小型煤矿区天然气分布式能源站的装机方案研究

陈聪杰

摘 要：本文主要分析了小型煤矿区天然气分布式能源站装机方案，针对行业特点，主要对燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、轴系布置各类型的优缺点进行分析，推荐了常规的小型煤矿区天然气分布式能源站装机方案，以供本行业规划设计人员参考。

关键词：小型煤矿;分布式能源站;装机方案

中图分类号：TU99;TK01 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0120-03

Abstract： This paper mainly analyzed the unit selection scheme of natural gas distributed energy station in small coal mine area. According to industry characteristics， the advantages and disadvantages of various types of gas turbines， waste heat boilers， steam turbines， and shafting arrangements were analyzed. The installation plan of the conventional small-scale coal mine area natural gas distributed energy station was recommended. The author hopes that the research of this paper can provide reference for the planning and design personnel in this industry.

Keywords： small coal mine;distributed energy station;installation plan

小型煤礦区对热负荷具有迫切需求。为满足其供热、供冷及用电要求，依据国家有关政策，综合考虑小型煤矿区所需热负荷的实际情况，从提高整个小型煤矿区和能源站的供热效率以及经济效益出发，遵循“热电联产，以热定电”的原则，规划新建天然气分布式能源站项目，为小型煤矿区提供生活、生产用气。

1 主要原则

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式[1]。用于分布式能源站的原动机主要包括燃气轮机和内燃机，区域式分布式能源站原动机宜选用燃气轮机。采用燃气轮机作为原动机时，符合下列情况之一时，宜选用航改型燃气轮机：简单循环效率高，需要快速频繁启停并且不影响机组寿命，土地价格高，环保排放要求高[2]。天然气分布式能源站装机选型应综合考虑供热半径、热负荷规模及特性、燃料供应和经济效益等各因素，通过对原动机、余热利用设备、蒸汽轮机进行比选优化，最终实现能源梯级高效利用。

机组选型的原则是优先安排背压型热电联产机组，其发电容量不计入当地电力建设控制规模;当以气体燃料为主时，采用分布式热电联产机组[3]。机组的容量、台数应合理，保证供热可靠性，避免供热机组事故、检修时影响用户端。

天然气分布式能源站规划应优化设计、严格控制工程投资和运行成本。同时，能源站应积极采用国内外成熟的先进技术，提高整体技术水平，使能源站在质量性能指标、技术经济指标以及安全稳定指标等方面与国际水平接轨。

2 机组国产化能力介绍

2.1 燃气轮机

目前，我国燃气轮机技术水平与国际先进水平仍存在较大差距，在技术开发、试验研究和生产装备的配置方面仍面临巨大挑战。20世纪60年代，国内各大汽轮机厂与科研院校联合研发了国产燃气轮机（初温700 ℃）。20世纪90年代，国内各大汽轮机厂积极通过国际技术交流及合作，生产大功率燃气轮机。“十五”期间，科技部“863计划”（国家高技术研究发展计划）能源领域重大专项工程设立了重型燃气轮机和微型燃气轮机两个研制项目，各大科研单位，以产学研合作的方式，联合攻关R0110重型燃气轮机，我国成为世界上第五个具备重型燃气轮机研制能力的国家。“十一五”期间，科技部通过“863计划”支持开展了“中低热值燃料R0110燃气轮机研制及其在IGCC电站中的工程应用示范”和“F级中低热值燃料燃气轮机关键技术与整机设计研究”。目前，在我国已投产的天然气分布式能源项目中，机组单机容量在70 MW以下的基本都采用国外燃机或内燃机技术，适合分布式能源的国产燃机汽轮机厂家目前较少。随着能源结构的调整和“西气东输”工程的推进，国内燃机制造厂通过技术引进的方式积极开展各项准备工作，吸收国外技术经验，不断推动燃机国产化进程。

2.2 余热锅炉

目前，国内主要锅炉制造厂通过与国外公司的分包合作、技术引进，已具备余热锅炉的设计制造能力。制造厂通过广泛的国际技术交流、技术引进、消化吸收和技术创新，形成了独立开发、设计和制造新型燃机余热锅炉的能力。国内已生产投运的产品包括自然循环（卧式）和强制循环（立式）两大系列，单压、双压、三压三种类型，适应各类燃气轮机。对于适合小型联合循环的余热锅炉，国内各大制造厂都已具备很高的设计和制造能力。

2.3 蒸汽轮机

分布式能源站所配的汽轮机，因无回热系统且容量属小型工业汽轮机范围，其结构形式相对于燃煤汽轮机较为简单。我国汽轮机制造技术已很成熟，各大汽轮机厂均能生产各容量范围的汽轮机组，生产能力和生产设备均已具备条件。国内汽轮机厂通过对常规汽轮机进行改造或引进国外技术，已经开发出专门用于燃机联合循环的汽轮机系列，并已有实际运行实例。

燃气-蒸汽联合循环机组国产化是一个长期的进程。在当前阶段，部分等级的燃气轮机已具备国产化条件，能设计制造具有完全自主知识产权的燃气轮机发电机组;余热锅炉已经可以实现国产化;蒸汽轮机相对燃机技术难度较小，国内具备一定的配套和生产能力，根据不同的配置情况，可以实现国产化;燃机发电机，由于各燃机厂家考虑机组的效率和匹配问题，一般由燃机厂家进行全套供应。针对上述情况，燃气轮机从国内外适合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的机型中选取，并配燃机发电机，余热锅炉和蒸汽轮机采用国产。

3 机组选型

3.1 燃气轮机

目前，天然气分布式能源站基本采用燃气—蒸汽联合循环发电机组。燃气轮机的选型不同，使得相应配套的余热锅爐和蒸汽轮机在选型、参数等方面有所不同。机组选型原则为“以热定电”，针对项目设计负荷容量及特性，考虑使用技术先进、成熟可靠的机型。适合于分布式能源系统的燃气轮机的国内外主要厂商有索拉、普惠、日立、西门子、GE、南汽、中航等。燃气轮机选型必须根据项目供热负荷需要进行匹配计算，选择额定功率及热耗合适的燃气轮机。燃机制造商适用于小型煤矿区常见的燃机型号如表1所示。

3.2 余热锅炉

由于燃气轮机排气温度比较低，余热锅炉热量回收主要依靠对流接触传热。按工质在蒸发受热面中的流动特点可以将余热锅炉分为自然循环余热锅炉和强制循环余热锅炉两类。其中，利用炉水循环系统内的流体密度差产生循环力的是自然循环锅炉;利用锅炉强制循环泵使炉水循环的是强制循环。自然循环余热锅炉的可靠性优于强制循环余热锅炉。余热锅炉按烟气流动方向，分为立式锅炉和卧式锅炉，自然循环余热锅炉大多为卧式，强制循环余热锅炉较多为立式。一般来说，余热锅炉的循环方式有5种：单压无再热、双压无再热、双压再热、三压无再热和三压再热。适用于分布式能源的燃机容量相对较小，排气参数较低，为简化系统，一般不采用三压循环，且双压蒸汽循环系统比单压蒸汽循环系统的热效率会有明显提高（约提高1.5%～1.7%），建议采用双压余热锅炉。适用于分布式能源的燃机一般排烟温度较低，余热锅炉中再热器难以布置，同时考虑到经济性和供热可靠性问题，建议采用无再热余热锅炉。因此，余热锅炉推荐采用自然循环、卧式、双压、无再热余热锅炉，蒸汽压力根据供热蒸汽需求确定。

3.3 蒸汽轮机

联合循环用的蒸汽轮机与一般的火力发电装置用的蒸汽轮机在原理上是相同的，结构上也类似。联合循环用的蒸汽轮机运行方式为滑压运行，蒸汽轮机为全周进汽，正常运行时，蒸汽调节阀处于全开状态，由燃气轮机的燃料投入量进行负荷控制。当余热锅炉给水温度升高时，余热锅炉的排烟温度会随之升高，使余热回收效率下降，热效率得不到提高，因此一般不设置回热系统，同时由于没有回热抽汽，排汽量大。联合循环用蒸汽轮机必须适应快速启动的要求，在不影响效率的前提下，尽量加大动静部件间隙，以防止在快速启动时由于不均匀膨胀引起动静部件之间的摩擦。联合循环用蒸汽轮机排汽有轴向排汽和向下排汽两个类型。适用于分布式能源的余热锅炉建议采用无再热，因此蒸汽轮机也采用无再热式。多压机组比单压机组运行经济性高，系统复杂，前期投资高。适用于分布式能源的汽轮机组容量小，可靠性要求高，因此蒸汽轮机也采用单压进汽。热电联产供热方案中可供选择的蒸汽轮机有抽凝、抽背与背压式，须根据项目设计热负荷波动情况合理选择蒸汽轮机机型[4]。

4 轴系布置方案比较

联合循环中燃气轮机、汽轮机和发电机的轴系布置方案，与能源站主机轴系联结方式、总体布置、负荷调节、检修方式等有关，对装置运行、操作与性能以及投资有较大影响。按装置的有用功输出方式，联合循环的轴系布置方案分为单轴和多轴[5]。

4.1 单轴布置方案

单轴联合循环是指联合循环的有用输出功率来自一根轴，即燃气轮机和汽轮机驱动同一台发电机。单轴布置方案又分为发电机尾置（燃气轮机+汽轮机+发电机）和发电机中置（燃气轮机+发电机+3S离合器+汽轮机）。单轴联合循环布置方案的主要特点是：共用1台较大容量的发电机，辅助设施统一布置，与多轴布置相比，设备简单，布置紧凑，厂房面积小，土建成本降低，使整个电厂紧凑高效。

4.2 多轴布置方案

多轴联合循环是指联合循环的有用功来自一根以上的轴，即每台燃气轮机和汽轮机各自驱动不同发电机。多轴布置方案根据燃气轮机与汽轮机的匹配不同，又可分为“一拖一”“二拖一”等多种配置方式。多轴联合循环布置方案的主要特点是：燃气轮机发电机和汽轮机发电机组相对独立、分开布置，设备与系统都比较复杂，占地面积较大。

热电联产项目供热的可靠性要求很高。单轴布置发电机尾置方案，一旦燃机或发电机故障或检修，则整套机组必须停运，降低了供热的可靠性。单轴布置发电机中置方案，3S离合器使燃机和汽轮机分开运行，但增加机组投资和发电机检修的难度，同时单台发电机降低了机组的可靠性。多轴布置方案，当一台发电机进行检修时，另一台发电机均可正常运行，预热锅炉不必随汽轮机、发电机的检修而停运，提高了机组供热的可靠性，同时可使能源站运行灵活、效率高。因此，轴系布置方案推荐采用多轴联合循环。

5 结论

通过对各类燃机联合循环机组进行全面比较，小型煤矿区天然气分布式能源站的主机设备选型推荐如下：燃气轮机从国内外适合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的机型中选取，并配置燃机发电机;余热锅炉采用自然循环、卧式、双压余热式，蒸汽压力根据供热蒸汽需求确定，并采用国产品牌;蒸汽轮机采用抽凝、抽背或背压式，并采用国产品牌;轴系布置方案采用多轴联合循环式。

参考文献：

[1]国家发展改革委，财政部，住房城乡建设部，等.关于发展天然气分布式能源的指导意见（发改能源〔2011〕2196号）[EB/OL].（2011-11-14）[2021-04-01].http：//www.gov.cn/gzdt/2011-10/13/content_1968820.htm.

[2]国家能源局.燃气分布式能站设计规范：DL/T 5508—2015[S].北京：中国电力出版社，2015.

[3]国家发展改革委，国家能源局，财政部，等.关于印发《热电联产管理办法》的通知（发改能源〔2016〕617号）[EB/OL].（2016-03-22）[2021-04-01].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-05/22/content_5075607.htm.

[4]国家计委，国家经贸委，建设部.热电联产项目可行性研究技术规定（计基础〔2001〕26号）[EB/OL].（2001-01-11）[2021-04-01].https：//www.doc88.com/p-6327801034651.html？r=1.

[5]荆永昌.800 MW燃气-蒸汽联合循环机组单轴和多轴配置的比较[J].中国电力，2014（5）：102-106.