王 濤

分布式能源與燃?xì)廨啓C(jī)選型

王 濤

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(jī)、微型或小型燃?xì)廨啓C(jī)和其他小型動(dòng)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“第二代能源系統(tǒng)”，集燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、吸收式冷熱水機(jī)、壓縮式冷熱水機(jī)、熱泵、吸收式除濕機(jī)和能源綜合控制體系等高新技術(shù)和設(shè)備為一體，對(duì)輸入能量及內(nèi)部能流根據(jù)熱能品味進(jìn)行綜合梯級(jí)利用，來達(dá)到更高能源利用率，減少二氧化碳及有害氣體排放。

1 燃?xì)廨啓C(jī)選型

1.1 機(jī)組選型原則

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

（2）應(yīng)綜合考慮供熱（冷）安全可靠，機(jī)組調(diào)節(jié)靈活，技術(shù)上經(jīng)濟(jì)上先進(jìn)合理。

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

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

（5）選擇先進(jìn)、成熟的標(biāo)準(zhǔn)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(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1.2 主要供應(yīng)商簡(jiǎn)介

目前，世界上能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)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(jì)和生產(chǎn)輕型燃?xì)廨啓C(jī)的廠家，如美國P&W公司、美國Solar Turbines公司等。

（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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電設(shè)備、金融服務(wù)、水處理到醫(yī)療成像機(jī)媒體。GE公司是世界上最大的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家，它占有全世界70%的燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)，在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、價(jià)格和性能方面有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。LM2500+G4型和LM6000PF型均為航改型燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率分別可以達(dá)到30 MW和40 MW左右，單循環(huán)熱效率均高達(dá)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25 ppm和15 ppm，啟停時(shí)間較短，可靠性高，但進(jìn)氣壓力較高。

（2）日立公司

日立集團(tuán)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(tuán)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?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)始于1966年，H25/H15燃?xì)廨啓C(jī)于1988年首臺(tái)開始商業(yè)運(yùn)行。

（3）普惠公司

美國聯(lián)合技術(shù)公司是美國百強(qiáng)公司中2009年排名第40位的集團(tuán)公司，年銷售額590億美元。旗下?lián)碛衅绽亍せ萏啬岚l(fā)動(dòng)機(jī)公司（普惠公司），奧梯斯電梯，開利空調(diào)，西科斯基直升機(jī)等著名品牌。普惠公司是世界上三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之一，而普惠動(dòng)力系統(tǒng)公司（Pratt & Whitney Power Systems, PWPS）是普惠公司的地面動(dòng)力系統(tǒng)分部，生產(chǎn)500 kW～60 MW的系列工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，從上世紀(jì)60年代初開始生產(chǎn)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，至今已經(jīng)生產(chǎn)各類工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)幾千臺(tái)套，是世界上輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的主要生產(chǎn)廠家之一。

FT8輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)是普惠動(dòng)力系統(tǒng)公司的主要產(chǎn)品，單臺(tái)ISO功率30 MW。FT8燃?xì)廨啓C(jī)的核心機(jī)來自普惠已經(jīng)銷售了14 000多臺(tái)并累積運(yùn)行1億多h的JT8D商用發(fā)動(dòng)機(jī)。FT8燃?xì)廨啓C(jī)具有較高的效率、安裝簡(jiǎn)便、占地小、啟動(dòng)快速、部分負(fù)荷性能好和運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，廣泛用于發(fā)電（簡(jiǎn)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)）、熱電聯(lián)供和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。目前在世界上已經(jīng)有400多臺(tái)FT8機(jī)組在運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行超過300萬h。

（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最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(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈提供全面解決方案的世界領(lǐng)先供應(yīng)商，也為工業(yè)（特別是石油和天然氣行業(yè)）用戶提供全面系統(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6個(gè)業(yè)務(wù)集團(tuán)均在市場(chǎng)中處于領(lǐng)先位置?；鹆Πl(fā)電集團(tuán)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?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及“交鑰匙”電廠?？稍偕茉醇瘓F(tuán)主要為風(fēng)能和太陽能市場(chǎng)提供產(chǎn)品和解決方案。石油與天然氣集團(tuán)為客戶提供用于石油天然氣開采、運(yùn)輸和加工的系列產(chǎn)品與解決方案。能源服務(wù)集團(tuán)為整座電廠和旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)等）提供綜合性服務(wù)，其中包括運(yùn)營、維護(hù)和現(xiàn)代化服務(wù)。輸電集團(tuán)是高壓領(lǐng)域的領(lǐng)先產(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(tuán)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(tuán)提供創(chuàng)新的中壓設(shè)備和系統(tǒng)、能源自動(dòng)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率達(dá)24 MW，單循環(huán)效率達(dá)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。

（5）索拉公司

索拉透平國際有限公司是卡特彼勒公司的獨(dú)資公司。索拉是世界領(lǐng)先的工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)和渦輪機(jī)成套設(shè)備制造企業(yè)，其產(chǎn)品功率范圍為1 000～22 000 kW。索拉透平公司的產(chǎn)品還包括天然氣壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)組以及燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。目前,索拉在中國安裝了超過176臺(tái)機(jī)組,這些機(jī)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。

1.3 主要燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)單循環(huán)性能比較

考慮到分布式能源項(xiàng)目的特點(diǎn)，容量小，靠近冷熱用戶，輸送距離短；相配套的燃?xì)廨啓C(jī)出力較小，本文選取5家公司具有代表意義的燃機(jī)型號(hào)進(jìn)行比選，詳見表1。

對(duì)表1的數(shù)據(jù)經(jīng)初析，可有3點(diǎn)結(jié)果。

（1）航改型的燃?xì)廨啓C(jī)比工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)壓比大，入口天然氣壓力高，會(huì)增加廠用電率。

（2）航改型的燃?xì)廨啓C(jī)在ISO工況單循環(huán)的熱耗比工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)低；效率比工業(yè)重型機(jī)高。

（3）燃?xì)廨啓C(jī)排氣能量，航改型燃?xì)廨啓C(jī)比工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)小。即航改型燃?xì)廨啓C(jī)比工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用的潛力小。

1.4 航改型燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)LM2500+G4與日立公司的工業(yè)重型燃機(jī)H25進(jìn)行比較。

（1）燃?xì)廨啓C(jī)入口的天然氣壓力

在燃?xì)廨啓C(jī)選型時(shí)要注意設(shè)備要求的天然氣進(jìn)氣壓力。天然氣的進(jìn)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(jìn)氣壓力為3.8MPa，日立的H25進(jìn)氣壓力為2.2～2.5 MPa。對(duì)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)。增壓機(jī)會(huì)帶來額外的廠用電消耗，以及場(chǎng)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(jī)時(shí)需要注意這方面因素的影響。

（2）大氣溫度的變化對(duì)機(jī)組的出力、熱耗以及排氣參數(shù)的影響

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

從圖1～圖4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。

（3）熱端部件的更換周期

GE公司提出機(jī)組運(yùn)行4 000 h需進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查（停機(jī)8～12 h）；25 000 h需進(jìn)行熱部件檢修（停機(jī)3 d），更換費(fèi)用約150～300萬美元；50 000 h大修，發(fā)動(dòng)機(jī)更換，更換費(fèi)用約300～500萬美元。

表1 主要燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)單循環(huán)性能比較

圖1 大氣溫度與燃機(jī)出力的變化曲線

圖2 大氣溫度與燃機(jī)熱耗的變化曲線

圖3 大氣溫度與排氣溫度的變化曲線

GE公司LM2500+G4 50 000 h（6 a）大修，更換發(fā)動(dòng)機(jī)，日立的H25運(yùn)行64 000 h（8 a）開缸進(jìn)行大修。

（4）長(zhǎng)期服務(wù)維護(hù)的合同費(fèi)用

GE公司提出一般合同期為12 a，覆蓋2個(gè)大修期。服務(wù)包括合同期內(nèi)的計(jì)劃性和非計(jì)劃性（有一定的上限）對(duì)維修備件及服務(wù)。合同按初始費(fèi)用、月固定費(fèi)用及燃燒時(shí)數(shù)費(fèi)用進(jìn)行收費(fèi)。如果現(xiàn)場(chǎng)備有發(fā)動(dòng)機(jī)或客戶參與租用發(fā)動(dòng)機(jī)合同可以保證95%的可用率。整體的費(fèi)用大約0.023～0.028元/kWh，根據(jù)合同內(nèi)容而定。

圖4 大氣溫度與排氣流量的變化曲線

日立公司的H-25燃?xì)廨啓C(jī)的小/中/大修的保養(yǎng)維護(hù)的參考費(fèi)用為0.013元/kWh。根據(jù)業(yè)主的條件、范圍、時(shí)期等要求的不同，費(fèi)用會(huì)有相應(yīng)變動(dòng)。

（5）燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性比較

燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性主要與項(xiàng)目運(yùn)營參數(shù)（年運(yùn)行小時(shí)數(shù)和項(xiàng)目經(jīng)營期）、生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)（全廠聯(lián)合循環(huán)效率及氣價(jià)等）、繳付費(fèi)用、工程造價(jià)、折舊、維護(hù)費(fèi)用、融資條件、稅收及法定費(fèi)率等條件有關(guān)。

一般在最終電價(jià)中，各種因素所占權(quán)重各不相同。經(jīng)初步估算，工程造價(jià)約占電價(jià)權(quán)重的5%，全年發(fā)電量和供熱量約占電價(jià)權(quán)重的80%，維護(hù)費(fèi)用可視為能直接計(jì)入電價(jià)。表2為根據(jù)某項(xiàng)目的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算出兩款燃機(jī)的主要經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照表。

表2 兩款燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照表

由表2可知，在各類基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)不變的情況下，針對(duì)供熱工況，日立公司的H-25燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性比GE公司的LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)高，測(cè)算平均含稅上網(wǎng)電價(jià)稍低。

（6）工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)和航改型輕型燃?xì)廨啓C(jī)比較匯總

工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)和航改型輕型燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)比較見表3。

2 裝機(jī)方案選擇

表3 工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)和航改型輕型燃?xì)廨啓C(jī)比較匯總表

2.1 聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)選擇

實(shí)用的燃?xì)廨啓C(jī)—汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置（簡(jiǎn)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5類：

（1）無補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)

所有的熱量都由燃?xì)廨啓C(jī)帶入的聯(lián)合熱力循環(huán)，這是一種以燃?xì)廨啓C(jī)為主的聯(lián)合循環(huán)，燃?xì)鈧?cè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。

（2）有補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)

在工質(zhì)經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)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(bǔ)燃作用是提高蒸汽參數(shù)與蒸汽產(chǎn)量，增加汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)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?xì)鈧?cè)燃燒室之后和燃?xì)馔钙街暗穆?lián)合循環(huán)。也是一種以汽輪機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)排煙溫度較低的情況。

上述聯(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(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)是各種聯(lián)合循環(huán)中效率最高的，因?yàn)檩斎氲臒崃咳吭谌細(xì)鈧?cè)的較高溫度下加入循環(huán)體系的，因而得到最多的應(yīng)用，最適合于帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷的機(jī)組。

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

2.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)在同一根軸上共同推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功；多軸則是燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)的軸分開，分別推動(dòng)各自的發(fā)電機(jī)做功。多軸方案中可以是1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)汽輪機(jī)，也可以是多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)汽輪機(jī)，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的臺(tái)數(shù)，分別稱為“1+1”、“2+1”、“X+1”多軸系統(tǒng)。通常大容量燃機(jī)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(duì)電站投資成本、總體布置與占地面積、運(yùn)行操作以及熱力性能(特別是變工況的性能)、機(jī)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(yùn)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(jì)優(yōu)化選擇時(shí)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(duì)于分布式能源項(xiàng)目，以熱（冷）定電，所供熱（冷）負(fù)荷基本為工業(yè)熱負(fù)荷和空調(diào)冷、熱負(fù)荷，其可靠性要求較高，因此采用單軸配置優(yōu)勢(shì)不明顯；且對(duì)于熱電冷三聯(lián)供機(jī)組，將同時(shí)承受電網(wǎng)和熱（冷）網(wǎng)波動(dòng)的影響，為保證安全可靠，推薦采用多軸配置方案。

3 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(yùn)行則GE公司的航改型燃?xì)廨啓C(jī)占優(yōu)，對(duì)于分布式能源項(xiàng)目長(zhǎng)期抽汽發(fā)電工況運(yùn)行則日立公司的工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)占優(yōu)。

（2）對(duì)于分布式能源項(xiàng)目選用的燃?xì)廨啓C(jī)不僅要注重經(jīng)濟(jì)性，更要注重安全性和可靠性。建議業(yè)主對(duì)各公司長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的使用業(yè)績(jī)和長(zhǎng)期服務(wù)維修費(fèi)用專題調(diào)查或在招標(biāo)過程中作為評(píng)分的主要依據(jù)之一。

（3）從機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，熱部件更換周期以及長(zhǎng)期服務(wù)維修費(fèi)用方面看，對(duì)于分布式能源項(xiàng)目，采用工業(yè)重型燃機(jī)比較合適，對(duì)于要求啟停快的調(diào)峰電廠采用航改型燃機(jī)比較合適。

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

[1] 張雪峰等.上海華電莘莊燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供改造項(xiàng)目可行性研究報(bào)告總報(bào)告[R].30-F108501K-A-01，上海：中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院，2011.

[2]CJJ 145-2010，燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程[S].

[3]DL/T 5174-2003，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

Distributed Energy and Gas-Fired Turbine Selection

Wang Tao

王濤：（1983-），男，浙江大學(xué)動(dòng)力工程與工程熱物理專業(yè)碩士，工程師，主要從事節(jié)能咨詢工作。