天然氣分布式能源的參數(shù)優(yōu)化及經(jīng)濟分析

田景欣

摘要：文章介紹了天然氣冷熱電聯(lián)供分布式能源項目的主機配置方案，著重分析了主蒸汽參數(shù)對于全廠性能及外部冷熱負荷的影響，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，汽輪機出力增加，全廠熱效率提高。通過以某一實際項目的外部條件為基準，分析了不同主蒸汽參數(shù)對項目經(jīng)濟性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高主蒸汽參數(shù)會對該項目帶來非?？捎^的收益。結(jié)論認為，CCHP分布式項目的需要結(jié)合各項目自身冷熱負荷以及上網(wǎng)電價等因素進行技術(shù)經(jīng)濟比較，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；裝機方案；蒸汽參數(shù)優(yōu)化；經(jīng)濟比較

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

中圖分類號：TM611.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0145-03

1 典型裝機方案

1.1 天然氣分布式能源概況

在以前相當長的時期內(nèi)，我國的電力能源系統(tǒng)主要以大機組、大電廠、大電網(wǎng)以及長距離輸電的方式發(fā)展，該方式可以提高單元機組的發(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，其達到終端用戶的一次能源利用率僅37%左右，大部分的能量會被浪費。

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)的一個主要分支，它利用天然氣作為一次能源，在發(fā)電的同時提供熱能和冷能的綜合能源供應系統(tǒng)。其最突出的優(yōu)點是實現(xiàn)了能源的梯級利用，顯著提高了能源利用率，并且由于布置在能源負荷中心，輸電損耗很小，綜合能源利用率更可高達75～90%，是一種非常高效的能源利用方式。此外，由于在供能過程中僅僅排放極少的大氣污染物，對降低區(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)濟效益與社會效益。

在2012年10月國務院發(fā)布的《中國的能源政策（2012）》白皮書指出：“促進清潔能源分布式利用。中國堅持‘自用為主、富余上網(wǎng)、因地制宜、有序推進的原則，積極發(fā)展分布式能源。在能源負荷中心，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)等能源消費中心為重點，大力推進分布式可再生能源技術(shù)應用?！币虼耍烊粴夥植际侥茉聪到y(tǒng)在我國有巨大的發(fā)展空間。

1.2 全廠聯(lián)合循環(huán)主機配置方案

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。燃氣輪機首先利用天然氣進行發(fā)電，隨之產(chǎn)生的高溫煙氣進入余熱鍋爐繼續(xù)產(chǎn)生蒸汽，高壓蒸汽進入汽輪機發(fā)電，并為高壓蒸汽熱用戶提供熱能；同時，余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽可提供給溴化鋰制冷機制冷或提供給供熱站。該系統(tǒng)可以并入大電網(wǎng)，實現(xiàn)其與大電網(wǎng)互為備用電源的功能。

1.2.2 燃氣輪機

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

近年來，在國內(nèi)以航改型燃氣輪機作為主設(shè)備的分布式能源中心已有多個項目投產(chǎn)運行。例如廣州大學城項目配置了P&W公司的FT8 SWIFT PAC60 機型，江西九江三聯(lián)供項目配置了GE公司的LM2500+G4機型，上海莘莊三聯(lián)供項目配置了GE公司的LM6000機型。這些項目自投產(chǎn)以來機組運行安全穩(wěn)定，同時取得了良好的社會、環(huán)境及經(jīng)濟效益，值得推廣及借鑒。由于GE公司和華電集團合資成立了華電通用輕型燃氣輪機有限公司，實現(xiàn)了設(shè)備的部分國產(chǎn)化，且GE的航改型燃氣輪機在國內(nèi)運行業(yè)績較多，因此本文所分析的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，燃氣輪機選則GE的LM2500+G4航改型燃氣輪機。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2.3 余熱鍋爐

對于30MW級燃氣輪機排氣溫度較高，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。同時熱電冷三聯(lián)供機組，供熱可靠性要求高，機組熱效率要求在70%以上，高壓蒸汽進入汽輪機做功，且低壓蒸汽可以作為低壓熱用戶端蒸汽型溴化鋰機組的驅(qū)動蒸汽（夏季）或管殼式汽水換熱器的熱源（冬季），進一步提高聯(lián)合循環(huán)機組的出力和效率。故本文采用自然循環(huán)，雙壓，不補燃余熱鍋爐。

1.2.4 蒸汽輪機

2016年3月22日國家發(fā)改委、能源局財政部、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)項目可按“一抽一背”配置汽輪發(fā)電機組或采用背壓式汽輪機發(fā)電機組。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，背壓機組的容量應占裝機總?cè)萘康?0%以上?！?/p>

根據(jù)汽機廠的反饋意見，背壓式汽輪機在80%-100%負荷范圍內(nèi)機組熱耗與設(shè)計值偏差不大；當負荷率在70%-80%范圍內(nèi)，機組熱耗偏離設(shè)計值較大，經(jīng)濟性較差；當負荷率在70%以下，機組熱耗急劇下降，經(jīng)濟性很差，而且末級葉片的磨損嚴重，長期運行會危及設(shè)備的安全可靠性。因此，當負荷率穩(wěn)定在80%以上時，背壓式機組才能夠安全穩(wěn)定經(jīng)濟地運行。

因此，按項目投資建設(shè)規(guī)模為兩臺（套），則主機配置方案選擇一臺為背壓式機組，另一臺為抽凝式機組。背壓式機組承擔大部分的穩(wěn)定的熱負荷，保證較高的運行效率，而抽凝機組的抽汽可以靈活地調(diào)節(jié)熱負荷的變化，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

雖然汽輪機在整個聯(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)比燃氣輪機復雜，占地面積大，而且在三聯(lián)供系統(tǒng)中提供熱能和冷能，對經(jīng)濟性影響也較大。因而，對于汽輪機熱力參數(shù)的選擇及汽水系統(tǒng)的設(shè)計仍需進行認真比較，體現(xiàn)科學性和經(jīng)濟性。

聯(lián)合循環(huán)中，余熱鍋爐及汽輪機系統(tǒng)中的能量來源于燃氣輪機的余熱，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該是參數(shù)選擇的首要原則。其次，建設(shè)分布式能源項目的另一目的是滿足周邊用戶的冷熱負荷要求，使設(shè)計參數(shù)與需求相匹配，保證項目的可行性。所謂參數(shù)選擇與優(yōu)化，就是在這兩者之間取得適當?shù)钠胶狻?/p>

蒸汽的初溫由燃氣輪機的排氣溫度來決定。一般從燃氣輪機排氣端到蒸汽輪機進口的溫差為20～50℃。對適用于汽輪機的朗肯循環(huán)，蒸汽初參數(shù)的壓力與溫度之間有一個合適的配合關(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規(guī)范，各汽輪機主要制造廠商將汽輪機劃分為中壓、次高壓、高壓、壓臨界、超臨界和超超臨界等幾個檔次。對于30MW級別的燃氣聯(lián)合循環(huán)機組中的汽輪機，一般選用高壓和次高壓系列。

在選擇主蒸汽壓力時，一般需要考慮多方面因素的影響。一是對汽輪機功率的影響，即對余熱鍋爐產(chǎn)汽量和蒸汽在汽輪機中的絕對焓降的影響，一般原則是使蒸汽產(chǎn)量與焓降的乘積為最大。二是對汽輪機排汽濕度的影響。三是需要汽輪機的功率等級，當功率較小時，如壓力偏高，則進汽的容積流量較小，通流部分的噴嘴和動葉高度較短，二次流損失增加，內(nèi)效率降低，故壓力不能選得太高。另外，最佳進汽壓力還與燃氣輪機的運行條件、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)。

對于三聯(lián)供系統(tǒng)的雙壓蒸汽循環(huán)來說，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。這不僅影響汽輪機的出力，而且影響冷熱負荷的供應。顯然，最佳參數(shù)的選擇是一個在余熱鍋爐出力、汽輪機性能以及外部冷熱負荷之間進行的最優(yōu)化熱力計算過程。

2.2 不同蒸汽參數(shù)等級性能比較

根據(jù)上文的分析，本文選擇典型的由兩臺燃氣輪機（LM2500+G4），兩臺雙壓余熱鍋爐和兩臺蒸汽輪機（1臺抽凝機組，1臺背壓機組）組成2套聯(lián)合循環(huán)機組。

表2和圖2給出了該循環(huán)機組主蒸汽參數(shù)在不同等級下的機組性能參數(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，汽輪機出力增加，低壓蒸汽流量也隨之增加。

3 經(jīng)濟分析比較

3.1 經(jīng)濟性影響因素分析

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

首先，關(guān)于項目成本方面，天然氣CCHP供能系統(tǒng)項目的特點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)備的價格會影響項目固定資產(chǎn)投資，從而影響項目的投資效益。其中，由于燃氣輪機的國產(chǎn)化率低，其成本在固定成本中占比很高。此外，天然氣的價格也是影響項目可變成本的主要因素。但是在本文討論的范圍內(nèi)，由于燃氣輪機機型已選定，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)對汽輪機和余熱鍋爐材料有影響，經(jīng)咨詢設(shè)備廠，方案一和方案三的汽輪機成本差別約為400萬元，余熱鍋爐價格幾乎無差別。此外，主汽管道和輔機設(shè)備也幾乎無差別。

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

3.2 營業(yè)收入分析比較

由于各個分布式項目所在地區(qū)的上網(wǎng)電價和冷熱負荷市場價格差異較大，但目前該類型項目多建于經(jīng)濟較發(fā)達同時有較大環(huán)保壓力的地區(qū)，本文以上海莘莊冷熱電三聯(lián)供項目的外部條件為基礎(chǔ)，進行經(jīng)濟性分析，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0.674元/kWh，供冷價鉻：0.529元/kwh，含稅供熱價為250元/t。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可以得出三個方案的營業(yè)收入差異，由表3可以看出，方案一較方案二年營業(yè)收入高275萬元，方案一較方案三年營業(yè)收入高1045萬元。

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3.3 經(jīng)濟性分析

由上述數(shù)據(jù)可以得出，提高主蒸汽參數(shù)后，雖然汽輪機等設(shè)備的投資會增加約400萬元，但是每年的營業(yè)收入可以增加約1045萬元，只需要約0.5年即可收回增加的投資。由此可見，提高主蒸汽參數(shù)會對該項目帶來非常可觀的收益。

但是，由于各項目的實際外部條件不同，例如不同地區(qū)的上網(wǎng)電價不同，冷熱負荷價格不同，項目的設(shè)計熱負荷不同，因此對于具體項目均需要進行技術(shù)經(jīng)濟性比較，同時滿足熱負荷的需求，才能最終確定適合項目本身的方案。

4 結(jié)論

①對于天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的雙壓蒸汽循環(huán)來說，主蒸汽參數(shù)變化會影響余熱鍋爐蒸汽流量和汽輪機出力。

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，汽輪機出力增加，全廠熱效率提高。

③隨著主蒸汽參數(shù)變化對項目投資及成本影響不大，但對營業(yè)收入影響較大。以上海地區(qū)為例，主蒸汽參數(shù)的提高有利于增強項目的經(jīng)濟性指標。

④由于各項目實際外部條件不同，應綜合分析熱負荷、上網(wǎng)電價和市場冷熱負荷價格等，進行技術(shù)經(jīng)濟性比較，最終確定適合項目本身的方案。

致謝：感謝華電-通用輕型燃氣輪機有限公司、杭州鍋爐集團、青能汽輪機發(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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