DQZHAN技術(shù)訊：分布式能源與燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)、微型或小型燃?xì)廨啓C(jī)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?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，對輸入能量及內(nèi)部能流根據(jù)熱能品味進(jìn)行綜合梯級利用，來達(dá)到更高能源利用率，減少二氧化碳及有害氣體排放。

2 燃?xì)廨啓C(jī)選型

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

（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)勢和價格優(yōu)勢。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)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?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。

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(jī)發(fā)動機(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*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，在設(shè)計經(jīng)驗(yàn)、價格和性能方面有很強(qiáng)的競爭力。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30MW和40MW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25ppm和15ppm，啟停時間較短，可靠性高，但進(jìn)氣壓力較高。

2.3.2 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年首臺開始商業(yè)運(yùn)行。

2.3.3 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亘B惠特尼發(fā)動機(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)等有名品牌。普惠公司是世界上三大航空發(fā)動機(jī)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?xì)廨啓C(jī)，從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)是普惠動力系統(tǒng)公司的主要產(chǎn)品，單臺ISO功率30MW。FT8燃?xì)廨啓C(jī)的核心機(jī)來自普惠已經(jīng)銷售了14000多臺并累積運(yùn)行1億多小時的JT8D商用發(fā)動機(jī)。FT8燃?xì)廨啓C(jī)具有較高的效率、安裝簡便、占地小、啟動快速、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（簡單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)）、熱電聯(lián)供和機(jī)械驅(qū)動。目前在世界上已經(jīng)有400多臺FT8機(jī)組在運(yùn)行，累計運(yùn)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(tuán)均在市場中處于**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**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**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**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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率達(dá)24MW，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。

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(dú)資公司。索拉是****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至22,000kW。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)動裝置。目前,索拉在中國安裝了超過176臺機(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。

2.4主要燃?xì)廨啓C(jī)型號單循環(huán)性能比較

考慮到分布式能源項目的特點(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)型號進(jìn)行比選，詳見表1。

從表1可以看出：

（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。

2.5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。

2.5.1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2.2~2.5MPa。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?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(jī)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(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1-4。

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(jī)組運(yùn)行4000小時需進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查（停機(jī)8~12小時）；25000小時需進(jìn)行熱部件檢修（停機(jī)3天），更換費(fèi)用約150~300萬美元；50000小時大修，發(fā)動機(jī)更換，更換費(fèi)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(jī)，日立的H25運(yùn)行64000小時（8年）開缸進(jìn)行大修。

2.5.4長期服務(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(fèi)用、月固定費(fèi)用及燃燒時數(shù)費(fèi)用進(jìn)行收費(fèi)。如果現(xiàn)場備有發(fā)動機(jī)或客戶參與租用發(fā)動機(jī)合同可以保證95%的可用率。整體的費(fèi)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?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、時期等要求的不同，費(fèi)用會有相應(yīng)變動。

2.5.5燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性比較

燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性主要與項目運(yùn)營參數(shù)（年運(yùn)行小時數(shù)和項目經(jīng)營期）、生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)（全廠聯(lián)合循環(huán)效率及氣價等）、繳付費(fèi)用、工程造價、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*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(hù)費(fèi)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(jī)的主要經(jīng)濟(jì)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?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性比GE公司的LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)高，測算平均含稅上網(wǎng)電價稍低。

2.5.5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。

3 裝機(jī)方案選擇

3.1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(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(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*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*多的應(yīng)用，*適合于帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷的機(jī)組。

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

3.2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，分別推動各自的發(fā)電機(jī)做功。多軸方案中可以是1臺燃?xì)廨啓C(jī)對應(yīng)一臺汽輪機(jī)，也可以是多臺燃?xì)廨啓C(jī)對應(yīng)一臺汽輪機(jī)，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)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(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(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)勢不明顯；且對于熱電冷三聯(lián)供機(jī)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(shí)例分析

上海某燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項目的設(shè)計冷、熱負(fù)荷統(tǒng)計值見表4。

該項目選用“一拖一”燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，每臺燃機(jī)配一臺雙壓余熱鍋爐和一臺抽凝式汽輪機(jī)。根據(jù)計算兩種機(jī)型的技術(shù)指標(biāo)見表5（兩套機(jī)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(fù)荷的相應(yīng)；能勉強(qiáng)滿足平均冷負(fù)荷，但不能滿足*大冷負(fù)荷。2臺GE公司LM6000+20t尖峰鍋爐的方案能很好地滿足對熱負(fù)荷的響應(yīng)，滿足平均及*大冷負(fù)荷的響應(yīng)。

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

（3）兩種機(jī)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(jī)型額定抽汽工況下熱電比為75.84；LM600機(jī)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(jī)型方案較LM6000機(jī)型的總投資差約7000萬，而LM6000機(jī)型上網(wǎng)電價較差LM2500機(jī)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(yuǎn)高于發(fā)電成本。根據(jù)目前該市的標(biāo)桿電價，只有用發(fā)電效益來彌補(bǔ)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(jī)型在經(jīng)濟(jì)上而言，選擇LM6000機(jī)型更具有優(yōu)勢。

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

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(yùn)行則GE公司的航改型燃?xì)廨啓C(jī)占優(yōu)，對于分布式能源項目長期抽汽發(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）對于分布式能源項目選用的燃?xì)廨啓C(jī)不僅要注重經(jīng)濟(jì)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(yùn)行的使用業(yè)績和長期服務(wù)維修費(fèi)用專題調(diào)查或在招標(biāo)過程中作為評分的主要依據(jù)之一。

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

（4）對于分布式能源項目，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。