1、1天然气分布式能源的参数优化及经济分析摘要：文章介绍了天然气冷热电联供分布式能源项目的主机配置方案，着重分析了主蒸汽参数对于全厂性能及外部冷热负荷的影响，发现随着主蒸汽压力与温度的提高，由余热锅炉产生的主蒸汽流量减少，供热能力下降，但是低压蒸汽流量随之增加，汽轮机出力增加，全厂热效率提高。通过以某一实际项目的外部条件为基准，分析了不同主蒸汽参数对项目经济性的影响，结果发现提高主蒸汽参数会对该项目带来非常可观的收益。结论认为，CCHP 分布式项目的需要结合各项目自身冷热负荷以及上网电价等因素进行技术经济比较，最终确定最优的主蒸汽参数。Abstract： This paper introduces
2、 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
3、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 2plant is improved. The influence
4、 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 distribute
5、d 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. ?P 键词：天然气分布式；装机方案；蒸汽参数优化；经济比较 Key words： natural gas distribution；installed capacity；steam par
6、ameter optimization；economic comparison 中图分类号：TM611.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0145-03 1 典型装机方案 1.1 天然气分布式能源概况 在以前相当长的时期内，我国的电力能源系统主要以大机组、大电厂、大电网以及长距离输电的方式发展，该方式可以提高单元机组的发电效率，降低单位千瓦投资和发电成本。但由于发电技术和输配电技术的限制，其达到终端用户的一次能源利用率仅 37%左右，大部分的能量会被浪费。 天然气冷热电联供系统（冷热电三联供，即 CCHP（Combined 3Cooling， Heating a
7、nd Power） ）是分布式能源系统的一个主要分支，它利用天然气作为一次能源，在发电的同时提供热能和冷能的综合能源供应系统。其最突出的优点是实现了能源的梯级利用，显著提高了能源利用率，并且由于布置在能源负荷中心，输电损耗很小，综合能源利用率更可高达 7590%，是一种非常高效的能源利用方式。此外，由于在供能过程中仅仅排放极少的大气污染物，对降低区域温室气体、大气污染方面具有积极作用，属于环境友好性的新一代清洁能源，具有巨大的经济效益与社会效益。 在 2012 年 10 月国务院发布的中国的能源政策（2012） 白皮书指出：“促进清洁能源分布式利用。中国坚持自用为主、富余上网、因地制宜、有序推
8、进的原则，积极发展分布式能源。在能源负荷中心，加快建设天然气分布式能源系统。以城市、工业园区等能源消费中心为重点，大力推进分布式可再生能源技术应用。 ”因此，天然气分布式能源系统在我国有巨大的发展空间。 1.2 全厂联合循环主机配置方案 1.2.1 系统流程 典型的天然气冷热电三联供系统的流程图如图 1 所示。燃气轮机首先利用天然气进行发电，随之产生的高温烟气进入余热锅炉继续产生蒸汽，高压蒸汽进入汽轮机发电，并为高压蒸汽热用户提供热能；同时，余热锅炉产生的低压蒸汽可提供给溴化锂制冷机制冷或提供给供热站。该系统可以并入大电网，实现其与大电网互为备用电源的功能。 1.2.2 燃气轮机 4航改型燃气
9、轮机体积小，重量轻，设备部件精度高，单循环热效率高，启停迅速灵活且无寿命折损，同时 NOx 排放指标好，污染小，是一种非常适合冷热电联供分布式能源系统的燃气轮机。 近年来，在国内以航改型燃气轮机作为主设备的分布式能源中心已有多个项目投产运行。例如广州大学城项目配置了 P&W 公司的 FT8 SWIFT PAC60 机型，江西九江三联供项目配置了 GE 公司的 LM2500+G4 机型，上海莘庄三联供项目配置了 GE 公司的 LM6000 机型。这些项目自投产以来机组运行安全稳定，同时取得了良好的社会、环境及经济效益，值得推广及借鉴。由于 GE 公司和华电集团合资成立了华电通用轻型燃气轮机有限公
10、司，实现了设备的部分国产化，且 GE 的航改型燃气轮机在国内运行业绩较多，因此本文所分析的冷热电联供系统中，燃气轮机选则 GE 的 LM2500+G4 航改型燃气轮机。其主要技术参数见表 1。 1.2.3 余热锅炉 对于 30MW 级燃气轮机排气温度较高，且排气流量较大，为追求高效率，优化的热力系统采用蒸汽多压化。同时热电冷三联供机组，供热可靠性要求高，机组热效率要求在 70%以上，高压蒸汽进入汽轮机做功，且低压蒸汽可以作为低压热用户端蒸汽型溴化锂机组的驱动蒸汽（夏季）或管壳式汽水换热器的热源（冬季） ，进一步提高联合循环机组的出力和效率。故本文采用自然循环，双压，不补燃余热锅炉。 1.2.4
11、 蒸汽轮机 2016 年 3 月 22 日国家发改委、能源局财政部、住建部和环保部联合颁布的热电联产管理办法指出：工业联合循环项目可按“一抽一背”5配置汽轮发电机组或采用背压式汽轮机发电机组。另外上海市热电联产发展探讨中也提到“热电联产最终规模中，背压机组的容量应占装机总容量的 50%以上。 ” 根据汽机厂的反馈意见，背压式汽轮机在 80%-100%负荷范围内机组热耗与设计值偏差不大；当负荷率在 70%-80%范围内，机组热耗偏离设计值较大，经济性较差；当负荷率在 70%以下，机组热耗急剧下降，经济性很差，而且末级叶片的磨损严重，长期运行会危及设备的安全可靠性。因此，当负荷率稳定在 80%以上
12、时，背压式机组才能够安全稳定经济地运行。 因此，按项目投资建设?模为两台（套） ，则主机配置方案选择一台为背压式机组，另一台为抽凝式机组。背压式机组承担大部分的稳定的热负荷，保证较高的运行效率，而抽凝机组的抽汽可以灵活地调节热负荷的变化，保证供热的灵活性。 2 联合循环参数选择 2.1 蒸汽参数选择原则 虽然汽轮机在整个联合循环系统中的功率占比不足总功率的 1/3，但是由于采用蒸汽做工质，系统比燃气轮机复杂，占地面积大，而且在三联供系统中提供热能和冷能，对经济性影响也较大。因而，对于汽轮机热力参数的选择及汽水系统的设计仍需进行认真比较，体现科学性和经济性。 联合循环中，余热锅炉及汽轮机系统中的
13、能量来源于燃气轮机的余热，使这部分余热能最充分的利用，即使全厂的热效率最大化应该是参6数选择的首要原则。其次，建设分布式能源项目的另一目的是满足周边用户的冷热负荷要求，使设计参数与需求相匹配，保证项目的可行性。所谓参数选择与优化，就是在这两者之间取得适当的平衡。 蒸汽的初温由燃气轮机的排气温度来决定。一般从燃气轮机排气端到蒸汽轮机进口的温差为 2050。对适用于汽轮机的朗肯循环，蒸汽初参数的压力与温度之间有一个合适的配合关系，蒸汽的压力即由这种关系确定。为便于在同一档次内采用相同的材料、工艺和零部件以及试验规范，各汽轮机主要制造厂商将汽轮机划分为中压、次高压、高压、压临界、超临界和超超临界等几
14、个档次。对于 30MW 级别的燃气联合循环机组中的汽轮机，一般选用高压和次高压系列。 在选择主蒸汽压力时，一般需要考虑多方面因素的影响。一是对汽轮机功率的影响，即对余热锅炉产汽量和蒸汽在汽轮机中的绝对焓降的影响，一般原则是使蒸汽产量与焓降的乘积为最大。二是对汽轮机排汽湿度的影响。三是需要汽轮机的功率等级，当功率较小时，如压力偏高，则进汽的容积流量较小，通流部分的喷嘴和动叶高度较短，二次流损失增加，内效率降低，故压力不能选得太高。另外，最佳进汽压力还与燃气轮机的运行条件、燃料种类、烟气成分、大气环境、余热锅炉的布置形式等有关。 对于三联供系统的双压蒸汽循环来说，随着主蒸汽压力的升高，由余热锅炉产
15、生的主蒸汽流量是不断降低的，但低压蒸汽的流量却是增加的。这不仅影响汽轮机的出力，而且影响冷热负荷的供应。显然，最佳参数的选择是一个在余热锅炉出力、汽轮机性能以及外部冷热负荷之间7进行的最优化热力计算过程。 2.2 不同蒸汽参数等级性能比较 根据上文的分析，本文选择典型的由两台燃气轮机（LM2500+G4） ，两台双压余热锅炉和两台蒸汽轮机（1 台抽凝机组，1 台背压机组）组成2 套联合循环机组。 表 2 和图 2 给出了该循环机组主蒸汽参数在不同等级下的机组性能参数与曲线。根据图表可以看出，随着主蒸汽压力与温度的提高，主蒸汽流量减少，供热能力下降，但是全厂热效率提高，汽轮机出力增加，低压蒸汽流
16、量也随之增加。 3 经济分析比较 3.1 经济性影响因素分析 影响天然气三联供系统经济效益的因素涉及多个方面。 首先，关于项目成本方面，天然气 CCHP 供能系统项目的特点之一就是前期固定资产投入较大，占较大比例，因此天然气冷热电三联供系统内各设备的价格会影响项目固定资产投资，从而影响项目的投资效益。其中，由于燃气轮机的国产化率低，其成本在固定成本中占比很高。此外，天然气的价格也是影响项目可变成本的主要因素。但是在本文讨论的范围内，由于燃气轮机机型已选定，而且主蒸汽参数的变化也不影响天然气耗量。由于主蒸汽参数对汽轮机和余热锅炉材料有影响，经咨询设备厂，方案一和方案三的汽轮机成本差别约为 400 万元，余热锅炉价格几乎无差别。此外，主汽管道和辅机设备也几乎无差别。 其次，关于经营性收入方面，由于主蒸汽参数改变会影响余热锅炉8产汽量和汽轮机出力，从而影响营业收入，包括供电收入、供热收入和供冷收入。
