王建偉

（華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160）

燃氣分布式能源系統(tǒng)中汽輪機的選型

王建偉

（華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160）

通過理論分析，論證了汽輪機選型在燃氣分布式能源系統(tǒng)中的重要性，根據(jù)具體案例闡述了燃氣分布式能源系統(tǒng)中汽輪機的選型原則和方法，保證了項目的技術(shù)性及經(jīng)濟性良好。

分布式能源系統(tǒng)；汽輪機；選型

0 引言

分布式能源系統(tǒng)是以能源有效利用為原則的新型供能方式，是靠近用戶端直接向用戶提供各種形式能量的終端供能系統(tǒng)。與集中式能源供應(yīng)方式相比，分布式能源系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點［1］，因此，分布式能源在我國已經(jīng)不僅僅是一種能源利用方式，更是一項新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的著力點［2］。分布式能源的核心技術(shù)在于冷、熱、電三聯(lián)供，以此提高整個系統(tǒng)的能源綜合利用效率，真正實現(xiàn)能源的梯級利用。

1 燃氣分布式能源系統(tǒng)的典型配置形式

對于同樣的冷、熱、電負荷需求，燃氣分布式能源系統(tǒng)有多種配置和運行策略［3］。燃氣分布式能源系統(tǒng)的核心發(fā)電設(shè)備為燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機［4］。

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率高、系統(tǒng)占地面積?。傻叵陆ㄕ荆酂岱稚?、品位不高，一般配置各種形式的溴化鋰機作為余熱利用設(shè)備。這種以內(nèi)燃機為核心的分布式能源系統(tǒng)一般不提供蒸汽負荷，主要為各類建筑提供冷、熱負荷，統(tǒng)稱為樓宇式分布式能源系統(tǒng)。

燃氣輪機余熱排放較為集中，可以拖動各種形式的余熱鍋爐和汽輪機，適合于以蒸汽需求為主的區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)。蒸汽負荷一般由多壓余熱鍋爐或汽輪機排汽、抽汽提供。分布式能源系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 燃氣分布式能源系統(tǒng)的主機選型

由于內(nèi)燃機和余熱溴化鋰機產(chǎn)品都實現(xiàn)了系列化和標準化，所以樓宇式分布式能源系統(tǒng)主機選型較簡單。而區(qū)域式分布式能源系統(tǒng)主機選型就比較復(fù)雜，主要涉及燃氣輪機、余熱鍋爐和汽輪機的選型。

圖1 分布式能源系統(tǒng)流程

燃氣輪機包括重型或輕型燃氣輪機。重型燃氣輪機檢修周期長，啟停速度慢，并且頻繁啟停會對設(shè)備造成很大損耗，所以在滿足負荷的基礎(chǔ)上一般優(yōu)先選擇輕型燃氣輪機。輕型燃氣輪機由航空燃氣輪機派生，具有體積小、質(zhì)量小、設(shè)備部件精度高、啟停迅速（10min快速啟停）、變負荷能力強等優(yōu)點。另外，中國華電集團與美國通用電氣（GE）公司宣布成立航改型燃氣輪機合資企業(yè)，從2014年上半年開始逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，國內(nèi)將順利實現(xiàn)一、二級維護，售后服務(wù)將更加及時、快捷、低廉，所以本文以航改型燃氣輪機為研究對象。

余熱鍋爐汽水系統(tǒng)一般分為三壓、雙壓和單壓系統(tǒng)，某些情況下還會補燃。三壓余熱鍋爐能夠回收更多的熱能，適用于排氣溫度較高、單機功率較大的燃氣輪機，而分布式能源系統(tǒng)配套的汽輪機進汽壓力較低，所以余熱鍋爐一般采用雙壓或單壓系統(tǒng)［5］。補燃會提高余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，但燃料利用效率較低、系統(tǒng)阻力增加，聯(lián)合循環(huán)機組的效率也會降低，所以是否補燃要根據(jù)實際情況具體分析。

在國外，分布式能源系統(tǒng)配套汽輪機的技術(shù)非常成熟，但價格太高，國內(nèi)一般傾向于使用國產(chǎn)汽輪機，但適用于燃氣分布式能源系統(tǒng)的中小型汽輪機在國內(nèi)尚處于起步階段，還無法實現(xiàn)系列化和標準化［6］。目前，國內(nèi)很多分布式能源工程配套的汽輪機都是非標產(chǎn)品，設(shè)計成本和制造成本很高，導(dǎo)致整個工程的初始投資很大。另外，多個用戶對蒸汽的需求存在多樣性、變動性，需要不斷調(diào)整主機的運行模式。如果調(diào)整燃氣輪機，則燃氣輪機效率會降低很多，氣耗也會增加很多，余熱鍋爐和汽輪機也要隨之調(diào)整。為了適應(yīng)負荷變動，一般會保持燃氣輪機和余熱鍋爐的運行工況不變，而是通過調(diào)節(jié)汽輪機來滿足用戶需求，因此，汽輪機的選型已經(jīng)成為分布式能源系統(tǒng)的一個難題。

3 燃氣分布式能源系統(tǒng)中汽輪機的選型

分布式能源系統(tǒng)中汽輪機的選型一般根據(jù)負荷特點來確定。以蒸汽負荷為例：如果蒸汽負荷穩(wěn)定、單一，則可選用背壓式汽輪機；如果既有工業(yè)蒸汽負荷，又有采暖蒸汽負荷，可以根據(jù)負荷特點選用雙抽冷凝式供熱汽輪機或抽汽背壓式汽輪機；如果系統(tǒng)運行過程中有多余蒸汽，則可選用補汽式汽輪機。抽汽機組運行靈活，當(dāng)熱負荷小或無熱負荷時，可以多發(fā)電；背壓機組無汽輪機冷端損失，熱效率較高，但無熱負荷時，背壓機不能發(fā)電運行［7］，下面以實際案例進行說明。

某區(qū)域分布式能源站分3期建設(shè)，主要為工業(yè)園區(qū)內(nèi)的輪胎廠和其他用戶提供蒸汽負荷。一期裝機方案為1臺LM2500+G4型燃氣輪機、1臺雙壓余熱鍋爐、1臺背壓式汽輪機。背壓機42 t／h的排汽主要為輪胎廠提供2.2MPa（表壓）、250℃的中壓蒸汽33 t／h，為其他2個用戶提供1.2MPa（表壓）、230℃的低壓蒸汽18 t／h。輪胎廠全年生產(chǎn)能力變化不大，中壓蒸汽需求穩(wěn)定，但整個機組對低壓蒸汽負荷變動的適應(yīng)性很差，低壓蒸汽負荷發(fā)生波動時如果不調(diào)整燃氣輪機的出力，則會造成蒸汽的浪費，所以二期擴建工程的汽輪機選型對整個能源站的運行方式和經(jīng)濟性起著決定性作用。

隨著輪胎廠產(chǎn)能的提高，中壓蒸汽平均負荷增加到了64 t／h，低壓蒸汽平均負荷維持18 t／h不變，而兩期余熱鍋爐的低壓蒸汽共計10 t／h，無法滿足最大工況下的負荷要求，但在某些時段又有多余。如果想做到兩期工程在運行過程中相互配合，以使能源利用效率達到最高，二期擴建工程的汽輪機選型需要注意以下幾點。

（1）如果二期擴建工程選擇背壓機或純凝機，在負荷頻繁變動的工況下，整個系統(tǒng)的運行模式需要做出調(diào)整，但汽輪機不起任何作用，所以汽輪機應(yīng)該選擇抽凝機。

（2）由于低壓蒸汽會在某些時段有剩余，如果選用不補汽式汽輪機則低壓蒸汽只能浪費，這不符合分布式能源系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的特點，所以根據(jù)該工程的負荷特點，應(yīng)該選擇補汽式汽輪機。

（3）汽輪機設(shè)置2個抽汽口，分別為低壓抽汽口和中壓抽汽口。此種機型對用戶負荷的適應(yīng)性比較高，在中壓蒸汽負荷達到64 t／h時，一期背壓機提供42 t／h的蒸汽，二期抽凝機需要抽中壓蒸汽22 t／h、低壓蒸汽8 t／h。經(jīng)過與設(shè)備廠家論證，如果中、低壓抽汽口同時向外抽汽，在滿足中壓蒸汽參數(shù)的情況下，將無法滿足低壓蒸汽參數(shù)要求。因為中、低壓蒸汽參數(shù)相差較大，2個抽汽口之間的級數(shù)較多，低壓抽汽口處的低壓蒸汽參數(shù)可能會低于1.2MPa（表壓）、230℃，所以選擇單抽汽式汽輪機。

結(jié)合項目的負荷特點，通過與設(shè)備廠家論證，二期擴建工程選擇單抽補汽式凝汽機，正常工況下抽汽28 t／h，22 t／h的抽汽提供中壓蒸汽負荷，剩余6 t／h通過減溫減壓與余熱鍋爐低壓蒸汽一起提供低壓蒸汽負荷，最大補汽量約為2臺余熱鍋爐的低壓蒸汽之和（10 t／h），汽輪機參數(shù)見表1。

表1 汽輪機參數(shù)

選用此種形式的汽輪機能夠適應(yīng)負荷的變動且不會造成工質(zhì)的浪費，所以二期擴建工程的裝機方案確定為1臺LM2500+G4型燃氣輪機、1臺雙壓余熱鍋爐、1臺抽凝補汽式汽輪機。通過測算，二期擴建工程的綜合能源利用效率達到75%，投資回收期為11.22年，財務(wù)內(nèi)部收益率為10%，項目的技術(shù)性和經(jīng)濟性都較好。

4 結(jié)論

（1）分布式能源系統(tǒng)中汽輪機選型的依據(jù)是負荷特點尤其是蒸汽負荷特點。在汽輪機選型前需要對負荷參數(shù)、使用特點進行詳細分析。

（2）由于分布式能源系統(tǒng)中配套的汽輪機沒有標準化和系列化，所以在選型過程中需要及時與專業(yè)設(shè)備廠家溝通，論證所選機型的可操作性。

［1］楊威，劉欣.天然氣分布式能源站主機方案選擇［J］.山西建筑，2012，38（30）：158-160.

［2］王振銘.分布式能源大小當(dāng)因地制宜［N］.中國能源報，2010-08-30（14）.

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［4］左政，華賁.燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較［J］.煤氣與熱力，2005，25（1）：39-42.

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［7］祝平.中等城市熱電廠供熱機組的選型［J］.山西能源與節(jié)能，2005，19（2）：18-20.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 611.3

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：1674-1951（2015）05-0030-02

王建偉（1983—），男，河北保定人，工程師，工學(xué)碩士，從事分布式能源設(shè)計方面的工作（E-mail：wjw8341867＠163. com）。

2014-12-05；

2015-04-12