田景欣

摘要：文章介紹了天然氣冷熱電聯(lián)供分布式能源項(xiàng)目的主機(jī)配置方案，著重分析了主蒸汽參數(shù)對(duì)于全廠性能及外部冷熱負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，由余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是低壓蒸汽流量隨之增加，汽輪機(jī)出力增加，全廠熱效率提高。通過(guò)以某一實(shí)際項(xiàng)目的外部條件為基準(zhǔn)，分析了不同主蒸汽參數(shù)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高主蒸汽參數(shù)會(huì)對(duì)該項(xiàng)目帶來(lái)非?？捎^的收益。結(jié)論認(rèn)為，CCHP分布式項(xiàng)目的需要結(jié)合各項(xiàng)目自身冷熱負(fù)荷以及上網(wǎng)電價(jià)等因素進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定最優(yōu)的主蒸汽參數(shù)。

Abstract： This paper introduces the scheme of the host computer configuration for the distributed energy project of natural gas cogeneration. The influence of the main steam parameters on the performance of the whole plant and the external cooling and heating load is analyzed. It is found that with the increase of the main steam pressure and temperature， the main steam flow generated by the waste heat boiler is reduced and the heat supply capacity is reduced. However， the flow of low pressure steam increases， the output of the steam turbine increases， and the thermal efficiency of the whole plant is improved. The influence of different main steam parameters on the project economy is analyzed on the basis of the external conditions of a practical project. It is found that the improvement of the main steam parameters would bring considerable benefits to the project. It is concluded that the needs of the CCHP distributed project are compared with the technical and economic factors such as the self-heating and cooling load of the project and the feed-in tariff， and the optimal main steam parameters are finally determined.

關(guān)鍵詞：天然氣分布式；裝機(jī)方案；蒸汽參數(shù)優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)比較

Key words： natural gas distribution；installed capacity；steam parameter optimization；economic comparison

中圖分類號(hào)：TM611.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）05-0145-03

1 典型裝機(jī)方案

1.1 天然氣分布式能源概況

在以前相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，我國(guó)的電力能源系統(tǒng)主要以大機(jī)組、大電廠、大電網(wǎng)以及長(zhǎng)距離輸電的方式發(fā)展，該方式可以提高單元機(jī)組的發(fā)電效率，降低單位千瓦投資和發(fā)電成本。但由于發(fā)電技術(shù)和輸配電技術(shù)的限制，其達(dá)到終端用戶的一次能源利用率僅37%左右，大部分的能量會(huì)被浪費(fèi)。

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（冷熱電三聯(lián)供，即CCHP（Combined Cooling， Heating and Power））是分布式能源系統(tǒng)的一個(gè)主要分支，它利用天然氣作為一次能源，在發(fā)電的同時(shí)提供熱能和冷能的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，顯著提高了能源利用率，并且由于布置在能源負(fù)荷中心，輸電損耗很小，綜合能源利用率更可高達(dá)75～90%，是一種非常高效的能源利用方式。此外，由于在供能過(guò)程中僅僅排放極少的大氣污染物，對(duì)降低區(qū)域溫室氣體、大氣污染方面具有積極作用，屬于環(huán)境友好性的新一代清潔能源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

在2012年10月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)的能源政策（2012）》白皮書(shū)指出：“促進(jìn)清潔能源分布式利用。中國(guó)堅(jiān)持‘自用為主、富余上網(wǎng)、因地制宜、有序推進(jìn)的原則，積極發(fā)展分布式能源。在能源負(fù)荷中心，加快建設(shè)天然氣分布式能源系統(tǒng)。以城市、工業(yè)園區(qū)等能源消費(fèi)中心為重點(diǎn)，大力推進(jìn)分布式可再生能源技術(shù)應(yīng)用?！币虼耍烊粴夥植际侥茉聪到y(tǒng)在我國(guó)有巨大的發(fā)展空間。

1.2 全廠聯(lián)合循環(huán)主機(jī)配置方案

1.2.1 系統(tǒng)流程

典型的天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)首先利用天然氣進(jìn)行發(fā)電，隨之產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐繼續(xù)產(chǎn)生蒸汽，高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，并為高壓蒸汽熱用戶提供熱能；同時(shí)，余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽可提供給溴化鋰制冷機(jī)制冷或提供給供熱站。該系統(tǒng)可以并入大電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)其與大電網(wǎng)互為備用電源的功能。

1.2.2 燃?xì)廨啓C(jī)

航改型燃?xì)廨啓C(jī)體積小，重量輕，設(shè)備部件精度高，單循環(huán)熱效率高，啟停迅速靈活且無(wú)壽命折損，同時(shí)NOx排放指標(biāo)好，污染小，是一種非常適合冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)。

近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)以航改型燃?xì)廨啓C(jī)作為主設(shè)備的分布式能源中心已有多個(gè)項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行。例如廣州大學(xué)城項(xiàng)目配置了P&W公司的FT8 SWIFT PAC60 機(jī)型，江西九江三聯(lián)供項(xiàng)目配置了GE公司的LM2500+G4機(jī)型，上海莘莊三聯(lián)供項(xiàng)目配置了GE公司的LM6000機(jī)型。這些項(xiàng)目自投產(chǎn)以來(lái)機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定，同時(shí)取得了良好的社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣及借鑒。由于GE公司和華電集團(tuán)合資成立了華電通用輕型燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的部分國(guó)產(chǎn)化，且GE的航改型燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)內(nèi)運(yùn)行業(yè)績(jī)較多，因此本文所分析的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)選則GE的LM2500+G4航改型燃?xì)廨啓C(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2.3 余熱鍋爐

對(duì)于30MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較高，且排氣流量較大，為追求高效率，優(yōu)化的熱力系統(tǒng)采用蒸汽多壓化。同時(shí)熱電冷三聯(lián)供機(jī)組，供熱可靠性要求高，機(jī)組熱效率要求在70%以上，高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，且低壓蒸汽可以作為低壓熱用戶端蒸汽型溴化鋰機(jī)組的驅(qū)動(dòng)蒸汽（夏季）或管殼式汽水換熱器的熱源（冬季），進(jìn)一步提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力和效率。故本文采用自然循環(huán)，雙壓，不補(bǔ)燃余熱鍋爐。

1.2.4 蒸汽輪機(jī)

2016年3月22日國(guó)家發(fā)改委、能源局財(cái)政部、住建部和環(huán)保部聯(lián)合頒布的《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》指出：工業(yè)聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目可按“一抽一背”配置汽輪發(fā)電機(jī)組或采用背壓式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。另外《上海市熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展探討》中也提到“熱電聯(lián)產(chǎn)最終規(guī)模中，背壓機(jī)組的容量應(yīng)占裝機(jī)總?cè)萘康?0%以上。”

根據(jù)汽機(jī)廠的反饋意見(jiàn)，背壓式汽輪機(jī)在80%-100%負(fù)荷范圍內(nèi)機(jī)組熱耗與設(shè)計(jì)值偏差不大；當(dāng)負(fù)荷率在70%-80%范圍內(nèi)，機(jī)組熱耗偏離設(shè)計(jì)值較大，經(jīng)濟(jì)性較差；當(dāng)負(fù)荷率在70%以下，機(jī)組熱耗急劇下降，經(jīng)濟(jì)性很差，而且末級(jí)葉片的磨損嚴(yán)重，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)危及設(shè)備的安全可靠性。因此，當(dāng)負(fù)荷率穩(wěn)定在80%以上時(shí)，背壓式機(jī)組才能夠安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

因此，按項(xiàng)目投資建設(shè)規(guī)模為兩臺(tái)（套），則主機(jī)配置方案選擇一臺(tái)為背壓式機(jī)組，另一臺(tái)為抽凝式機(jī)組。背壓式機(jī)組承擔(dān)大部分的穩(wěn)定的熱負(fù)荷，保證較高的運(yùn)行效率，而抽凝機(jī)組的抽汽可以靈活地調(diào)節(jié)熱負(fù)荷的變化，保證供熱的靈活性。

2 聯(lián)合循環(huán)參數(shù)選擇

2.1 蒸汽參數(shù)選擇原則

雖然汽輪機(jī)在整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的功率占比不足總功率的1/3，但是由于采用蒸汽做工質(zhì)，系統(tǒng)比燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜，占地面積大，而且在三聯(lián)供系統(tǒng)中提供熱能和冷能，對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響也較大。因而，對(duì)于汽輪機(jī)熱力參數(shù)的選擇及汽水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍需進(jìn)行認(rèn)真比較，體現(xiàn)科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。

聯(lián)合循環(huán)中，余熱鍋爐及汽輪機(jī)系統(tǒng)中的能量來(lái)源于燃?xì)廨啓C(jī)的余熱，使這部分余熱能最充分的利用，即使全廠的熱效率最大化應(yīng)該是參數(shù)選擇的首要原則。其次，建設(shè)分布式能源項(xiàng)目的另一目的是滿足周邊用戶的冷熱負(fù)荷要求，使設(shè)計(jì)參數(shù)與需求相匹配，保證項(xiàng)目的可行性。所謂參數(shù)選擇與優(yōu)化，就是在這兩者之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

蒸汽的初溫由燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度來(lái)決定。一般從燃?xì)廨啓C(jī)排氣端到蒸汽輪機(jī)進(jìn)口的溫差為20～50℃。對(duì)適用于汽輪機(jī)的朗肯循環(huán)，蒸汽初參數(shù)的壓力與溫度之間有一個(gè)合適的配合關(guān)系，蒸汽的壓力即由這種關(guān)系確定。為便于在同一檔次內(nèi)采用相同的材料、工藝和零部件以及試驗(yàn)規(guī)范，各汽輪機(jī)主要制造廠商將汽輪機(jī)劃分為中壓、次高壓、高壓、壓臨界、超臨界和超超臨界等幾個(gè)檔次。對(duì)于30MW級(jí)別的燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組中的汽輪機(jī)，一般選用高壓和次高壓系列。

在選擇主蒸汽壓力時(shí)，一般需要考慮多方面因素的影響。一是對(duì)汽輪機(jī)功率的影響，即對(duì)余熱鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽在汽輪機(jī)中的絕對(duì)焓降的影響，一般原則是使蒸汽產(chǎn)量與焓降的乘積為最大。二是對(duì)汽輪機(jī)排汽濕度的影響。三是需要汽輪機(jī)的功率等級(jí)，當(dāng)功率較小時(shí)，如壓力偏高，則進(jìn)汽的容積流量較小，通流部分的噴嘴和動(dòng)葉高度較短，二次流損失增加，內(nèi)效率降低，故壓力不能選得太高。另外，最佳進(jìn)汽壓力還與燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行條件、燃料種類、煙氣成分、大氣環(huán)境、余熱鍋爐的布置形式等有關(guān)。

對(duì)于三聯(lián)供系統(tǒng)的雙壓蒸汽循環(huán)來(lái)說(shuō)，隨著主蒸汽壓力的升高，由余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽流量是不斷降低的，但低壓蒸汽的流量卻是增加的。這不僅影響汽輪機(jī)的出力，而且影響冷熱負(fù)荷的供應(yīng)。顯然，最佳參數(shù)的選擇是一個(gè)在余熱鍋爐出力、汽輪機(jī)性能以及外部冷熱負(fù)荷之間進(jìn)行的最優(yōu)化熱力計(jì)算過(guò)程。

2.2 不同蒸汽參數(shù)等級(jí)性能比較

根據(jù)上文的分析，本文選擇典型的由兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)（LM2500+G4），兩臺(tái)雙壓余熱鍋爐和兩臺(tái)蒸汽輪機(jī)（1臺(tái)抽凝機(jī)組，1臺(tái)背壓機(jī)組）組成2套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。

表2和圖2給出了該循環(huán)機(jī)組主蒸汽參數(shù)在不同等級(jí)下的機(jī)組性能參數(shù)與曲線。根據(jù)圖表可以看出，隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是全廠熱效率提高，汽輪機(jī)出力增加，低壓蒸汽流量也隨之增加。

3 經(jīng)濟(jì)分析比較

3.1 經(jīng)濟(jì)性影響因素分析

影響天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的因素涉及多個(gè)方面。

首先，關(guān)于項(xiàng)目成本方面，天然氣CCHP供能系統(tǒng)項(xiàng)目的特點(diǎn)之一就是前期固定資產(chǎn)投入較大，占較大比例，因此天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的價(jià)格會(huì)影響項(xiàng)目固定資產(chǎn)投資，從而影響項(xiàng)目的投資效益。其中，由于燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化率低，其成本在固定成本中占比很高。此外，天然氣的價(jià)格也是影響項(xiàng)目可變成本的主要因素。但是在本文討論的范圍內(nèi)，由于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型已選定，而且主蒸汽參數(shù)的變化也不影響天然氣耗量。由于主蒸汽參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)和余熱鍋爐材料有影響，經(jīng)咨詢?cè)O(shè)備廠，方案一和方案三的汽輪機(jī)成本差別約為400萬(wàn)元，余熱鍋爐價(jià)格幾乎無(wú)差別。此外，主汽管道和輔機(jī)設(shè)備也幾乎無(wú)差別。

其次，關(guān)于經(jīng)營(yíng)性收入方面，由于主蒸汽參數(shù)改變會(huì)影響余熱鍋爐產(chǎn)汽量和汽輪機(jī)出力，從而影響營(yíng)業(yè)收入，包括供電收入、供熱收入和供冷收入。

3.2 營(yíng)業(yè)收入分析比較

由于各個(gè)分布式項(xiàng)目所在地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)和冷熱負(fù)荷市場(chǎng)價(jià)格差異較大，但目前該類型項(xiàng)目多建于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)同時(shí)有較大環(huán)保壓力的地區(qū)，本文以上海莘莊冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目的外部條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，具有一定的代表意義。上海地區(qū)分布式能源平均上網(wǎng)電價(jià)0.674元/kWh，供冷價(jià)鉻：0.529元/kwh，含稅供熱價(jià)為250元/t。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可以得出三個(gè)方案的營(yíng)業(yè)收入差異，由表3可以看出，方案一較方案二年?duì)I業(yè)收入高275萬(wàn)元，方案一較方案三年?duì)I業(yè)收入高1045萬(wàn)元。

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3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

由上述數(shù)據(jù)可以得出，提高主蒸汽參數(shù)后，雖然汽輪機(jī)等設(shè)備的投資會(huì)增加約400萬(wàn)元，但是每年的營(yíng)業(yè)收入可以增加約1045萬(wàn)元，只需要約0.5年即可收回增加的投資。由此可見(jiàn)，提高主蒸汽參數(shù)會(huì)對(duì)該項(xiàng)目帶來(lái)非?？捎^的收益。

但是，由于各項(xiàng)目的實(shí)際外部條件不同，例如不同地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)不同，冷熱負(fù)荷價(jià)格不同，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷不同，因此對(duì)于具體項(xiàng)目均需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，同時(shí)滿足熱負(fù)荷的需求，才能最終確定適合項(xiàng)目本身的方案。

4 結(jié)論

①對(duì)于天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的雙壓蒸汽循環(huán)來(lái)說(shuō)，主蒸汽參數(shù)變化會(huì)影響余熱鍋爐蒸汽流量和汽輪機(jī)出力。

②隨著主蒸汽壓力與溫度的提高，由余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽流量減少，供熱能力下降，但是低壓蒸汽流量隨之增加，汽輪機(jī)出力增加，全廠熱效率提高。

③隨著主蒸汽參數(shù)變化對(duì)項(xiàng)目投資及成本影響不大，但對(duì)營(yíng)業(yè)收入影響較大。以上海地區(qū)為例，主蒸汽參數(shù)的提高有利于增強(qiáng)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

④由于各項(xiàng)目實(shí)際外部條件不同，應(yīng)綜合分析熱負(fù)荷、上網(wǎng)電價(jià)和市場(chǎng)冷熱負(fù)荷價(jià)格等，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，最終確定適合項(xiàng)目本身的方案。

致謝：感謝華電-通用輕型燃?xì)廨啓C(jī)有限公司、杭州鍋爐集團(tuán)、青能汽輪機(jī)發(fā)電有限公司及上海華電閔行能源有限公司提供的幫助與支持。

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