嚴勝德 王 楠 孫 濱

曼恩機械有限公司

0 前言

自2010年以來，由于中國人口的增加以及經(jīng)濟的高速增長，帶動了國內(nèi)消費以及國外出口市場的同步增長，對于日常消費產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的需求也屢創(chuàng)新高，而作為支撐經(jīng)濟發(fā)展、消費增長以及需求增加的重要前提條件，清潔能源供給在人們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中，將會發(fā)揮日益重要的作用。

根據(jù)“雙碳”目標，中國力爭于2030年前實現(xiàn)CO2排放達峰，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上，力爭于2060年前實現(xiàn)碳中和。但在中國目前的能源供給結構中，煤電裝機10億kW，占全國總裝機53%，使用煤炭產(chǎn)生的CO2占全社會總碳排放量的80%，其中煤電燃燒排放占到總排放量的43%，是我國碳排放的主要來源。截至2020年底，我國風電、光伏裝機容量5．3億kW，為實現(xiàn)“雙碳”目標，未來十年風電、光伏累計需要完成裝機容量12億kW的目標，2060年我國陸上風電、光伏兩者裝機容量占全國總裝機容量比例將達到約60%，發(fā)電量占全國總發(fā)電量比例將達到45%。但是，新能源在中國能源結構的占比大幅增加，將會給電力系統(tǒng)帶來一系列新的問題和挑戰(zhàn)。例如，風光的隨機性、波動性、間歇性，無法使得高比例可再生能源在需要時穩(wěn)定、靈活的供給，同時，可再生能源供給側高比例的電力電子設備導致系統(tǒng)轉動慣量持續(xù)下降，調頻、調壓能力缺乏。而在需求側，能源峰谷特征愈加明顯、差距不斷擴大，急需要具有低碳排放、大規(guī)模、響應迅速的傳統(tǒng)機組來調節(jié)和補充。

在此背景下，通過梳理目前能源供給側的多種能源供給方式，只有天然氣具備相應的優(yōu)勢。天然氣作為傳統(tǒng)化石能源，具有比較于煤電的低碳排放、熱值高、基礎設施完善、獲取渠道眾多等特點，完全可以作為可再生能源的調峰、調頻補充，也可以作為長期碳中和目標下從煤電到可再生能源的重要過渡。對于“雙碳”目標下的重點領域，工業(yè)能源供給不僅僅完成從煤電到綠電的轉換，更重要的是需要有清潔的熱能供給方案。而以燃氣輪機發(fā)電機組作為動力源的天然氣分布式能源項目，將在工業(yè)能源供給轉型過程中提供有力支撐，可以作為一定時期內(nèi)的過渡電源和熱源。工業(yè)分布式能源站可以實現(xiàn)用戶側多能供應，大幅提高能源利用效率、布局靈活、運營高效，通過能源的合理梯級利用，采用發(fā)電后的廢熱進行制冷和供熱，可將傳統(tǒng)化石燃料的能源利用效率由35%~40%提升至70%~90%[2]。通過在負荷中心就近提供多種能源供應，大幅減少輸配電和輸熱損耗，具有良好的經(jīng)濟、環(huán)保及社會效益。工業(yè)分布式能源站適合建在工業(yè)企業(yè)、園區(qū)、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)綜合體、醫(yī)院等對多種能源均有穩(wěn)定需求的場景開展綜合能源服務。

1 MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組

MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組是曼恩能源方案有限公司基于在透平機械和發(fā)動機領域超過260年的研發(fā)、生產(chǎn)以及應用經(jīng)驗，于2013年推向市場的一款全新工業(yè)重型燃氣輪機產(chǎn)品。此系列燃氣輪機有單軸和雙軸兩種型號，均采用經(jīng)驗證過的成熟技術，分別應用于發(fā)電和工業(yè)驅動領域。MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組采用最新的設計標準和準則，擁有同類產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)異性能和緊湊結構，其性能參數(shù)和結構布置分別見表1和圖1。

圖1 MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組結構布置

表1 MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組性能參數(shù)

2 某造紙企業(yè)分布式能源站

2.1 項目概況

某造紙企業(yè)位于中國山東省，主導產(chǎn)品為高檔裝飾原紙，現(xiàn)有PM1、PM2、PM3三條生產(chǎn)線，年產(chǎn)裝飾原紙12萬t。截止到目前，企業(yè)現(xiàn)有三條生產(chǎn)線的用電全部來自市電網(wǎng)、蒸汽來自于燃煤鍋爐。

近年來，隨著山東省以及壽光市對綠色能源和排放的要求日益嚴格，尤其是2020年10月28日山東省生態(tài)環(huán)境廳等七部門聯(lián)合發(fā)布《關于做好非傳輸通道城市35蒸噸/小時以下燃煤鍋爐淘汰工作的通知》，要求2021年10月底前，青島、棗莊、東營、煙臺、濰坊、泰安、威海、日照、臨沂9個非傳輸通道城市35 t/h（蒸噸）以下燃煤鍋爐（高效煤粉爐除外）全部淘汰，全省不再新建35 t/h（蒸噸）以下各種類型燃煤鍋爐。在此背景下，某造紙企業(yè)決定采用更綠色環(huán)保的天然氣分布式能源系統(tǒng)，計劃分兩期建設，能源站一期滿足現(xiàn)有PM1、PM2、PM3生產(chǎn)線的電力和蒸汽需求，能源站二期滿足新建PM4、PM5生產(chǎn)線的電力和蒸汽需求。兩期天然氣分布式能源站均采用管線高壓天然氣或LNG，經(jīng)燃氣輪機、余熱鍋爐和調峰鍋爐燃燒后，向生產(chǎn)線提供電力、蒸汽以及制冷等用能需求，整套工藝系統(tǒng)將全部取代目前的燃煤鍋爐蒸汽和部分市電供應，從而實現(xiàn)工廠的綠色用能及超低排放，適應山東省政府關于造紙行業(yè)高質量綠色發(fā)展的客觀要求。

某造紙企業(yè)現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)西南角，廠區(qū)周邊道路均已建成，交通十分便利。區(qū)域周邊已建有完善的給排水、供電、供熱管網(wǎng)及通信網(wǎng)絡，項目可就近接入供電、供水、排水及消防管網(wǎng)，能夠保證項目的正常需要。

根據(jù)當?shù)丨h(huán)境監(jiān)測站對某造紙企業(yè)的環(huán)境空氣質量的監(jiān)測結果，采用《環(huán)境空氣質量標準》中二級標準，SO2、NOx小時平均濃度、日均濃度均不超標。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該區(qū)域的聲環(huán)境較好，各監(jiān)測點晝間、夜間噪聲監(jiān)測值均不超標，能夠達到《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》(GB3096-1993)中的2類標準——晝間60 d B(A)、夜間50 d B(A)的要求。

項目現(xiàn)場海拔28 m，年平均氣溫12．7℃，相對濕度63%，年平均風速3．1 m/s，廠址區(qū)域地震基本烈度為7度。

2.2 項目用能需求分析

根據(jù)某造紙企業(yè)先期的統(tǒng)計，各生產(chǎn)線（包括建成及計劃建設）的電/熱負荷如表2。

表2 1#-5#生產(chǎn)線電/熱負荷

截至目前，某造紙企業(yè)已建成1#、2#、3#生產(chǎn)線，電負荷需求12 500 kW，蒸汽負荷需求30 t/h；將來，4#、5#生產(chǎn)線建成后，電負荷需求25 200 kW，蒸汽負荷需求60 t/h。

2.3 項目生產(chǎn)線運行方式分析

根據(jù)目前某造紙企業(yè)的供能模式，電能來自電網(wǎng)，蒸汽來自燃煤鍋爐，因此生產(chǎn)線運行方式不太會對供能方產(chǎn)生很大的影響。但如果采用單獨的天然氣分布式能源站后，生產(chǎn)線運行方式將在很大程度上影響天然氣分布式能源站的運行方式，并且天然氣能源站的負荷波動也會很大程度上影響生產(chǎn)線的運行，因此，電/熱負荷的匹配以及主要設備的選型，對于生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行及良好的經(jīng)濟效益至關重要。

基于某造紙企業(yè)已建成和計劃新建的生產(chǎn)線以及電/熱負荷需求，可以得出：

1)已投入運行的1#、2#、3#生產(chǎn)線，生產(chǎn)和用能需求相對獨立；

2)計劃新建的4#和5#生產(chǎn)線，生產(chǎn)和用能需求相對獨立；

3)1#-5#生產(chǎn)線每個月有一次計劃檢修，但時間上不重疊，不會產(chǎn)生線間的相互影響；

4)1#、2#、3#生產(chǎn)線的用能負荷需求差別不大；

5)用能負荷需求1#+2#+3#生產(chǎn)線=4#生產(chǎn)線=5#生產(chǎn)線，1#+2#生產(chǎn)線=3#生產(chǎn)線。

為了盡可能滿足和匹配各條生產(chǎn)線的用能負荷要求，提高各生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及調度靈活性，降低能源站停車及低負荷消耗，增加整個能源站的利用率和經(jīng)濟效益，建議能源站設計如下：

1)1#和2#生產(chǎn)線單獨新建并共用分布式能源系統(tǒng)，提供6 200 kW電能和15 t/h蒸汽；

2)3#生產(chǎn)線單獨新建分布式能源系統(tǒng)，提供6 300 kW電能和15 t/h蒸汽；

3)4#生產(chǎn)線單獨新建分布式能源系統(tǒng)，提供12 600 kW電能和30 t/h蒸汽；

4)5#生產(chǎn)線單獨新建分布式能源系統(tǒng)，提供12 600 kW電能和30 t/h蒸汽；

5)生產(chǎn)線計劃檢修方案1#和2#生產(chǎn)線，3#生產(chǎn)線，4#生產(chǎn)線，5#生產(chǎn)線。

2.4 分布式能源站機組設備選型

從實現(xiàn)熱電聯(lián)供的功能來說，熱電聯(lián)供能源站中的主要設備由發(fā)電設備、余熱利用設備及調峰設備構成。其中，發(fā)電機組包括燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組和燃氣輪機發(fā)電機組兩大類；余熱利用設備主要是余熱鍋爐和溴冷機。調峰設備包括電制冷機、直燃機、鍋爐、換熱器等。

目前，在中國市場上，工業(yè)用戶普遍采用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組作為熱電聯(lián)供能源站的主要設備。通常，基本選擇原則是定義電熱比，如電負荷需求和價格高，則采用發(fā)電效率較高的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組，如熱負荷需求高和價格高，則采用產(chǎn)熱效率高的燃氣輪機發(fā)電機組[3]。

依據(jù)某造紙企業(yè)的電/熱負荷需求、價格以及應用場景，可以發(fā)現(xiàn)：

1)項目用能熱負荷為主，電負荷為輔，且負荷需求非常穩(wěn)定；

2)項目用能蒸汽價格高，電價低；

3)項目附近有高壓天然氣管道，與本項目站址距離約6 km，天然氣供給安全穩(wěn)定；

4)項目現(xiàn)場場地空間有限，不適合大尺寸設備布置；

5)項目所在地有NOx最低排放要求，宜采用低排放設備。

綜上，本項目天然氣分布式能源站設備配置選型建議采用燃氣輪機發(fā)電機組+低壓余熱鍋爐。

根據(jù)本項目1#-5#生產(chǎn)線具體的用能負荷需求，結合具體的電、熱、天然氣價格，綜合考慮利用已有共用設施、運營方式、檢維修、電網(wǎng)接入等因素，對于燃氣輪機發(fā)電機組，我們選取了曼恩能源方案有限公司的兩款燃氣輪機發(fā)電機組進行方案對比，分別 是MGT6000（6．63 MW）和THM1304-12N（11．52 MW），功率參數(shù)均為ISO工況下，對于余熱鍋爐，采用國內(nèi)生產(chǎn)的低壓余熱蒸汽鍋爐。

2.5 分布式能源站機組方案對比

根據(jù)本項目1#-5#生產(chǎn)線具體的用能負荷需求，采用如下兩種燃氣輪機發(fā)電機組配置方案。

方案一：

能源站一期2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組（6．63 MW）+2套低壓余熱蒸汽鍋爐（15 t/h-1MPa/184℃）；

能源站二期4套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組（6．63 MW）+4套低壓余熱蒸汽鍋爐（15 t/h-1MPa/184℃）。

方案二：

能源站一期2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組（6．63 MW）+2套低壓余熱蒸汽鍋爐（15 t/h-1MPa/184℃）；

能源站二期2套THM1304-12N燃氣輪機發(fā)電機組（11．52 MW）+2套低壓余熱蒸汽鍋爐（30 t/h-1 MPa/184℃）。

針對1#-5#生產(chǎn)線具體的用能負荷需求，具體配置如表3。

表3 1#~5#生產(chǎn)線具體的用能負荷需求

1）按照機組方案分析之一

（1）1#生產(chǎn)線和2#生產(chǎn)線共用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，100%滿足兩條生產(chǎn)線的用電和蒸汽負荷需求，即使在實際現(xiàn)場工況下，1套MGT6000燃氣輪機+1套低壓余熱蒸汽鍋爐仍可100%滿足用電和蒸汽負荷需求?？紤]分配多余的蒸汽需要增加蒸汽管道等共用設施、多余的電能無法完成上網(wǎng)銷售，因此在100%滿足兩條生產(chǎn)線的蒸汽需求后，MGT6000的發(fā)電量約等于兩條生產(chǎn)線6 200 kW的要求，匹配用能負荷要求。

（2）3#生產(chǎn)線單獨采用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在實際現(xiàn)場工況下，1套MGT6000燃氣輪機+1套低壓余熱蒸汽鍋爐仍可100%滿足用電和蒸汽負荷需求。其中，蒸汽產(chǎn)量為15 t/h，發(fā)電量約等于6 300 kW,匹配用能負荷要求。

（3）4#生產(chǎn)線單獨采用2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在實際現(xiàn)場工況下，2套MGT6000燃氣輪機+2套低壓余熱蒸汽鍋爐可100%滿足蒸汽負荷需求。其中，蒸汽產(chǎn)量為30 t/h，發(fā)電量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用電可采購市電網(wǎng)，匹配用能負荷要求。

（4）5#生產(chǎn)線單獨采用2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在實際現(xiàn)場工況下，2套MGT6000燃氣輪機+2套低壓余熱蒸汽鍋爐可100%滿足蒸汽負荷需求。其中，蒸汽產(chǎn)量為30 t/h，發(fā)電量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用電可采購市電網(wǎng)，匹配用能負荷要求。

通過以上分析得出，采用機組方案一可以100%滿足1#-5#生產(chǎn)線的蒸汽負荷要求，發(fā)電部分需要少量從市電網(wǎng)采購。同時，1#和2#生產(chǎn)線共用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在生產(chǎn)線檢修時，可將燃氣輪機降負荷運行，以匹配負荷的變化。4#和5#生產(chǎn)線均單獨采用2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，可以靈活地適應生產(chǎn)線負荷的變化，同時不降低機組的效率。綜上，該方案完全滿足項目蒸汽負荷需求，需求少量電可從市電網(wǎng)采購，保持每條生產(chǎn)線用能的獨立性，不產(chǎn)生線間影響，所有機組為同一型號，非常有利于售后維護，為主要推薦方案。

2）按照機組方案分析之二

（1）1#生產(chǎn)線和2#生產(chǎn)線共用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，100%滿足兩條生產(chǎn)線的用電和蒸汽負荷需求，即使在實際現(xiàn)場工況下，1套MGT6000燃氣輪機+1套低壓余熱蒸汽鍋爐仍可100%滿足用電和蒸汽負荷需求?？紤]分配多余的蒸汽需要增加蒸汽管道等共用設施、多余的電能無法完成上網(wǎng)銷售，因此在100%滿足兩條生產(chǎn)線的蒸汽需求后，MGT6000的發(fā)電量約等于兩條生產(chǎn)線6 200 kW的要求，匹配用能負荷要求。

（2）3#生產(chǎn)線單獨采用用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在實際現(xiàn)場工況下，1套MGT6000燃氣輪機+1套低壓余熱蒸汽鍋爐仍可100%滿足用電和蒸汽負荷需求。其中，蒸汽產(chǎn)量為15 t/h，發(fā)電量約等于6 300 kW,匹配用能負荷要求。

（3）4#生產(chǎn)線單獨采用1套THM1304-12N燃氣輪機發(fā)電機組，蒸汽產(chǎn)量為30 t/h，發(fā)電量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用電可采購市電網(wǎng)，匹配用能負荷要求。

（4）5#生產(chǎn)線單獨采用1套THM1304-12N燃氣輪機發(fā)電機組，蒸汽產(chǎn)量為30 t/h，發(fā)電量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用電可采購市電網(wǎng)，匹配用能負荷要求。

通過以上分析，采用該方案可以100%滿足1#-5#生產(chǎn)線的蒸汽負荷要求，發(fā)電部分需要少量從市電網(wǎng)采購。同時，1#和2#生產(chǎn)線共用1套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組，在生產(chǎn)線檢修時，可將燃氣輪機降負荷運行，以匹配負荷的變化。4#和5#生產(chǎn)線均單獨采用1套THM1304-12N燃氣輪機發(fā)電機組，大大減少了設備數(shù)量和占地面積。綜上所述，機組方案二可完全滿足項目蒸汽負荷需求，少量電可從市電網(wǎng)采購，保持每條生產(chǎn)線用能的獨立性，不產(chǎn)生線間影響，但機組型號為兩種，不利于備件以及售后維護，為次要推薦方案。

兩種機組方案下分布式能源站性能參數(shù)對比如表4。

表4 兩種機組方案下分布式能源站性能參數(shù)

通過性能參數(shù)對比，MGT6000的發(fā)電效率最高32．2%，THM1304-12N的發(fā)電效率為29．8%，但熱電聯(lián)產(chǎn)效率THM1304-12N最高，達到86%，MGT6000為83．1%。兩種型號機組的性能差異主要在于，MGT6000在發(fā)電和蒸汽產(chǎn)量上更加平衡，既滿足較高的電價優(yōu)勢，也可以兼顧較高的產(chǎn)汽優(yōu)勢，適合于電價和蒸汽價格都能獲得穩(wěn)定收益的客戶。THM1304-12N的發(fā)電效率平均，但產(chǎn)汽方面遠遠優(yōu)于同類型的其它機組，非常適合于發(fā)電收益少、持平甚至微虧，但蒸汽收益大且穩(wěn)定的客戶。結合本項目的實際電/熱負荷需求，兩種方案均可滿足。

2.6 分布式能源站機組方案初步靜態(tài)經(jīng)濟性分析

分布式能源站機組方案初步靜態(tài)經(jīng)濟性分析見表5。

表5 兩種機組方案初步靜態(tài)經(jīng)濟性分析

通過以上分析比較，根據(jù)項目1#-5#生產(chǎn)線的用能負荷需求、電/蒸汽/天然氣價格，機組方案一在各方面優(yōu)于機組方案二，更加符合本項目的實際需要。同時，機組方案選型還要綜合考慮[4]機組的技術先進性是否為落后技術、國產(chǎn)化配套程度是否全部為進口、同類型機組的國內(nèi)運行業(yè)績及運行情況、國內(nèi)的備品備件情況、國內(nèi)是否能夠進行售后服務、供貨周期是否滿足項目需要、現(xiàn)場布置及占地面積是否符合要求、運行以及成套技術是否可以分享、是否滿足國家環(huán)保政策等，綜合考慮項目實際情況和各種因素，推薦采用方案一，即能源站一期2套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組（6．63 MW）+2套低壓余熱蒸汽鍋爐（15 t/h-1 MPa/184℃）、能源站二期4套MGT6000燃氣輪機發(fā)電機組（6．63 MW）+4套低壓余熱蒸汽鍋爐（15 t/h-1 MPa/184℃）。

3 結束語

在目前的“雙碳”目標下，企業(yè)從高碳低效的煤電轉向低碳清潔的新能源已成為必然。對于大多數(shù)工業(yè)企業(yè)而言，在考慮能源供給替代方案時，一方面需要符合國家以及企業(yè)所在地的環(huán)保政策，另一方面也需要綜合考慮替代方案的經(jīng)濟性，以保證企業(yè)的競爭力以及未來發(fā)展的可持續(xù)性。

通過對某造紙企業(yè)分布式能源站用能需求、運行方式的分析，從而選擇匹配的燃氣輪機發(fā)電機組方案，并對不同方案下的性能參數(shù)、初步靜態(tài)經(jīng)濟性進行分析，最后得出符合企業(yè)分布式能源站的最佳機組配置方案，為企業(yè)的未來項目建設實施提供建議參考，也為同類型工業(yè)企業(yè)的分布式能源項目建設提供了研究思路和選型方法。