熱電聯(lián)產(chǎn)工程中的燃?xì)馀涮准夹g(shù)探討

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(duì)環(huán)保的積極意義

熱電聯(lián)產(chǎn)，簡(jiǎn)稱CHP(combined heat and power)，是指電廠在生產(chǎn)電力的同時(shí)，利用做過功的工藝過程汽或者乏汽同時(shí)對(duì)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(guó)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(dòng)力的制冷負(fù)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(guó)家鼓勵(lì)在有條件的大中型城市建設(shè)大型燃?xì)庹羝?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(jì)中除了需要滿足功能性、景觀性要求以外，還有兩個(gè)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?xì)廨啓C(jī)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(xiàng)目中燃?xì)廨啓C(jī)主要使用天然氣為主要燃料。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)的原理簡(jiǎn)介

燃?xì)廨啓C(jī)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?dòng)力機(jī)械。燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)，燃燒室和透平等部件組成?？諝獗粔嚎s機(jī)連續(xù)吸入并壓縮，壓力升高，隨后進(jìn)入燃燒室，在燃燒室中與燃料混合燃燒成為高溫燃?xì)?，高溫燃?xì)膺M(jìn)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?xì)庾龉δ芰︼@著提高，燃?xì)庠谕钙街械呐蛎浌Υ笥趬嚎s機(jī)壓縮空氣所消耗的功，因此使透平在帶動(dòng)壓縮機(jī)后還有多余的功率，可以帶動(dòng)負(fù)載。按照這種原理工作的燃?xì)廨啓C(jī)為等壓燃燒加熱的開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，也是目前應(yīng)用最廣泛的燃?xì)廨啓C(jī)。

熱電聯(lián)產(chǎn)就是由燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)與余熱鍋爐共同組成的循環(huán)系統(tǒng)，它將燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)以提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率?，F(xiàn)代大型燃?xì)廨啓C(jī)一般均配套建設(shè)余熱鍋爐，蒸汽輪機(jī)，組成燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，它將燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)發(fā)電，或同時(shí)將部分發(fā)電做功后的抽、排汽用于供熱，形式有燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)同軸拖動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的單軸聯(lián)合循環(huán)，也有燃?xì)廨啓C(jī)，蒸汽輪機(jī)各自拖動(dòng)各自發(fā)電機(jī)的多軸聯(lián)合循環(huán)。目前，世界上的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組熱效率可達(dá)61%。全世界大中型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)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(guó)公司。

3 國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展情況和當(dāng)前能源政策

國(guó)內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展主要從20世紀(jì)50年代開始建設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)以備戰(zhàn)為主。從20世紀(jì)80年代到2003年，國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的項(xiàng)目以數(shù)量多，容量小為特點(diǎn)，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?xì)廨啓C(jī)以大容量為特點(diǎn)，并承擔(dān)發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的任務(wù)。

2013年國(guó)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(jì)和清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，合理建設(shè)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)調(diào)峰電站。在電價(jià)承受能力強(qiáng)，熱負(fù)荷需求大的中心城市，優(yōu)先發(fā)展大型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，因此上海迎來了熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目發(fā)展的歷史機(jī)遇。

4 熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目燃?xì)馀涮准夹g(shù)實(shí)例

4.1 項(xiàng)目情況介紹

以目前在建的上海大眾汽車制造廠發(fā)動(dòng)機(jī)二廠分布式能源中心項(xiàng)目為例，燃?xì)廨啓C(jī)為4臺(tái)德國(guó)MAN公司額定發(fā)電功率6.5 MW的MGT6200和4臺(tái)15 t/h余熱鍋爐。燃?xì)廨啓C(jī)天然氣額定入口壓力為2.5 MPa。

4.2 項(xiàng)目壓縮機(jī)的選型和布置

上海市北燃?xì)怃N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(jī)，將天然氣壓力提升到燃?xì)廨啓C(jī)需要的壓力。天然氣增壓機(jī)由4臺(tái)離心式壓縮機(jī)并聯(lián)組成，離心式壓縮機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工作平穩(wěn)無脈沖現(xiàn)象，振動(dòng)小，操作靈活，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，沒有需要經(jīng)常更換的零部件，缺點(diǎn)就是必須安裝防喘振裝置。離心式壓縮機(jī)使用范圍:壓力范圍為0.1～7.6 MPa，單級(jí)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?xì)夤?yīng)系統(tǒng)由燃?xì)庥?jì)量、粗精分離過濾、增壓、供氣管道、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口的絕對(duì)分離器、加熱器(含性能和啟動(dòng)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(jìn)入廠界后，首先接入天然氣表房采用超聲波計(jì)量計(jì)，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(jìn)入天然氣增壓機(jī)。天然氣的壓力從廠界設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.8 MPa被增壓至燃?xì)廨啓C(jī)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(hào)燃?xì)廨啓C(jī)入口。在燃?xì)廨啓C(jī)入口，設(shè)有天然氣前置模塊，包括絕對(duì)分離器、性能加熱器、啟動(dòng)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(jìn)一步的過濾和加熱，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室接口，通過燃燒器前的調(diào)壓閥和速比閥后進(jìn)入燃燒器參與燃燒。

4.3 壓力緩沖裝置的選型和計(jì)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(tái)燃?xì)廨啓C(jī)小時(shí)用氣量為677 m3，4個(gè)模塊全投產(chǎn)小時(shí)用氣量為2 708 m3。根據(jù)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范要求，為保證市政燃?xì)夤艿腊踩?，燃?xì)鈮嚎s裝置前必須安裝燃?xì)饩彌_裝置即儲(chǔ)氣罐。宜采用高壓球形儲(chǔ)氣罐，高壓球形儲(chǔ)氣罐容積為10 000 m3兩個(gè)，白天可以使用儲(chǔ)氣罐和城市管網(wǎng)同時(shí)供氣，晚上全部使用城市管網(wǎng)供氣，儲(chǔ)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?xì)夤軓剿τ?jì)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?xì)庠鰤合到y(tǒng)占地16×25 m2，相距分布式能源系統(tǒng)232 m；方案二燃?xì)庠鰤合到y(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?xì)庠鰤合到y(tǒng)距離分布式能源系統(tǒng)較近，管道造價(jià)較低，最終選擇方案二。

計(jì)算加壓裝置出口至燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口之間的天然氣管道直徑，根據(jù)上海天然氣參數(shù):燃?xì)饷芏热?.75 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度取15×10-6m2/s，絕對(duì)溫度取278.16 K，管道長(zhǎng)度約200 m，當(dāng)選取管道直徑為DN100時(shí)，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(jì)算表)。

4.5 燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)，材質(zhì)和施工技術(shù)要求

參照壓力大于1.6 MPa地下燃?xì)夤艿琅c建筑物水平凈距為13 m，由于加壓裝置和燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)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(dá)到B級(jí)以上，不達(dá)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(shí)，預(yù)先制定并安排好工作計(jì)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(duì)廠區(qū)內(nèi)的天然氣管線進(jìn)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。