摘? 要：燃氣冷熱電分布式能源（CCHP）作為一種新型的能源利用方式，與傳統(tǒng)電力相比具有節(jié)省投資降低損耗、提高系統(tǒng)可靠性、能源種類多樣化、減少污染等諸多優(yōu)點。目前，燃氣冷熱電分布式能源已經(jīng)成為分布式能源系統(tǒng)的主要形式，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家紛紛將燃氣冷熱電分布式能源作為國策大力推廣。隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及減排壓力增大，天然氣在能源利用中的比重不斷增加，目前，燃氣冷熱電分布式能源在我國已經(jīng)逐步進入到實質(zhì)性開發(fā)實施階段。

關鍵詞：天然氣;分布式能源系統(tǒng);技術(shù)研究

中圖分類號：TM611.3? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

目前燃氣冷熱電分布式能源的發(fā)電原動機主要有幾種類型：燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、燃氣外燃機以及燃料電池。

本文針對國內(nèi)較普遍的5MW至200MW的燃氣冷熱電分布式能源站，介紹幾種不同的燃氣分布式能源站發(fā)電機組的原動機類型，從技術(shù)方面進行原動機選型，主要包括原動機類型的選擇和原動機不同廠家對比研究。針對目前主要的兩種原動機類型：燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機，分析不同廠家型號的技術(shù)特點，對原動機的廠家型號進行分析比較，給出技術(shù)方案、機組選型建議。

1燃氣輪機分布式能源系統(tǒng)技術(shù)路線選擇

根據(jù)發(fā)電形式的不同，燃氣輪機冷熱電分布式能源系統(tǒng)主要分為兩大類。

第一類是單循環(huán)發(fā)電形式，指僅靠燃氣輪機發(fā)電，不設蒸汽輪機的系統(tǒng)，主要構(gòu)成為燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)+余熱利用設備。

第二類是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電形式，主要構(gòu)成為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)+余熱利用設備。

其中單循環(huán)發(fā)電由于系統(tǒng)簡單，發(fā)電效率較低，適合于冷熱負荷需求較高且穩(wěn)定的場合，而燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)由于系統(tǒng)發(fā)電效率高，適用于對電和蒸汽需求較高場合。

1.1 以熱定電與以電定熱相結(jié)合

在根據(jù)燃氣分布式系統(tǒng)功能冷熱電負荷確定原動機發(fā)電功率大小時，一般有以熱定電、以電定熱兩種思路。

以熱定電，即按熱量被充分利用的原則，根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最大供熱工況下的供熱量，確定在不同熱負荷工況下的發(fā)電容量。在保證原動機組余熱全部被利用的情況下確定發(fā)電容量。此時可以實現(xiàn)最大的綜合能源利用效率，但可能導致機組發(fā)電容量偏低。

以電定熱，指根據(jù)供電范圍內(nèi)的全部電負荷或穩(wěn)定電負荷的多少確定原動機發(fā)電容量。在保證發(fā)電機組供電負荷的情況下，熱供給與用戶需求之間的匹配只能被動調(diào)節(jié)，可能導致余熱不能充分利用的情況，此種情況下機組發(fā)電容量較高，但綜合能源利用效率偏低。

目前主流燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)電站設計均以已熱定電為原則。主要原因為：（1）追求較高的能源利用綜合效率;（2）目前情況下供熱經(jīng)濟性高、電價較低;（3）目前項目均為并網(wǎng)項目，對供電要求不高。實際應用中應綜合考慮，以熱定電和以電定熱相結(jié)合，在實際設計中應根據(jù)冷熱電負荷的變化以及外部能源的價格（電價、燃氣價格、蒸汽價格）的變化，綜合計算比較不同發(fā)電容量下的系統(tǒng)經(jīng)濟技術(shù)指標，選定最佳發(fā)電容量。在電網(wǎng)薄弱地區(qū)設計應以電定熱為主，在電網(wǎng)穩(wěn)定，供電富裕地區(qū)應以熱定電為主。

1.2 系統(tǒng)中多臺機組配置的方案

根據(jù)系統(tǒng)總負荷和總發(fā)電量確定原動機組臺數(shù)是確定原動機組容量的關鍵。由于原動機如燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機都有運行高效區(qū)，一般在50%以下負荷運行時效率會大幅度降低，根據(jù)負荷變化適當調(diào)整發(fā)電機組啟停以保證其整體運行與高效區(qū)具有很大意義，因此在燃氣分布式系統(tǒng)總?cè)萘枯^大的情況下選擇多臺機組可以提高系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)靈活性，提高系統(tǒng)運行可靠性，且提高系統(tǒng)運行效率。

2 燃氣分布式原動機燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機對比及選擇

2.1 燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機對比分析

發(fā)電容量5MW～200MW的燃氣分布式能源站應選擇單臺發(fā)電容量范圍為1MW～100MW原動機，該容量范圍內(nèi)只有燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機兩種原動機可供選擇，針對燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機兩種原動機對比分析見表1、表2。

適用范圍

負荷需求較高，有較高環(huán)保要求，供熱溫度需求高，能夠提供中高壓燃氣的地區(qū)。如工業(yè)園，工業(yè)區(qū)。

負荷需求較小，考慮投資經(jīng)濟性，難以提供中高壓燃氣，有熱水需求的地區(qū)。如醫(yī)院賓館、交通樞紐。

由于燃氣輪機單位質(zhì)量的功率密度要遠高于燃氣內(nèi)燃機，且燃氣輪機容量越小，發(fā)電效率越低，所以燃氣輪機適用于較大發(fā)電容量的電站，而燃氣內(nèi)燃機單臺發(fā)電容量一般只有1-9MW左右，更適合較小容量的燃氣分布式電站。如按較普遍的雙機組布置，燃氣內(nèi)燃機最大單機功率18MW，只能應用于40MW以下的能源站中，故在5-200MW的能源站中，5-40MW的能源站可以考慮燃氣內(nèi)燃機也可以考慮燃氣輪機，40-200MW的能源站使用燃氣輪機更合適。

相同發(fā)電量的燃氣輪機產(chǎn)熱量高于燃氣內(nèi)燃機，排煙溫度高于燃氣內(nèi)燃機，但設備成本要高于燃氣內(nèi)燃機，發(fā)電效率低于燃氣內(nèi)燃機，且受環(huán)境影響大，變工況情況下效率較燃氣內(nèi)燃機更低。在具體項目選擇原動機時，應注意該項目供熱需求，在供熱需求較低，使用燃氣內(nèi)燃機能夠滿足的場合，考慮到經(jīng)濟性、設備的可靠性和系統(tǒng)的高效率，應當首選燃氣內(nèi)燃機。

2.2 重型燃機與航改型燃機的對比分析（表3）

輕型燃機設計較注重控制重量和尺寸，大量采用輕質(zhì)合金和沖壓薄壁部件，結(jié)構(gòu)也偏緊湊。

輕型燃機便于運輸、安裝快捷、節(jié)約用地，適用于人口密集、土地資源缺乏地區(qū)。重型燃機宜布置在遠離居住區(qū)的大型場地。

單軸設計-壓氣機和動力渦輪共軸轉(zhuǎn)動

雙軸或三軸設計-壓氣機和動力渦輪可差速轉(zhuǎn)動

輕型燃機的分軸設計使壓氣機和動力渦輪實現(xiàn)差速運轉(zhuǎn)，壓氣機轉(zhuǎn)速可以隨負荷變化調(diào)節(jié)，保證燃機能夠在較寬廣的負荷范圍內(nèi)穩(wěn)定、高效運行。

重型燃機適用于固定/基本負荷運行。輕型燃機多用于負荷多變的能源中心或調(diào)峰電站。

壓氣機靜葉1-2級可調(diào)

壓氣機靜葉多級可調(diào)

燃機負荷變化時，為保持壓氣機穩(wěn)定、高效運轉(zhuǎn)，壓氣機靜葉隨將偏轉(zhuǎn)一定角度。通常，重型燃機壓氣機靜葉僅1-2級可以偏轉(zhuǎn)，而輕型燃機，如GE LM2500，有多達11級靜葉可以偏轉(zhuǎn)。

運行

冷態(tài)至基本負荷40分鐘左右。

冷態(tài)至基本負荷10分鐘左右。

輕型燃機因其部件輕巧，啟動功率較小，因此可以快速啟動。

輕型燃機可以對客戶端需求或電網(wǎng)調(diào)配予以快速響應。

單循環(huán)效率通常小于35%， 大型燃機9F聯(lián)合循環(huán)可達57%，中小型可達50～55%。

單循環(huán)效率可達42%，聯(lián)合循環(huán)54%左右。

輕型燃機壓氣機壓縮比通常高于重型燃機，相同燃燒溫度下，使得其單循環(huán)熱效率也優(yōu)于重型燃機。重型燃機的排煙溫度和排煙量高于輕型燃機，聯(lián)合循環(huán)熱效率優(yōu)于輕型燃機。

維修

大修間隔最長可達25000小時，隨起停次數(shù)增加而縮短。

大修間隔通常50000小時，中修25000h，時間一周，壽命不受機組起停次數(shù)的影響。

重型燃機因其結(jié)構(gòu)特點，部件所受熱應力在不同負荷下變化非常大。每起停一次，部件便承受一個周期的交變應力，久而久之產(chǎn)生疲勞。因此每起停一次，大修間隔便會縮短幾十小時。輕型燃機得益于其結(jié)構(gòu)輕薄，熱應力變化范圍較小，起停并不影響大修間隔及使用壽命。

與重型燃機相比，輕型燃機大修間隔長，大修周期短，機組壽命長且全壽命內(nèi)的運行時間高于重型燃機。

大修更換熱部件需停機1～3個月

大修時長一周

輕型燃機多采用模塊化設計。整機由壓氣機、燃燒室、渦輪、輔機等模塊軸向拼接而成，各模塊可單獨拆分出主體?，F(xiàn)場維修時，僅需將故障模塊整體置換，即完成檢修。

鑒于國產(chǎn)產(chǎn)品機組型號有限，商業(yè)應用少，故在選擇燃氣輪機時，以國外品牌為主，國外主流廠家分為以GE公司LM系列航改型燃機和西門子SGT系列重型工業(yè)燃機兩種不同不同技術(shù)類型的機型，前者由航空發(fā)動機演變而來，具有啟停靈活，結(jié)構(gòu)緊湊占地小，效率高等優(yōu)點，后者具有價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，設備可靠性高等優(yōu)勢，如表3 重型燃氣輪機與航改型燃機對比表。兩者各具優(yōu)勢，需根據(jù)具體項目需求選擇。在具體項目燃氣輪機機選型時應進行多方案比較，對不同廠家原動機進行技術(shù)經(jīng)濟對比，重點論述機組功率、效率或熱耗、進氣壓力、啟停時間、安裝維護便捷性及成本、排煙溫度及熱量、余熱利用方式、NOx排放、價格等指標，并給出原動機的選型推薦意見。

3系統(tǒng)裝機方案配置結(jié)論及建議

系統(tǒng)配置以“冷熱定電、欠匹配”為基本原則，結(jié)合項目類型及負荷情況，合理確定主系統(tǒng)配置型式、容量，優(yōu)化選取調(diào)峰方式，實現(xiàn)能源的綜合梯級利用。原動機宜優(yōu)先選用燃氣輪機，樓宇式分布式能源項目或民用項目，設計中原動機宜優(yōu)先選用內(nèi)燃機或微型燃氣輪機，原動機機組臺數(shù)不宜少于2臺。

（1）根據(jù)項目供能范圍內(nèi)的現(xiàn)有負荷、近期負荷、規(guī)劃負荷的分析結(jié)論，提出項目規(guī)劃總?cè)萘亢捅酒诮ㄔO規(guī)模，論證項目分期實施的合理性，合理做好投資規(guī)劃。

（2）應根據(jù)用戶熱（冷）、電負荷特點、電網(wǎng)接入方式、主系統(tǒng)運行小時數(shù)及經(jīng)濟性等因素，合理配置主機與調(diào)峰設備容量及臺數(shù)。根據(jù)用戶用能安全等級要求，合理配置供能備用容量。

（3）若采用蓄能方式，應根據(jù)項目典型日及全年負荷變化曲線、項目場地情況等，在結(jié)合管網(wǎng)容量的情況下，合理選取蓄能容量。

（4）應充分考慮國家及地方環(huán)保政策的變化，確定是否同期配置環(huán)保設備或預留環(huán)保設備空間。

收稿日期：2020-01-07

作者簡介：文波（1982—），男，湖北洪湖人，碩士，工程師，研究方向：綜合能源、新能源項目的開發(fā)及技術(shù)研究。