上海煤氣第一管線工程有限公司 湯 勇

1 熱電聯(lián)產(chǎn)的概念和對環(huán)保的積極意義

熱電聯(lián)產(chǎn)，簡稱CHP(combined heat and power)，是指電廠在生產(chǎn)電力的同時，利用做過功的工藝過程汽或者乏汽同時對外供熱的生產(chǎn)工程。熱電聯(lián)產(chǎn)可以有效地利用余熱，提高電廠的總熱效率。熱電聯(lián)產(chǎn)在我國北方地區(qū)采暖季節(jié)需要提供采暖的熱源，可以減少手燒爐和工業(yè)鍋爐的使用。在南方地區(qū)主要用于夏季需要提供以熱源為驅(qū)動力的制冷負荷，目前大部分采用分戶式制冷的方式。熱電聯(lián)產(chǎn)具有節(jié)約能源，改善環(huán)境，提高供熱質(zhì)量，增加電力供應(yīng)等綜合效益。熱電廠的建設(shè)是城市治理大氣污染和提高能源利用率的重要措施，是集中供熱的重要組成部分，是提高人民生活質(zhì)量的公益性基礎(chǔ)設(shè)施。

國家鼓勵在有條件的大中型城市建設(shè)大型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱電廠和城市環(huán)保熱電廠。在這類電廠的規(guī)劃設(shè)計中除了需要滿足功能性、景觀性要求以外，還有兩個與城市有關(guān)的重要因素:環(huán)保和去工業(yè)化。

在熱電聯(lián)產(chǎn)工程中使用燃氣輪機發(fā)電，采用低氮天然氣燃燒器，可以將氮氧化物排放控制在25×10-6，優(yōu)質(zhì)的低氮燃燒器可以將氮氧化物排放控制在15×10-6以下。所以在熱電聯(lián)產(chǎn)項目中燃氣輪機主要使用天然氣為主要燃料。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)的原理簡介

燃氣輪機是以氣體為工質(zhì)，把燃料燃燒釋放出來的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膭恿C械。燃氣輪機由壓氣機，燃燒室和透平等部件組成。空氣被壓縮機連續(xù)吸入并壓縮，壓力升高，隨后進入燃燒室，在燃燒室中與燃料混合燃燒成為高溫燃氣，高溫燃氣進入透平膨脹做功，壓力降低，最后排至大氣。由于燃燒后的高溫燃氣做功能力顯著提高，燃氣在透平中的膨脹功大于壓縮機壓縮空氣所消耗的功，因此使透平在帶動壓縮機后還有多余的功率，可以帶動負載。按照這種原理工作的燃氣輪機為等壓燃燒加熱的開式循環(huán)燃氣輪機，也是目前應(yīng)用最廣泛的燃氣輪機。

熱電聯(lián)產(chǎn)就是由燃氣輪機及發(fā)電機與余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃氣輪機排出的做功后的高溫乏氣通過余熱鍋爐回收熱量，轉(zhuǎn)換為蒸汽或熱水加以利用，也有將余熱鍋爐的蒸汽回注入燃氣輪機以提高燃氣輪機出力和效率?，F(xiàn)代大型燃氣輪機一般均配套建設(shè)余熱鍋爐，蒸汽輪機，組成燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，它將燃氣輪機排出的高溫乏氣通過余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為蒸汽，再將蒸汽送入蒸汽輪機發(fā)電，或同時將部分發(fā)電做功后的抽、排汽用于供熱，形式有燃氣輪機，蒸汽輪機同軸拖動一臺發(fā)電機的單軸聯(lián)合循環(huán)，也有燃氣輪機，蒸汽輪機各自拖動各自發(fā)電機的多軸聯(lián)合循環(huán)。目前，世界上的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱效率可達61%。全世界大中型發(fā)電燃氣輪機的設(shè)計和制造主要集中在通用電氣(GE)，西門子(SIEMENS)及三菱(MHI)等幾家跨國公司。

3 國內(nèi)燃氣輪機的發(fā)展情況和當(dāng)前能源政策

國內(nèi)的燃氣輪機發(fā)展主要從20世紀50年代開始建設(shè)燃氣輪機發(fā)電項目，當(dāng)時以備戰(zhàn)為主。從20世紀80年代到2003年，國內(nèi)燃氣輪機的項目以數(shù)量多，容量小為特點，主要承擔(dān)調(diào)峰發(fā)電的任務(wù)。2004年迎來了投產(chǎn)的高峰，燃氣輪機以大容量為特點，并承擔(dān)發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的任務(wù)。

2013年國務(wù)院頒布了“能源發(fā)展十二五規(guī)劃”，為了構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟和清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，提出有序發(fā)展天然氣發(fā)電，在天然氣來源穩(wěn)定的東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，合理建設(shè)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)調(diào)峰電站。在電價承受能力強，熱負荷需求大的中心城市，優(yōu)先發(fā)展大型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，因此上海迎來了熱電聯(lián)產(chǎn)項目發(fā)展的歷史機遇。

4 熱電聯(lián)產(chǎn)項目燃氣配套技術(shù)實例

4.1 項目情況介紹

以目前在建的上海大眾汽車制造廠發(fā)動機二廠分布式能源中心項目為例，燃氣輪機為4臺德國MAN公司額定發(fā)電功率6.5 MW的MGT6200和4臺15 t/h余熱鍋爐。燃氣輪機天然氣額定入口壓力為2.5 MPa。

4.2 項目壓縮機的選型和布置

上海市北燃氣銷售有限公司采用次高壓管網(wǎng)傳輸直供，供氣壓力為0.8 MPa，在廠內(nèi)設(shè)天然氣增壓機，將天然氣壓力提升到燃氣輪機需要的壓力。天然氣增壓機由4臺離心式壓縮機并聯(lián)組成，離心式壓縮機體積小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作平穩(wěn)無脈沖現(xiàn)象，振動小，操作靈活，容易實現(xiàn)自動控制，沒有需要經(jīng)常更換的零部件，缺點就是必須安裝防喘振裝置。離心式壓縮機使用范圍:壓力范圍為0.1～7.6 MPa，單級壓比1.1～1.25之間，流量范圍為14～5 700 m3/min，熱效率為72%～80%左右，轉(zhuǎn)速為3 000～10 000 r/min。廠區(qū)燃氣供應(yīng)系統(tǒng)由燃氣計量、粗精分離過濾、增壓、供氣管道、燃氣輪機進口的絕對分離器、加熱器(含性能和啟動加熱器)，雙精過濾器和速比閥等組成。來自城市管網(wǎng)的天然氣進入廠界后，首先接入天然氣表房采用超聲波計量計，隨后被送入粗精一體的分離過濾器，經(jīng)過清潔的干凈的天然氣進入天然氣增壓機。天然氣的壓力從廠界設(shè)計點的0.8 MPa被增壓至燃氣輪機要求的壓力。被增壓的天然氣通過廠區(qū)天然氣管道被分別送至1～4號燃氣輪機入口。在燃氣輪機入口，設(shè)有天然氣前置模塊，包括絕對分離器、性能加熱器、啟動加熱器和雙精過濾器等設(shè)備，經(jīng)過前期處理和增壓的天然氣在天然氣前置模塊中，得到進一步的過濾和加熱，然后進入燃氣輪機燃燒室接口，通過燃燒器前的調(diào)壓閥和速比閥后進入燃燒器參與燃燒。

4.3 壓力緩沖裝置的選型和計算。

按照招標(biāo)文件要求，取上海天然氣低熱值為34.75 MJ/m3，每臺燃氣輪機小時用氣量為677 m3，4個模塊全投產(chǎn)小時用氣量為2 708 m3。根據(jù)燃氣設(shè)計規(guī)范要求，為保證市政燃氣管道安全，燃氣壓縮裝置前必須安裝燃氣緩沖裝置即儲氣罐。宜采用高壓球形儲氣罐，高壓球形儲氣罐容積為10 000 m3兩個，白天可以使用儲氣罐和城市管網(wǎng)同時供氣，晚上全部使用城市管網(wǎng)供氣，儲氣罐其工作壓力為0.25～3.0 MPa，本案選用1.6 MPa的球罐。

4.4 燃氣管徑水力計算

分布式能源系統(tǒng)平面布置方案見圖1。

圖1 分布式能源系統(tǒng)平面布置方案

如圖1所示，分布式能源系統(tǒng)占地21×70 m2，方案一燃氣增壓系統(tǒng)占地16×25 m2，相距分布式能源系統(tǒng)232 m；方案二燃氣增壓系統(tǒng)占地16×25 m2，相距分布式能源系統(tǒng)143 m。由于經(jīng)過增壓系統(tǒng)后天然氣壓力增加到2.5 MPa，方案二燃氣增壓系統(tǒng)距離分布式能源系統(tǒng)較近，管道造價較低，最終選擇方案二。

計算加壓裝置出口至燃氣輪機進口之間的天然氣管道直徑，根據(jù)上海天然氣參數(shù):燃氣密度取0.75 kg/m3，運動粘度取15×10-6m2/s，絕對溫度取278.16 K，管道長度約200 m，當(dāng)選取管道直徑為DN100時，壓力降0.0036 MPa，出口壓力2.496 MPa,平均流速為0.88 m/s，可以滿足用要求(據(jù)中壓天然氣鋼管摩擦阻力損失計算表)。

4.5 燃氣管道設(shè)計，材質(zhì)和施工技術(shù)要求

參照壓力大于1.6 MPa地下燃氣管道與建筑物水平凈距為13 m，由于加壓裝置和燃氣輪機都是露天布置，天然氣管道考慮采用架空明管敷設(shè)，采用《鋼制對焊無縫管件》(GB/T 12459—2005)的無縫鋼管，直徑114.3×7.15，共有四層支座組成，總高度控制為1.6 m左右，便于檢修。管道連接采用氬弧焊接，所有焊縫需要100%X射線檢查，X射線片子必須達到B級以上，不達標(biāo)必須返修。所有架空管道應(yīng)有防雷，接地措施。在清管作業(yè)和輸配過程中，盡量減少排放天然氣的次數(shù)。在將來管線檢修和改建時，預(yù)先制定并安排好工作計劃，盡量將管線兩端截止閥間的天然氣用掉，減少排出量。定期安排專業(yè)人員對廠區(qū)內(nèi)的天然氣管線進行巡視和檢查，以防管道本身缺陷或人為破壞使天然氣泄漏污染環(huán)境和危害人身健康。