小型煤礦區(qū)天然氣分布式能源站的裝機(jī)方案研究

陳聰杰

摘 要：本文主要分析了小型煤礦區(qū)天然氣分布式能源站裝機(jī)方案，針對行業(yè)特點(diǎn)，主要對燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、軸系布置各類型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，推薦了常規(guī)的小型煤礦區(qū)天然氣分布式能源站裝機(jī)方案，以供本行業(yè)規(guī)劃設(shè)計人員參考。

關(guān)鍵詞：小型煤礦;分布式能源站;裝機(jī)方案

中圖分類號：TU99;TK01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0120-03

Abstract： This paper mainly analyzed the unit selection scheme of natural gas distributed energy station in small coal mine area. According to industry characteristics， the advantages and disadvantages of various types of gas turbines， waste heat boilers， steam turbines， and shafting arrangements were analyzed. The installation plan of the conventional small-scale coal mine area natural gas distributed energy station was recommended. The author hopes that the research of this paper can provide reference for the planning and design personnel in this industry.

Keywords： small coal mine;distributed energy station;installation plan

小型煤礦區(qū)對熱負(fù)荷具有迫切需求。為滿足其供熱、供冷及用電要求，依據(jù)國家有關(guān)政策，綜合考慮小型煤礦區(qū)所需熱負(fù)荷的實(shí)際情況，從提高整個小型煤礦區(qū)和能源站的供熱效率以及經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，遵循“熱電聯(lián)產(chǎn)，以熱定電”的原則，規(guī)劃新建天然氣分布式能源站項(xiàng)目，為小型煤礦區(qū)提供生活、生產(chǎn)用氣。

1 主要原則

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式[1]。用于分布式能源站的原動機(jī)主要包括燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)，區(qū)域式分布式能源站原動機(jī)宜選用燃?xì)廨啓C(jī)。采用燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)時，符合下列情況之一時，宜選用航改型燃?xì)廨啓C(jī)：簡單循環(huán)效率高，需要快速頻繁啟停并且不影響機(jī)組壽命，土地價格高，環(huán)保排放要求高[2]。天然氣分布式能源站裝機(jī)選型應(yīng)綜合考慮供熱半徑、熱負(fù)荷規(guī)模及特性、燃料供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益等各因素，通過對原動機(jī)、余熱利用設(shè)備、蒸汽輪機(jī)進(jìn)行比選優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)能源梯級高效利用。

機(jī)組選型的原則是優(yōu)先安排背壓型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，其發(fā)電容量不計入當(dāng)?shù)仉娏ㄔO(shè)控制規(guī)模;當(dāng)以氣體燃料為主時，采用分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組[3]。機(jī)組的容量、臺數(shù)應(yīng)合理，保證供熱可靠性，避免供熱機(jī)組事故、檢修時影響用戶端。

天然氣分布式能源站規(guī)劃應(yīng)優(yōu)化設(shè)計、嚴(yán)格控制工程投資和運(yùn)行成本。同時，能源站應(yīng)積極采用國內(nèi)外成熟的先進(jìn)技術(shù)，提高整體技術(shù)水平，使能源站在質(zhì)量性能指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及安全穩(wěn)定指標(biāo)等方面與國際水平接軌。

2 機(jī)組國產(chǎn)化能力介紹

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)

目前，我國燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平仍存在較大差距，在技術(shù)開發(fā)、試驗(yàn)研究和生產(chǎn)裝備的配置方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。20世紀(jì)60年代，國內(nèi)各大汽輪機(jī)廠與科研院校聯(lián)合研發(fā)了國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)（初溫700 ℃）。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)各大汽輪機(jī)廠積極通過國際技術(shù)交流及合作，生產(chǎn)大功率燃?xì)廨啓C(jī)?！笆濉逼陂g，科技部“863計劃”（國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃）能源領(lǐng)域重大專項(xiàng)工程設(shè)立了重型燃?xì)廨啓C(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)兩個研制項(xiàng)目，各大科研單位，以產(chǎn)學(xué)研合作的方式，聯(lián)合攻關(guān)R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)，我國成為世界上第五個具備重型燃?xì)廨啓C(jī)研制能力的國家?！笆晃濉逼陂g，科技部通過“863計劃”支持開展了“中低熱值燃料R0110燃?xì)廨啓C(jī)研制及其在IGCC電站中的工程應(yīng)用示范”和“F級中低熱值燃料燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)與整機(jī)設(shè)計研究”。目前，在我國已投產(chǎn)的天然氣分布式能源項(xiàng)目中，機(jī)組單機(jī)容量在70 MW以下的基本都采用國外燃機(jī)或內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，適合分布式能源的國產(chǎn)燃機(jī)汽輪機(jī)廠家目前較少。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和“西氣東輸”工程的推進(jìn)，國內(nèi)燃機(jī)制造廠通過技術(shù)引進(jìn)的方式積極開展各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，吸收國外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不斷推動燃機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程。

2.2 余熱鍋爐

目前，國內(nèi)主要鍋爐制造廠通過與國外公司的分包合作、技術(shù)引進(jìn)，已具備余熱鍋爐的設(shè)計制造能力。制造廠通過廣泛的國際技術(shù)交流、技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和技術(shù)創(chuàng)新，形成了獨(dú)立開發(fā)、設(shè)計和制造新型燃機(jī)余熱鍋爐的能力。國內(nèi)已生產(chǎn)投運(yùn)的產(chǎn)品包括自然循環(huán)（臥式）和強(qiáng)制循環(huán)（立式）兩大系列，單壓、雙壓、三壓三種類型，適應(yīng)各類燃?xì)廨啓C(jī)。對于適合小型聯(lián)合循環(huán)的余熱鍋爐，國內(nèi)各大制造廠都已具備很高的設(shè)計和制造能力。

2.3 蒸汽輪機(jī)

分布式能源站所配的汽輪機(jī)，因無回?zé)嵯到y(tǒng)且容量屬小型工業(yè)汽輪機(jī)范圍，其結(jié)構(gòu)形式相對于燃煤汽輪機(jī)較為簡單。我國汽輪機(jī)制造技術(shù)已很成熟，各大汽輪機(jī)廠均能生產(chǎn)各容量范圍的汽輪機(jī)組，生產(chǎn)能力和生產(chǎn)設(shè)備均已具備條件。國內(nèi)汽輪機(jī)廠通過對常規(guī)汽輪機(jī)進(jìn)行改造或引進(jìn)國外技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出專門用于燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)的汽輪機(jī)系列，并已有實(shí)際運(yùn)行實(shí)例。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組國產(chǎn)化是一個長期的進(jìn)程。在當(dāng)前階段，部分等級的燃?xì)廨啓C(jī)已具備國產(chǎn)化條件，能設(shè)計制造具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組;余熱鍋爐已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化;蒸汽輪機(jī)相對燃機(jī)技術(shù)難度較小，國內(nèi)具備一定的配套和生產(chǎn)能力，根據(jù)不同的配置情況，可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化;燃機(jī)發(fā)電機(jī)，由于各燃機(jī)廠家考慮機(jī)組的效率和匹配問題，一般由燃機(jī)廠家進(jìn)行全套供應(yīng)。針對上述情況，燃?xì)廨啓C(jī)從國內(nèi)外適合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的機(jī)型中選取，并配燃機(jī)發(fā)電機(jī)，余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)采用國產(chǎn)。

3 機(jī)組選型

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)

目前，天然氣分布式能源站基本采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)的選型不同，使得相應(yīng)配套的余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)在選型、參數(shù)等方面有所不同。機(jī)組選型原則為“以熱定電”，針對項(xiàng)目設(shè)計負(fù)荷容量及特性，考慮使用技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的機(jī)型。適合于分布式能源系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)的國內(nèi)外主要廠商有索拉、普惠、日立、西門子、GE、南汽、中航等。燃?xì)廨啓C(jī)選型必須根據(jù)項(xiàng)目供熱負(fù)荷需要進(jìn)行匹配計算，選擇額定功率及熱耗合適的燃?xì)廨啓C(jī)。燃機(jī)制造商適用于小型煤礦區(qū)常見的燃機(jī)型號如表1所示。

3.2 余熱鍋爐

由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度比較低，余熱鍋爐熱量回收主要依靠對流接觸傳熱。按工質(zhì)在蒸發(fā)受熱面中的流動特點(diǎn)可以將余熱鍋爐分為自然循環(huán)余熱鍋爐和強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐兩類。其中，利用爐水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流體密度差產(chǎn)生循環(huán)力的是自然循環(huán)鍋爐;利用鍋爐強(qiáng)制循環(huán)泵使?fàn)t水循環(huán)的是強(qiáng)制循環(huán)。自然循環(huán)余熱鍋爐的可靠性優(yōu)于強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐。余熱鍋爐按煙氣流動方向，分為立式鍋爐和臥式鍋爐，自然循環(huán)余熱鍋爐大多為臥式，強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐較多為立式。一般來說，余熱鍋爐的循環(huán)方式有5種：單壓無再熱、雙壓無再熱、雙壓再熱、三壓無再熱和三壓再熱。適用于分布式能源的燃機(jī)容量相對較小，排氣參數(shù)較低，為簡化系統(tǒng)，一般不采用三壓循環(huán)，且雙壓蒸汽循環(huán)系統(tǒng)比單壓蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的熱效率會有明顯提高（約提高1.5%～1.7%），建議采用雙壓余熱鍋爐。適用于分布式能源的燃機(jī)一般排煙溫度較低，余熱鍋爐中再熱器難以布置，同時考慮到經(jīng)濟(jì)性和供熱可靠性問題，建議采用無再熱余熱鍋爐。因此，余熱鍋爐推薦采用自然循環(huán)、臥式、雙壓、無再熱余熱鍋爐，蒸汽壓力根據(jù)供熱蒸汽需求確定。

3.3 蒸汽輪機(jī)

聯(lián)合循環(huán)用的蒸汽輪機(jī)與一般的火力發(fā)電裝置用的蒸汽輪機(jī)在原理上是相同的，結(jié)構(gòu)上也類似。聯(lián)合循環(huán)用的蒸汽輪機(jī)運(yùn)行方式為滑壓運(yùn)行，蒸汽輪機(jī)為全周進(jìn)汽，正常運(yùn)行時，蒸汽調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，由燃?xì)廨啓C(jī)的燃料投入量進(jìn)行負(fù)荷控制。當(dāng)余熱鍋爐給水溫度升高時，余熱鍋爐的排煙溫度會隨之升高，使余熱回收效率下降，熱效率得不到提高，因此一般不設(shè)置回?zé)嵯到y(tǒng)，同時由于沒有回?zé)岢槠?，排汽量大。?lián)合循環(huán)用蒸汽輪機(jī)必須適應(yīng)快速啟動的要求，在不影響效率的前提下，盡量加大動靜部件間隙，以防止在快速啟動時由于不均勻膨脹引起動靜部件之間的摩擦。聯(lián)合循環(huán)用蒸汽輪機(jī)排汽有軸向排汽和向下排汽兩個類型。適用于分布式能源的余熱鍋爐建議采用無再熱，因此蒸汽輪機(jī)也采用無再熱式。多壓機(jī)組比單壓機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高，系統(tǒng)復(fù)雜，前期投資高。適用于分布式能源的汽輪機(jī)組容量小，可靠性要求高，因此蒸汽輪機(jī)也采用單壓進(jìn)汽。熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方案中可供選擇的蒸汽輪機(jī)有抽凝、抽背與背壓式，須根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計熱負(fù)荷波動情況合理選擇蒸汽輪機(jī)機(jī)型[4]。

4 軸系布置方案比較

聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸系布置方案，與能源站主機(jī)軸系聯(lián)結(jié)方式、總體布置、負(fù)荷調(diào)節(jié)、檢修方式等有關(guān)，對裝置運(yùn)行、操作與性能以及投資有較大影響。按裝置的有用功輸出方式，聯(lián)合循環(huán)的軸系布置方案分為單軸和多軸[5]。

4.1 單軸布置方案

單軸聯(lián)合循環(huán)是指聯(lián)合循環(huán)的有用輸出功率來自一根軸，即燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)驅(qū)動同一臺發(fā)電機(jī)。單軸布置方案又分為發(fā)電機(jī)尾置（燃?xì)廨啓C(jī)+汽輪機(jī)+發(fā)電機(jī)）和發(fā)電機(jī)中置（燃?xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)+3S離合器+汽輪機(jī)）。單軸聯(lián)合循環(huán)布置方案的主要特點(diǎn)是：共用1臺較大容量的發(fā)電機(jī)，輔助設(shè)施統(tǒng)一布置，與多軸布置相比，設(shè)備簡單，布置緊湊，廠房面積小，土建成本降低，使整個電廠緊湊高效。

4.2 多軸布置方案

多軸聯(lián)合循環(huán)是指聯(lián)合循環(huán)的有用功來自一根以上的軸，即每臺燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)各自驅(qū)動不同發(fā)電機(jī)。多軸布置方案根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)的匹配不同，又可分為“一拖一”“二拖一”等多種配置方式。多軸聯(lián)合循環(huán)布置方案的主要特點(diǎn)是：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組相對獨(dú)立、分開布置，設(shè)備與系統(tǒng)都比較復(fù)雜，占地面積較大。

熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目供熱的可靠性要求很高。單軸布置發(fā)電機(jī)尾置方案，一旦燃機(jī)或發(fā)電機(jī)故障或檢修，則整套機(jī)組必須停運(yùn)，降低了供熱的可靠性。單軸布置發(fā)電機(jī)中置方案，3S離合器使燃機(jī)和汽輪機(jī)分開運(yùn)行，但增加機(jī)組投資和發(fā)電機(jī)檢修的難度，同時單臺發(fā)電機(jī)降低了機(jī)組的可靠性。多軸布置方案，當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢修時，另一臺發(fā)電機(jī)均可正常運(yùn)行，預(yù)熱鍋爐不必隨汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的檢修而停運(yùn)，提高了機(jī)組供熱的可靠性，同時可使能源站運(yùn)行靈活、效率高。因此，軸系布置方案推薦采用多軸聯(lián)合循環(huán)。

5 結(jié)論

通過對各類燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行全面比較，小型煤礦區(qū)天然氣分布式能源站的主機(jī)設(shè)備選型推薦如下：燃?xì)廨啓C(jī)從國內(nèi)外適合于分布式能源站的成熟、可靠、高效率的機(jī)型中選取，并配置燃機(jī)發(fā)電機(jī);余熱鍋爐采用自然循環(huán)、臥式、雙壓余熱式，蒸汽壓力根據(jù)供熱蒸汽需求確定，并采用國產(chǎn)品牌;蒸汽輪機(jī)采用抽凝、抽背或背壓式，并采用國產(chǎn)品牌;軸系布置方案采用多軸聯(lián)合循環(huán)式。

參考文獻(xiàn)：

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