按月交付电费用电量清单，用电平均小时用电负荷绘制如下图：

图3.4

Solar Centaur50、Centaur40机型及西门子SGT-100-5.1MW机型在2016年各月发电机负荷率曲线如图3.5：

Solar Centaur50、Centaur40机型及西门子SGT-100-5.1MW机型在2017年各月发电机负荷率曲线如图3.6：

根据2016及2017年企业实际用电负荷情况，以及与各机组按月实际输出功率进行对比（因2月为春节期间，企业停产时间较长，不做比较参考），可得知，Solar Centaur40机型在2016及2017年的实际用电负荷情况下，均能满负荷运行；Solar Centaur50机型在2016及2017年的实际用电负荷情况下，机组运行负荷均在95%以上。西门子SGT-100-5.1MW机型在2016及2017年的实际用电负荷情况下，大部分时间不能满负荷运行，运行负荷在80%～90%之间。

根据以上数据分析，Solar Centaur40机型和Solar Centaur50机型均满足该项目实际用能需求。西门子SGT-100-5.1MW机型输出负荷比实际用能负荷大，因此不推荐该型号机组。

图3.5 机型在2016年各月发电机负荷率曲线图

图3.6 机型在2017年各月发电机负荷率曲线图

图3.7 机型在9月29日至9月30日负荷率曲线

10月13日至10月14日对企业实际小时用电负荷进行记录如表3.4：

根据上表，日平均用电负荷为4167kw。

根据该天逐时小时用电负荷，Solar Centaur50、Centaur40机型及西门子SGT-100-5.1MW机型在该天负荷率曲线如图3.8：

根据上表，日平均用电负荷为4033kw。

根据该天逐时小时用电负荷，Solar Centaur50、Centaur40机型及西门子SGT-100-5.1MW机型在该天负荷率曲线如下图：

根据上图可看出，Solar Centaur40机型在每日逐时实际用电负荷情况下，均能满负荷运行；Solar Centaur50机型在每时实际用电负荷情况下，机组运行负荷均在95%以上。

（3）、根据企业设备装机容量及按月平均，日平均进行机型匹配对比（图3.9）

根据企业提供全厂设备装机容量如下：

全厂在线装机容量为12562.3kw，变压器总容量为9450KVA，10月份新增1000kw的电机装机容量。新增生产线以后在线装机总容量为13562.3kw，变压器总容量为10250KVA。

表3.4 实际小时用电负荷进行记录表

图3.8 机型在10月13日至10月14日负荷率曲线

图3.9 机型在10月14日至10月15日负荷率曲线

根据目前2016年及2017年实际运行数据，对应机组净输出功率与实际负荷比如下：

根据企业发展，2017年10月新增1000kw电机装机容量，按装机容量70%实际功率进行测算，新增用电功率为700kw，对应机组净输出功率与实际负荷比如下：

说明：C40，C50机组的输出功率均以海拔594米，成都年平均温度15.7℃为计算标准，扣除能源站自用电负荷，C40净输出功率为3022kw，C50净输出功率为3990kw。

（4）、根据机组不同输出负荷的效率对比

根据一到四的机组对比，Solar Centaur40机型均能在满负荷运行。

Solar Centaur50机型大部分时间均能在满负荷工况下运行，其不同输出负荷下效率如下：

从上面可以看出，Solar Centaur50机组，在50%～100%功率输出时，机组总效率变化不大，因此对于用电负荷在2055kw～4110kw波动时，均能较好的运行。

4 结论

综上所述，Solar Centaur50机组在目前生产情况下均能95%～100%负荷输出运行，同时，在企业减产30%的时候，也能较好的正常运行，因此Solar Centaur50机组在该项目中具有较好的适应性。

本项目按照机组“并网不上网”考虑，配置美国solar公司的C5 0型燃机、“一拖一”多轴机组考虑，即每套燃气-蒸汽简单循环机组由1台燃机、1台燃机发电机和1台余热锅炉组成。