文/唐偉，彭州華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?/p>

1 總論

1.1 項(xiàng)目背景

我國(guó)傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)中，燃煤在一次能源中比重過大，由此所導(dǎo)致的全社會(huì)整體能源利用效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重等惡劣影響日益凸顯。尤其近年以來各大中城市霧霾的肆虐，加大了國(guó)家對(duì)環(huán)境整治的決心，也加大了我國(guó)對(duì)發(fā)展清潔能源的需求。

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視以及對(duì)新能源技術(shù)的支持，天然氣分布式能源技術(shù)作為緩解上述問題的有效手段，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

1.2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于四川省成都市，供能對(duì)象為四川某有限責(zé)任公司，是一家專業(yè)生產(chǎn)生活用紙、高強(qiáng)瓦楞原紙、鞋用紙板的企業(yè)，擁有九條生產(chǎn)線。

項(xiàng)目屬于煤改氣工程，響應(yīng)政府清潔能源改造政策，全年具有穩(wěn)定的熱、電負(fù)荷需求，適合采用天然氣分布式能源系統(tǒng)來滿足自身的用能需求。

電力情況：根據(jù)調(diào)研資料，企業(yè)目前僅有1回10kV市電作為電源，并建有1座高壓配電室。

低壓變配電系統(tǒng)，除1座公用變配電外，其余變壓器分散設(shè)置于各車間，具體情況如下：

高壓配電室旁建有1座低壓變配電室，內(nèi)設(shè)1臺(tái)1000kVA變壓器，供企業(yè)園區(qū)內(nèi)的鍋爐房、污水站、清水池、軟水處理等設(shè)備用電。

一車間建有紙機(jī)配電室，配1臺(tái)1000kVA變壓器；漿配電室，配1臺(tái)1600kVA變壓器。

二車間內(nèi)設(shè)置3臺(tái)變壓器，容量為2×800kVA+1×1250kVA。

三車間設(shè)置2臺(tái)1000kVA變壓器。

四車間設(shè)置1臺(tái)1000kVA變壓器。

五車間設(shè)置1臺(tái)800kVA變壓器。

蒸汽情況：現(xiàn)有1臺(tái)20噸燃煤鍋爐，蒸汽參數(shù)：1.0MPa，180℃。2016年蒸汽用量為176458噸，在同一生產(chǎn)日內(nèi)蒸汽負(fù)荷波動(dòng)不大。下半年會(huì)增加一條生產(chǎn)線，需要4噸蒸汽，總設(shè)計(jì)容量按30t/h設(shè)計(jì)。

2 能源站接入系統(tǒng)方案設(shè)想

能源站電力接入市政供電系統(tǒng)方案的確定，要依據(jù)國(guó)家電力有關(guān)規(guī)程、導(dǎo)則的規(guī)定，要考慮能源站發(fā)電設(shè)備最終規(guī)劃總裝機(jī)容量和發(fā)電設(shè)備單機(jī)容量，企業(yè)市電電源供電等級(jí)、供配電系統(tǒng)接線型式，能源站外送輸電容量，系統(tǒng)短路水平和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等因素，經(jīng)能源站接入系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和上級(jí)機(jī)關(guān)審查確定。

本項(xiàng)目分布式能源系統(tǒng)供能范圍是能源站自用電及企業(yè)的生產(chǎn)、辦公用電，宜直接接入負(fù)荷中心。本項(xiàng)目共選配1臺(tái)4600kW等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電機(jī)出口電壓建議選為10.5kV。

本工程現(xiàn)階段按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)”

的原則進(jìn)行研究?，F(xiàn)階段能源站暫按10kV等級(jí)出線設(shè)計(jì)，共設(shè)1回，采用電纜出線，接入企業(yè)的10kV高壓系統(tǒng)。

3 裝機(jī)方案

按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的運(yùn)行模式，保證所發(fā)電力及余熱產(chǎn)生的冷熱量能在區(qū)域內(nèi)被完全消化或盡可能多地消化，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目的負(fù)荷特點(diǎn)及能源價(jià)格等邊界條件考慮發(fā)電機(jī)組選型，余熱利用設(shè)備與調(diào)峰系統(tǒng)一起滿足項(xiàng)目的全部冷、熱負(fù)荷需求。

經(jīng)多方案比較，本工程推薦裝機(jī)方案為：1臺(tái)4.6MW等級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組對(duì)接1臺(tái)余熱鍋爐，并以燃?xì)忮仩t作調(diào)峰設(shè)備，不足電負(fù)荷由市政電力提供。

3.1 主要設(shè)備選型

3.1.1 機(jī)組選型原則

該項(xiàng)目建設(shè)分布式能源站應(yīng)盡量兼顧供熱與供電的雙重要求，在機(jī)組選擇方面主要遵循以下原則：

（1）發(fā)展熱電冷聯(lián)產(chǎn)的初衷即為提高能源利用率，促進(jìn)節(jié)能減排，為真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，該分布式能源站應(yīng)盡量采用天然氣等清潔能源，選擇高效率、清潔、環(huán)保的設(shè)備。積極向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的方向發(fā)展。

（2）機(jī)組容量首先應(yīng)該滿足企業(yè)現(xiàn)有及近期熱負(fù)荷的需求。

（3）滿足國(guó)家熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源有關(guān)政策中關(guān)于熱電比、熱效率的有關(guān)要求。

（4）為提高機(jī)組利用率，在確定裝機(jī)容量時(shí)，不應(yīng)按全年最高熱負(fù)荷來匹配機(jī)組，可通過配置調(diào)峰天然氣鍋爐、集中電制冷等調(diào)峰措施來滿足尖峰負(fù)荷。

（5）對(duì)于燃機(jī)和內(nèi)燃機(jī)，由于天然氣價(jià)格較貴的特點(diǎn)，應(yīng)盡可能選用高效率的機(jī)組，以充分利用能源，降低供熱供電價(jià)格。

3.1.2 機(jī)組型式的確定

燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)蒸汽的能力較大，對(duì)熱負(fù)荷的適應(yīng)能力較強(qiáng)。本項(xiàng)目由于熱負(fù)荷需求較大，因此，選擇供熱能力較大的燃?xì)廨啓C(jī)方案；同時(shí)考慮到電負(fù)荷消納能力相對(duì)有限，多余電力暫時(shí)難以獲得合適的價(jià)格回報(bào)，而燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)能夠?qū)⒏酂崮苡糜诠?，因此，現(xiàn)階段按燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)方案進(jìn)行方案比選。

燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)有一定特殊性。由于制造廠技術(shù)水平和技術(shù)路線的差異，不同燃機(jī)體現(xiàn)出各自的特色和不同的優(yōu)勢(shì)，差異性較突出。同時(shí)，還要考慮國(guó)內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)的約束。

3.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)選型

在國(guó)際燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)中，燃?xì)廨啓C(jī)的主要廠家有美國(guó)的GE公司、RATT&WHITNEY公司、三菱公司、德國(guó)的Siemens公司、美國(guó)Solar公司等。

目前陸上發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)有輕型和工業(yè)重型兩類可供選擇。

輕型燃?xì)廨啓C(jī)由航空燃?xì)廨啓C(jī)派生，體積小，重量輕，設(shè)備部件精度高，對(duì)機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境條件要求也較苛刻。輕型燃?xì)廨啓C(jī)啟停迅速，單循環(huán)熱效率較高，非常適宜于作調(diào)峰發(fā)電機(jī)組。但輕型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較低，當(dāng)采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)時(shí)，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較少，故汽輪機(jī)的發(fā)電出力和供熱汽量均較小。另一方面，該型燃機(jī)，初投資較高，而且燃?xì)廨啓C(jī)的檢修周期短，維修工作難度大，主要部件一般要返廠才能修理，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。由于目前主要的航改型燃?xì)廨啓C(jī)廠家可以提供備用轉(zhuǎn)子更換，因此檢修時(shí)間可大大縮短。

工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)是專門為陸用發(fā)電而開發(fā)設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是設(shè)備體積和重量較大，對(duì)燃料的適應(yīng)性較強(qiáng)，既可燃用輕質(zhì)油，也可燃用重油。機(jī)組啟停也很快。工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度較高，當(dāng)采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)時(shí)，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較大，故汽輪機(jī)的發(fā)電出力和供汽量均較大，雖然該型燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率略低于輕型燃?xì)廨啓C(jī)，但聯(lián)合循環(huán)熱效率略高。重型燃機(jī)的檢修周期較長(zhǎng)，可在能源站內(nèi)完成大修，因此相對(duì)航改燃機(jī)來說，其維護(hù)費(fèi)用較低，根據(jù)對(duì)某重型燃機(jī)廠家的了解，其維護(hù)費(fèi)用大概是航改燃機(jī)的60%左右。

本項(xiàng)目的用戶主要為工業(yè)蒸汽用戶，項(xiàng)目以供應(yīng)工業(yè)蒸汽為主，其全年負(fù)荷波動(dòng)性不大，因此現(xiàn)階段選擇重型燃機(jī)作為主要設(shè)計(jì)機(jī)型。本項(xiàng)目所需要的燃?xì)馊萘吭?～5MW之間，可選燃機(jī)品牌為西門子公司及Solar公司。

西門子公司自1948年自行開發(fā)第一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)以來，按標(biāo)準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)原則，首先建立起一套成熟可靠、有長(zhǎng)期運(yùn)行業(yè)績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)部套結(jié)構(gòu)。例如壓氣機(jī)的中心拉桿轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)~結(jié)構(gòu)、雙軸承支撐、軸向排汽、功率冷端輸出、四級(jí)燃?xì)馔钙健?biāo)準(zhǔn)的壓氣機(jī)通流部分等。通過幾何和轉(zhuǎn)速的?；恚崔D(zhuǎn)速及0.67：1：1.2的尺寸比例，加上調(diào)整壓氣機(jī)進(jìn)汽級(jí)的方式形成了幾種功率等級(jí)的產(chǎn)品。目前西門子SGT系列小型燃?xì)廨啓C(jī)的功率范圍在5～45MW范圍內(nèi)有多種選擇。

Solar公司是卡特彼勒的全資子公司，是世界上生產(chǎn)1000kW至15000kW工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)成套機(jī)組的領(lǐng)先廠家。Solar公司在長(zhǎng)達(dá)50年中，一直是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和系統(tǒng)集成的先驅(qū)，同時(shí)也是中小功率工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)的領(lǐng)導(dǎo)者。迄今為止，solar公司已有超過100臺(tái)機(jī)組遍布中國(guó)各地。

本項(xiàng)目所需要的燃?xì)馊萘吭?～5MW之間，可選燃機(jī)如下表所示：

表3.1 燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)對(duì)比

3.1.4 機(jī)組方案比選

（1）、發(fā)電機(jī)實(shí)際工況輸出比對(duì)

燃機(jī)的運(yùn)行工況與項(xiàng)目所在地的海拔，氣溫，濕度等相關(guān)，影響較大的是氣溫變化，成都月平均溫度如下表：

表3.2

不同燃?xì)廨啓C(jī)的ISO性能參數(shù)參數(shù)見表3.3：

1、Solar Centaur50機(jī)型

半人馬C50燃機(jī)透平出來的煙氣溫度大約450～540℃，可以利用余熱鍋爐吸收高溫?zé)煔鉄崃可a(chǎn)蒸汽進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。半人馬C50燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組是應(yīng)用在工業(yè)發(fā)電的設(shè)計(jì)緊湊的發(fā)電設(shè)備,該機(jī)組是完全高度集成化的單撬裝置，出廠就可以安裝。系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和啟動(dòng)系統(tǒng)。半人馬C50燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅(qū)動(dòng)齒輪,安裝在透平進(jìn)氣端的部分,出力4600KW（ISO 標(biāo)準(zhǔn)狀況：海平面，環(huán)境溫度-0℃，濕度60%，進(jìn)排氣損失不計(jì)），排氣溫度510℃，發(fā)電效率約29.3%。以天然氣為燃料的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，Solar Centaur50機(jī)型在該項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)際的功率輸出為3830kw～4343kw之間。

2、Solar Centaur40機(jī)型

半人馬C40燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是單軸、軸流式的，其輸出齒輪箱，包括輔助驅(qū)動(dòng)齒輪，安裝在透平進(jìn)氣端的部分，出力3500KW（ISO 標(biāo)準(zhǔn)狀況：海平面，環(huán)境溫度0℃，濕度60%，進(jìn)排氣損失不計(jì)），排氣溫度440℃，發(fā)電效率約27.9%。以天然氣為燃料的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)成都市平均月氣溫繪制各月燃機(jī)實(shí)際100%輸出功率圖如下：

表3.3 燃?xì)廨啓C(jī)配余熱鍋爐參數(shù)表

圖3.1 Solar Centaur40隨溫度變化輸出功率圖

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，Solar Centaur40機(jī)型在該項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)際的功率輸出為2900kw～3347kw之間。

3、西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型

西門子SGT-100-5.1MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是單軸、軸流式的,其輸出齒輪箱，包括輔助驅(qū)動(dòng)齒輪,安裝在透平進(jìn)氣端的部分,出力5050KW（ISO 標(biāo)準(zhǔn)狀況：海平面，環(huán)境溫度0℃，濕度60%，進(jìn)排氣損失不計(jì)），排氣溫度545℃，發(fā)電效率約30.2%。以天然氣為燃料的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)成都市平均月氣溫繪制各月燃機(jī)實(shí)際100%輸出功率圖如下：

圖3.2 西門子SGT-100-5.1MW隨溫度變化輸出功率圖

依據(jù)成都月平均氣溫變化，根據(jù)上圖得知，西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在該項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)際的功率輸出為4325kw～4795kw之間。

（2）、按月平均用電負(fù)荷進(jìn)行機(jī)型匹配對(duì)比

根據(jù)企業(yè)提供2016年按月交付電費(fèi)用電量清單，用電平均小時(shí)用電負(fù)荷繪制如下表：

圖3.3 2016年各月平均小時(shí)用電負(fù)荷圖

根據(jù)企業(yè)提供2017年1～8月按月交付電費(fèi)用電量清單，用電平均小時(shí)用電負(fù)荷繪制如下圖：

圖3.4

Solar Centaur50、Centaur40機(jī)型及西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在2016年各月發(fā)電機(jī)負(fù)荷率曲線如圖3.5：

Solar Centaur50、Centaur40機(jī)型及西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在2017年各月發(fā)電機(jī)負(fù)荷率曲線如圖3.6：

根據(jù)2016及2017年企業(yè)實(shí)際用電負(fù)荷情況，以及與各機(jī)組按月實(shí)際輸出功率進(jìn)行對(duì)比（因2月為春節(jié)期間，企業(yè)停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，不做比較參考），可得知，Solar Centaur40機(jī)型在2016及2017年的實(shí)際用電負(fù)荷情況下，均能滿負(fù)荷運(yùn)行；Solar Centaur50機(jī)型在2016及2017年的實(shí)際用電負(fù)荷情況下，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷均在95%以上。西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在2016及2017年的實(shí)際用電負(fù)荷情況下，大部分時(shí)間不能滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行負(fù)荷在80%～90%之間。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，Solar Centaur40機(jī)型和Solar Centaur50機(jī)型均滿足該項(xiàng)目實(shí)際用能需求。西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型輸出負(fù)荷比實(shí)際用能負(fù)荷大，因此不推薦該型號(hào)機(jī)組。

圖3.5 機(jī)型在2016年各月發(fā)電機(jī)負(fù)荷率曲線圖

圖3.6 機(jī)型在2017年各月發(fā)電機(jī)負(fù)荷率曲線圖

圖3.7 機(jī)型在9月29日至9月30日負(fù)荷率曲線

10月13日至10月14日對(duì)企業(yè)實(shí)際小時(shí)用電負(fù)荷進(jìn)行記錄如表3.4：

根據(jù)上表，日平均用電負(fù)荷為4167kw。

根據(jù)該天逐時(shí)小時(shí)用電負(fù)荷，Solar Centaur50、Centaur40機(jī)型及西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在該天負(fù)荷率曲線如圖3.8：

根據(jù)上表，日平均用電負(fù)荷為4033kw。

根據(jù)該天逐時(shí)小時(shí)用電負(fù)荷，Solar Centaur50、Centaur40機(jī)型及西門子SGT-100-5.1MW機(jī)型在該天負(fù)荷率曲線如下圖：

根據(jù)上圖可看出，Solar Centaur40機(jī)型在每日逐時(shí)實(shí)際用電負(fù)荷情況下，均能滿負(fù)荷運(yùn)行；Solar Centaur50機(jī)型在每時(shí)實(shí)際用電負(fù)荷情況下，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷均在95%以上。

（3）、根據(jù)企業(yè)設(shè)備裝機(jī)容量及按月平均，日平均進(jìn)行機(jī)型匹配對(duì)比（圖3.9）

根據(jù)企業(yè)提供全廠設(shè)備裝機(jī)容量如下：

全廠在線裝機(jī)容量為12562.3kw，變壓器總?cè)萘繛?450KVA，10月份新增1000kw的電機(jī)裝機(jī)容量。新增生產(chǎn)線以后在線裝機(jī)總?cè)萘繛?3562.3kw，變壓器總?cè)萘繛?0250KVA。

表3.4 實(shí)際小時(shí)用電負(fù)荷進(jìn)行記錄表

圖3.8 機(jī)型在10月13日至10月14日負(fù)荷率曲線

圖3.9 機(jī)型在10月14日至10月15日負(fù)荷率曲線

根據(jù)目前2016年及2017年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)機(jī)組凈輸出功率與實(shí)際負(fù)荷比如下：

根據(jù)企業(yè)發(fā)展，2017年10月新增1000kw電機(jī)裝機(jī)容量，按裝機(jī)容量70%實(shí)際功率進(jìn)行測(cè)算，新增用電功率為700kw，對(duì)應(yīng)機(jī)組凈輸出功率與實(shí)際負(fù)荷比如下：

說明：C40，C50機(jī)組的輸出功率均以海拔594米，成都年平均溫度15.7℃為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，扣除能源站自用電負(fù)荷，C40凈輸出功率為3022kw，C50凈輸出功率為3990kw。

（4）、根據(jù)機(jī)組不同輸出負(fù)荷的效率對(duì)比

根據(jù)一到四的機(jī)組對(duì)比，Solar Centaur40機(jī)型均能在滿負(fù)荷運(yùn)行。

Solar Centaur50機(jī)型大部分時(shí)間均能在滿負(fù)荷工況下運(yùn)行，其不同輸出負(fù)荷下效率如下：

從上面可以看出，Solar Centaur50機(jī)組，在50%～100%功率輸出時(shí)，機(jī)組總效率變化不大，因此對(duì)于用電負(fù)荷在2055kw～4110kw波動(dòng)時(shí)，均能較好的運(yùn)行。

4 結(jié)論

綜上所述，Solar Centaur50機(jī)組在目前生產(chǎn)情況下均能95%～100%負(fù)荷輸出運(yùn)行，同時(shí)，在企業(yè)減產(chǎn)30%的時(shí)候，也能較好的正常運(yùn)行，因此Solar Centaur50機(jī)組在該項(xiàng)目中具有較好的適應(yīng)性。

本項(xiàng)目按照機(jī)組“并網(wǎng)不上網(wǎng)”考慮，配置美國(guó)solar公司的C5 0型燃機(jī)、“一拖一”多軸機(jī)組考慮，即每套燃?xì)?蒸汽簡(jiǎn)單循環(huán)機(jī)組由1臺(tái)燃機(jī)、1臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)和1臺(tái)余熱鍋爐組成。