DQZHAN技術(shù)訊：分布式能源與燃氣輪機選型

1 引言  分布式能源系統(tǒng)(DES，Distributed Energy System)是一種新型的能源系統(tǒng)，它一般建于用戶附近，減少了輸配系統(tǒng)投資和能量損失，是更高效、更可靠和更加環(huán)保的能源系統(tǒng)。當(dāng)今的分布式能源系統(tǒng)主要是指用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機、微型或小型燃氣輪機和其他小型動力裝置，如燃料電池等為核心組成的總能系統(tǒng)。

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（DES/CCHP），即“**代能源系統(tǒng)”，集燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、蒸汽輪機、吸收式冷熱水機、壓縮式冷熱水機、熱泵、吸收式除濕機和能源綜合控制體系等高新技術(shù)和設(shè)備為一體，對輸入能量及內(nèi)部能流根據(jù)熱能品味進行綜合梯級利用，來達到更高能源利用率，減少二氧化碳及有害氣體排放。

2 燃氣輪機選型

2.1機組選型原則

（1）按照“以熱定電”的原則，根據(jù)冷、熱負荷選擇合適的裝機方案，以取得較好的綜合效益。

（2）應(yīng)綜合考慮供熱（冷）**可靠，機組調(diào)節(jié)靈活，技術(shù)上經(jīng)濟上先進合理。

（3）應(yīng)考慮天然氣價格較貴的特點，盡可能選用高效率、起動快的機組，以充分利用能源，降低供熱（冷）供電價格。

（4）冷、熱負荷具有不確定性，機組選型應(yīng)能適應(yīng)一定冷、熱負荷變化的能力。

（5）選擇先進、成熟的標準系列產(chǎn)品，努力提高設(shè)備的國產(chǎn)化率。

（6）具有較佳的技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢。

2.2 燃氣輪機主要供應(yīng)商簡介

目前，世界上能設(shè)計和生產(chǎn)工業(yè)重型燃氣輪機的主導(dǎo)廠家有：美國GE公司、德國Siemens公司、法國Alstom公司、日本Mitsubishi公司和日本HITACHI公司。另外還有一些設(shè)計和生產(chǎn)輕型燃氣輪機的廠家，如美國P&W公司、美國Solar Turbines公司等。

2.3.1 美國GE公司

美國GE公司是一家多元化公司，產(chǎn)品和服務(wù)范圍廣闊，從飛機發(fā)動機、發(fā)電設(shè)備、金融服務(wù)、水處理到醫(yī)療成像機媒體。GE公司是世界上*大的燃氣輪機生產(chǎn)廠家，它占有全世界70%的燃氣輪機市場，在設(shè)計經(jīng)驗、價格和性能方面有很強的競爭力。LM2500+G4 型和LM6000PF型均為航改型燃氣輪機，燃氣輪機發(fā)電功率分別可以達到30MW和40MW左右，單循環(huán)熱效率均高達40%左右，分別采用環(huán)形燃燒室和雙燃料干式低排（DLE）放燃燒技術(shù)，NOx排放量分別為25ppm和15ppm，啟停時間較短，可靠性高，但進氣壓力較高。

2.3.2 日立公司

日立集團是一家知名的跨國綜合電氣企業(yè)，事業(yè)領(lǐng)域涉及電力及產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)、電子設(shè)備、數(shù)字媒體及家用電氣、高性能材料、物流及服務(wù)、金融服務(wù)等領(lǐng)域。日立集團在能源領(lǐng)域涉及火力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、核電系統(tǒng)以及SCR脫銷系統(tǒng)和電站控制系統(tǒng)等多領(lǐng)域。日立公司的燃氣輪機生產(chǎn)始于1966年，H25/H15燃氣輪機于1988年首臺開始商業(yè)運行。

2.3.3 普惠公司

美國聯(lián)合技術(shù)公司是美國百強公司中2009年排名第40位的集團公司，年銷售額590億美元。旗下?lián)碛衅绽亘B惠特尼發(fā)動機公司（普惠公司），奧梯斯電梯，開利空調(diào)，西科斯基直升機等有名品牌。普惠公司是世界上三大航空發(fā)動機制造商之一，而普惠動力系統(tǒng)公司（Pratt & Whitney Power Systems, PWPS）是普惠公司的地面動力系統(tǒng)分部，生產(chǎn)500kW－60MW的系列工業(yè)燃氣輪機，從60年代初開始生產(chǎn)工業(yè)燃氣輪機，至今已經(jīng)生產(chǎn)各類工業(yè)燃氣輪機幾千臺套，是世界上輕型工業(yè)燃氣輪機的主要生產(chǎn)廠家之一。

FT8輕型工業(yè)燃氣輪機是普惠動力系統(tǒng)公司的主要產(chǎn)品，單臺ISO功率30MW。FT8燃氣輪機的核心機來自普惠已經(jīng)銷售了14000多臺并累積運行1億多小時的JT8D商用發(fā)動機。FT8燃氣輪機具有較高的效率、安裝簡便、占地小、啟動快速、部分負荷性能好和運行靈活等特點，廣泛用于發(fā)電（簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)）、熱電聯(lián)供和機械驅(qū)動。目前在世界上已經(jīng)有400多臺FT8機組在運行，累計運行超過300萬小時。

2.3.4 西門子公司

總部位于柏林和慕尼黑的西門子公司是世界上*大的電子和電氣工程公司之一，主要業(yè)務(wù)集中在工業(yè)、能源和醫(yī)療領(lǐng)域。西門子能源是為整個能源轉(zhuǎn)換鏈提供**解決方案的****供應(yīng)商，也為工業(yè)（特別是石油和天然氣行業(yè)）用戶提供**系統(tǒng)的解決方案。西門子在能源業(yè)務(wù)領(lǐng)域上表現(xiàn)突出，下屬的六個業(yè)務(wù)集團均在市場中處于**位置?；鹆Πl(fā)電集團為化石燃料發(fā)電提供高效的產(chǎn)品和解決方案，產(chǎn)品范圍涵蓋燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機以及“交鑰匙”電廠。可再生能源集團主要為風(fēng)能和太陽能市場提供產(chǎn)品和解決方案。石油與天然氣集團為客戶提供用于石油天然氣開采、運輸和加工的系列產(chǎn)品與解決方案。能源服務(wù)集團為整座電廠和旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機和壓縮機等）提供綜合**務(wù)，其中

包括運營、維護和現(xiàn)代化服務(wù)。輸電集團是

高壓領(lǐng)域的**產(chǎn)品與解決方案供應(yīng)商，是高壓直流系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)軍者。配電集團通過智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提高了能源系統(tǒng)的效率。該集團提供**的中壓設(shè)備和系統(tǒng)、能源自動化高效解決方案以及電力系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。SGT-600型燃氣輪機發(fā)電功率達24MW，單循環(huán)效率達33.3%，排氣溫度較高，適合熱電聯(lián)產(chǎn)及聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用。

2.3.5 索拉公司

索拉透平國際有限公司是卡特彼勒公司的獨資公司。索拉是****的工業(yè)用燃氣輪機和渦輪機成套設(shè)備制造企業(yè)，其產(chǎn)品功率范圍為1,000至22,000kW。索拉透平公司的產(chǎn)品還包括天然氣壓縮機、燃氣輪機發(fā)電機和壓縮機組以及燃氣輪機機械驅(qū)動裝置。目前,索拉在中國安裝了超過176臺機組,這些機組被中海油、中國石油以及中石化廣泛地用在油田電站和天然氣管線增壓站上。

2.4主要燃氣輪機型號單循環(huán)性能比較

考慮到分布式能源項目的特點，容量小，靠近冷熱用戶，輸送距離短；相配套的燃氣輪機出力較小，本文選取5家公司具有代表意義的燃機型號進行比選，詳見表1。

從表1可以看出：

（1）航改型的燃氣輪機比工業(yè)重型燃氣輪機壓比大，入口天然氣壓力高，會增加廠用電率。

（2）航改型的燃氣輪機在ISO工況單循環(huán)的熱耗比工業(yè)重型燃氣輪機低；效率比工業(yè)重型機高。

（3）燃氣輪機排氣能量，航改型燃氣輪機比工業(yè)重型燃氣輪機小。即航改型燃氣輪機比工業(yè)重型燃氣輪機余熱利用的潛力小。

2.5航改型燃氣輪機和工業(yè)重型燃氣輪機的比較

為了減少篇幅，便于闡述，本文選取GE公司的航改型燃機LM2500+G4與日立公司的工業(yè)重型燃機H25進行比較。

2.5.1燃氣輪機入口的天然氣壓力

在燃氣輪機選型時要注意設(shè)備要求的天然氣進氣壓力。天然氣的進氣壓力應(yīng)盡可能在天然氣管網(wǎng)能提供的壓力范圍內(nèi)，以減少投資和廠用電的消耗。

由于GE公司的LM2500+G4的進氣壓力為3.8MPa，日立的H25進氣壓力為2.2~2.5MPa。對于同樣的天然氣管網(wǎng)壓力，有可能出現(xiàn)采用日立的H25燃氣輪機可以不設(shè)置增壓站，而采用GE公司的LM2500+G4則必須設(shè)增壓機。增壓機會帶來額外的廠用電消耗，以及場地布置上需采取相應(yīng)的防爆措施，所以在選擇航改型燃機時需要注意這方面因素的影響。

2.5.2大氣溫度的變化對機組的出力、熱耗以及排氣參數(shù)的影響

大氣溫度的變化對GE公司的LM2500+G4和日立的H25燃機出力、熱耗、排氣溫度以及排氣流量的曲線見圖1-4。

從圖中可以看出，隨著溫度的升高，GE公司的LM2500+G4出力下降較快，但熱耗下降較慢。相比之下，日立公司的排氣溫度和排期流量變化較為緩慢。

2.5.3熱端部件的更換周期

GE公司提出機組運行4000小時需進行內(nèi)窺鏡檢查（停機8~12小時）；25000小時需進行熱部件檢修（停機3天），更換費用約150~300萬美元；50000小時大修，發(fā)動機更換，更換費用約300~500萬美元。

GE公司LM2500+G4 50000小時（6年）大修，更換發(fā)動機，日立的H25運行64000小時（8年）開缸進行大修。

2.5.4長期服務(wù)維護的合同費用

GE公司提出一般合同期為12年，覆蓋2個大修期。服務(wù)包括合同期內(nèi)的計劃性和非計劃性（有一定的上限）對維修備件及服務(wù)。合同按初始費用、月固定費用及燃燒時數(shù)費用進行收費。如果現(xiàn)場備有發(fā)動機或客戶參與租用發(fā)動機合同可以保證95%的可用率。整體的費用大約每度電0.023~0.028元，根據(jù)合同內(nèi)容而定。

日立公司的H-25燃氣輪機的小/中/大修的保養(yǎng)維護的參考費用為0.013元/KWh。根據(jù)業(yè)主的條件、范圍、時期等要求的不同，費用會有相應(yīng)變動。

2.5.5燃機經(jīng)濟性比較

燃機經(jīng)濟性主要與項目運營參數(shù)（年運行小時數(shù)和項目經(jīng)營期）、生產(chǎn)運行參數(shù)（全廠聯(lián)合循環(huán)效率及氣價等）、繳付費用、工程造價、折舊、維護費用、融資條件、稅收及法定費率等條件有關(guān)。

一般在*終電價中，各種因素所占權(quán)重各不相同。經(jīng)初步估算，工程造價約占電價權(quán)重的5%，全年發(fā)電量和供熱量約占電價權(quán)重的80%，維護費用可視為能直接計入電價。表2為根據(jù)某項目的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算出兩款燃機的主要經(jīng)濟數(shù)據(jù)對照表。

由上表可知，在各類基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)不變的情況下，針對供熱工況，日立公司的H-25燃氣輪機經(jīng)濟性比GE公司的LM2500+G4燃氣輪機高，測算平均含稅上網(wǎng)電價稍低。

2.5.5工業(yè)重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機比較匯總

工業(yè)重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機的性能參數(shù)比較見表3。

3 裝機方案選擇

3.1聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)選擇

實用的燃氣輪機—汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置（簡稱聯(lián)合循環(huán)）從熱力循環(huán)系統(tǒng)的角度來分主要有以下五類：

（1）無補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)

所有的熱量都由燃氣輪機帶入的聯(lián)合熱力循環(huán)，這是一種以燃氣輪機為主的聯(lián)合循環(huán)，燃氣側(cè)參數(shù)對系統(tǒng)性能影響較大。

（2）有補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)

在工質(zhì)經(jīng)過燃氣輪機做功后加入一部分熱量參與循環(huán)的聯(lián)合熱力循環(huán)。補燃作用是提高蒸汽參數(shù)與蒸汽產(chǎn)量，增加汽輪機的功率或?qū)ν獠抗に嚵鞒烫峁╊~外的供熱蒸汽。

（3）排氣全燃型聯(lián)合循環(huán)

利用燃氣輪機排氣作為熱風(fēng)助燃的聯(lián)合循環(huán)。工質(zhì)中剩余的氧幾乎全部與燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這是一種以汽輪機為主的聯(lián)合循環(huán)，系統(tǒng)性能在很大程度上取決于蒸汽側(cè)循環(huán)參數(shù)。

（4）增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)

蒸汽發(fā)生器放在循環(huán)的燃氣側(cè)燃燒室之后和燃氣透平之前的聯(lián)合循環(huán)。也是一種以汽輪機為主的聯(lián)合循環(huán)，系統(tǒng)性能主要取決于蒸汽側(cè)循環(huán)參數(shù)。

（5）給水加熱型聯(lián)合循環(huán)

燃氣輪機的排氣主要用于加熱蒸汽循環(huán)系統(tǒng)給水的聯(lián)合循環(huán)。更是以汽輪機為主的聯(lián)合循環(huán)；系統(tǒng)性能主要取決于蒸汽循環(huán)；適用于燃氣輪機排煙溫度較低的情況。

上述五類聯(lián)合循環(huán)不僅都能用于發(fā)電，而且還都可以做成熱電聯(lián)產(chǎn)或熱電冷三聯(lián)供的聯(lián)合循環(huán)，即可從系統(tǒng)某處引出蒸汽供工藝流程使用。

通常，無補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)是各種聯(lián)合循環(huán)中效率*高的，因為輸入的熱量全部在燃氣側(cè)的較高溫度下加入循環(huán)體系的，因而得到*多的應(yīng)用，*適合于帶基本負荷和中間負荷的機組。

因此分布式能源項目推薦采用無補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)。

3.2聯(lián)合循環(huán)機組軸系配置

就聯(lián)合循環(huán)電廠而言，系統(tǒng)的軸系布置方案是決定電廠結(jié)構(gòu)和機組效率及靈活性的重要因素。通常，軸系布置方案可以分為單軸和多軸，單軸是指燃氣輪機和汽輪機在同一根軸上共同推動發(fā)電機做功；多軸則是燃氣輪機和汽輪機的軸分開，分別推動各自的發(fā)電機做功。多軸方案中可以是1臺燃氣輪機對應(yīng)一臺汽輪機，也可以是多臺燃氣輪機對應(yīng)一臺汽輪機，根據(jù)燃氣輪機的臺數(shù)，分別稱為“1+1”、“2+1”、“X+1”多軸系統(tǒng)。通常大容量燃機多配單軸，容量較小的常按多軸配置。

聯(lián)合循環(huán)軸系配置對電站投資成本、總體布置與占地面積、運行操作以及熱力性能(特別是變工況的性能)、機組是否承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰等都有很大影響。除此之外，還應(yīng)適當(dāng)考慮投資、運行靈活性、占地面積、建設(shè)周期、國產(chǎn)化率、維修等因素的影響。電站設(shè)計優(yōu)化選擇時應(yīng)綜合考慮以上各種因素來確定選擇軸系配置總體方案。

對于分布式能源項目，以熱（冷）定電，所供熱（冷）負荷基本為工業(yè)熱負荷和空調(diào)冷、熱負荷，其可靠性要求較高，因此采用單軸配置優(yōu)勢不明顯；且對于熱電冷三聯(lián)供機組，將同時承受電網(wǎng)和熱（冷）網(wǎng)波動的影響，為保證**可靠，推薦采用多軸配置方案。

4工程實例分析

上海某燃氣冷熱電三聯(lián)供項目的設(shè)計冷、熱負荷統(tǒng)計值見表4。

該項目選用“一拖一”燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，每臺燃機配一臺雙壓余熱鍋爐和一臺抽凝式汽輪機。根據(jù)計算兩種機型的技術(shù)指標見表5（兩套機組）。

從表5可以看出：

（1）該工程采用2臺GE公司LM2500+ 25t尖峰鍋爐的方案能很好地滿足對熱負荷的相應(yīng)；能勉強滿足平均冷負荷，但不能滿足*大冷負荷。2臺GE公司LM6000+20t尖峰鍋爐的方案能很好地滿足對熱負荷的響應(yīng)，滿足平均及*大冷負荷的響應(yīng)。

（2）2臺GE公司LM2500燃機與汽輪機純凝工況下的發(fā)電功率合計86480kW，2臺GELM6000燃機與汽輪機純凝工況下的發(fā)電功率合計103868kW，兩機型的發(fā)電功率相差約17388 kW。

（3）兩種機型*大抽汽工況下的聯(lián)合循環(huán)效率均接近80%。

（4）GE公司LM2500機型額定抽汽工況下熱電比為75.84；LM600機型額定抽汽工況下熱電比為71.35，均能滿足電廠對熱電比的要求。

（5）GE公司LM2500機型方案較LM6000機型的總投資差約7000萬，而LM6000機型上網(wǎng)電價較差LM2500機型低約0.9分。根據(jù)測算，在該工程現(xiàn)有的條件下，供熱成本遠高于發(fā)電成本。根據(jù)目前該市的標桿電價，只有用發(fā)電效益來彌補供熱的收益損失，也就是說多發(fā)電才能有利于企業(yè)的效益與生存。就二種機型在經(jīng)濟上而言，選擇LM6000機型更具有優(yōu)勢。

表3工業(yè)重型燃氣輪機和航改型輕型燃氣輪機比較匯總表

5結(jié)論

（1）根據(jù)各方技術(shù)數(shù)據(jù)的比較，若采用純凝發(fā)電工況運行則GE公司的航改型燃氣輪機占優(yōu)，對于分布式能源項目長期抽汽發(fā)電工況運行則日立公司的工業(yè)重型燃氣輪機占優(yōu)。

（2）對于分布式能源項目選用的燃氣輪機不僅要注重經(jīng)濟性，更要注重**性和可靠性。建議業(yè)主對各公司長期連續(xù)運行的使用業(yè)績和長期服務(wù)維修費用專題調(diào)查或在招標過程中作為評分的主要依據(jù)之一。

（3）從機組運行的經(jīng)濟性，長期連續(xù)運行，熱部件更換周期以及長期服務(wù)維修費用方面看，對于分布式能源項目，采用工業(yè)重型燃機比較合適，對于要求啟?？斓恼{(diào)峰電廠采用航改型燃機比較合適。

（4）對于分布式能源項目，宜采用無補燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)，并推薦采用多軸配置方案。