燃气分布式能源系统中汽轮机的选型

王建伟

（华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160）

燃气分布式能源系统中汽轮机的选型

王建伟

（华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160）

通过理论分析，论证了汽轮机选型在燃气分布式能源系统中的重要性，根据具体案例阐述了燃气分布式能源系统中汽轮机的选型原则和方法，保证了项目的技术性及经济性良好。

分布式能源系统；汽轮机；选型

0 引言

分布式能源系统是以能源有效利用为原则的新型供能方式，是靠近用户端直接向用户提供各种形式能量的终端供能系统。与集中式能源供应方式相比，分布式能源系统具有高效、节能、环保、安全等优点［1］，因此，分布式能源在我国已经不仅仅是一种能源利用方式，更是一项新兴的战略产业和经济发展的着力点［2］。分布式能源的核心技术在于冷、热、电三联供，以此提高整个系统的能源综合利用效率，真正实现能源的梯级利用。

1 燃气分布式能源系统的典型配置形式

对于同样的冷、热、电负荷需求，燃气分布式能源系统有多种配置和运行策略［3］。燃气分布式能源系统的核心发电设备为燃气内燃机和燃气轮机［4］。

燃气内燃机发电效率高、系统占地面积小（可地下建站），但余热分散、品位不高，一般配置各种形式的溴化锂机作为余热利用设备。这种以内燃机为核心的分布式能源系统一般不提供蒸汽负荷，主要为各类建筑提供冷、热负荷，统称为楼宇式分布式能源系统。

燃气轮机余热排放较为集中，可以拖动各种形式的余热锅炉和汽轮机，适合于以蒸汽需求为主的区域式分布式能源系统。蒸汽负荷一般由多压余热锅炉或汽轮机排汽、抽汽提供。分布式能源系统流程如图1所示。

2 燃气分布式能源系统的主机选型

由于内燃机和余热溴化锂机产品都实现了系列化和标准化，所以楼宇式分布式能源系统主机选型较简单。而区域式分布式能源系统主机选型就比较复杂，主要涉及燃气轮机、余热锅炉和汽轮机的选型。

图1 分布式能源系统流程

燃气轮机包括重型或轻型燃气轮机。重型燃气轮机检修周期长，启停速度慢，并且频繁启停会对设备造成很大损耗，所以在满足负荷的基础上一般优先选择轻型燃气轮机。轻型燃气轮机由航空燃气轮机派生，具有体积小、质量小、设备部件精度高、启停迅速（10min快速启停）、变负荷能力强等优点。另外，中国华电集团与美国通用电气（GE）公司宣布成立航改型燃气轮机合资企业，从2014年上半年开始逐步实现国产化，国内将顺利实现一、二级维护，售后服务将更加及时、快捷、低廉，所以本文以航改型燃气轮机为研究对象。

余热锅炉汽水系统一般分为三压、双压和单压系统，某些情况下还会补燃。三压余热锅炉能够回收更多的热能，适用于排气温度较高、单机功率较大的燃气轮机，而分布式能源系统配套的汽轮机进汽压力较低，所以余热锅炉一般采用双压或单压系统［5］。补燃会提高余热锅炉的产汽量，但燃料利用效率较低、系统阻力增加，联合循环机组的效率也会降低，所以是否补燃要根据实际情况具体分析。

在国外，分布式能源系统配套汽轮机的技术非常成熟，但价格太高，国内一般倾向于使用国产汽轮机，但适用于燃气分布式能源系统的中小型汽轮机在国内尚处于起步阶段，还无法实现系列化和标准化［6］。目前，国内很多分布式能源工程配套的汽轮机都是非标产品，设计成本和制造成本很高，导致整个工程的初始投资很大。另外，多个用户对蒸汽的需求存在多样性、变动性，需要不断调整主机的运行模式。如果调整燃气轮机，则燃气轮机效率会降低很多，气耗也会增加很多，余热锅炉和汽轮机也要随之调整。为了适应负荷变动，一般会保持燃气轮机和余热锅炉的运行工况不变，而是通过调节汽轮机来满足用户需求，因此，汽轮机的选型已经成为分布式能源系统的一个难题。

3 燃气分布式能源系统中汽轮机的选型

分布式能源系统中汽轮机的选型一般根据负荷特点来确定。以蒸汽负荷为例：如果蒸汽负荷稳定、单一，则可选用背压式汽轮机；如果既有工业蒸汽负荷，又有采暖蒸汽负荷，可以根据负荷特点选用双抽冷凝式供热汽轮机或抽汽背压式汽轮机；如果系统运行过程中有多余蒸汽，则可选用补汽式汽轮机。抽汽机组运行灵活，当热负荷小或无热负荷时，可以多发电；背压机组无汽轮机冷端损失，热效率较高，但无热负荷时，背压机不能发电运行［7］，下面以实际案例进行说明。

某区域分布式能源站分3期建设，主要为工业园区内的轮胎厂和其他用户提供蒸汽负荷。一期装机方案为1台LM2500+G4型燃气轮机、1台双压余热锅炉、1台背压式汽轮机。背压机42 t／h的排汽主要为轮胎厂提供2.2MPa（表压）、250℃的中压蒸汽33 t／h，为其他2个用户提供1.2MPa（表压）、230℃的低压蒸汽18 t／h。轮胎厂全年生产能力变化不大，中压蒸汽需求稳定，但整个机组对低压蒸汽负荷变动的适应性很差，低压蒸汽负荷发生波动时如果不调整燃气轮机的出力，则会造成蒸汽的浪费，所以二期扩建工程的汽轮机选型对整个能源站的运行方式和经济性起着决定性作用。

随着轮胎厂产能的提高，中压蒸汽平均负荷增加到了64 t／h，低压蒸汽平均负荷维持18 t／h不变，而两期余热锅炉的低压蒸汽共计10 t／h，无法满足最大工况下的负荷要求，但在某些时段又有多余。如果想做到两期工程在运行过程中相互配合，以使能源利用效率达到最高，二期扩建工程的汽轮机选型需要注意以下几点。

（1）如果二期扩建工程选择背压机或纯凝机，在负荷频繁变动的工况下，整个系统的运行模式需要做出调整，但汽轮机不起任何作用，所以汽轮机应该选择抽凝机。

（2）由于低压蒸汽会在某些时段有剩余，如果选用不补汽式汽轮机则低压蒸汽只能浪费，这不符合分布式能源系统节能环保的特点，所以根据该工程的负荷特点，应该选择补汽式汽轮机。

（3）汽轮机设置2个抽汽口，分别为低压抽汽口和中压抽汽口。此种机型对用户负荷的适应性比较高，在中压蒸汽负荷达到64 t／h时，一期背压机提供42 t／h的蒸汽，二期抽凝机需要抽中压蒸汽22 t／h、低压蒸汽8 t／h。经过与设备厂家论证，如果中、低压抽汽口同时向外抽汽，在满足中压蒸汽参数的情况下，将无法满足低压蒸汽参数要求。因为中、低压蒸汽参数相差较大，2个抽汽口之间的级数较多，低压抽汽口处的低压蒸汽参数可能会低于1.2MPa（表压）、230℃，所以选择单抽汽式汽轮机。

结合项目的负荷特点，通过与设备厂家论证，二期扩建工程选择单抽补汽式凝汽机，正常工况下抽汽28 t／h，22 t／h的抽汽提供中压蒸汽负荷，剩余6 t／h通过减温减压与余热锅炉低压蒸汽一起提供低压蒸汽负荷，最大补汽量约为2台余热锅炉的低压蒸汽之和（10 t／h），汽轮机参数见表1。

表1 汽轮机参数

选用此种形式的汽轮机能够适应负荷的变动且不会造成工质的浪费，所以二期扩建工程的装机方案确定为1台LM2500+G4型燃气轮机、1台双压余热锅炉、1台抽凝补汽式汽轮机。通过测算，二期扩建工程的综合能源利用效率达到75%，投资回收期为11.22年，财务内部收益率为10%，项目的技术性和经济性都较好。

4 结论

（1）分布式能源系统中汽轮机选型的依据是负荷特点尤其是蒸汽负荷特点。在汽轮机选型前需要对负荷参数、使用特点进行详细分析。

（2）由于分布式能源系统中配套的汽轮机没有标准化和系列化，所以在选型过程中需要及时与专业设备厂家沟通，论证所选机型的可操作性。

［1］杨威，刘欣.天然气分布式能源站主机方案选择［J］.山西建筑，2012，38（30）：158-160.

［2］王振铭.分布式能源大小当因地制宜［N］.中国能源报，2010-08-30（14）.

［3］ITO K，YOKOYAMA R，SHIBA T.Optimal operation of a diesel engine cogeneration plant including a heat storage tank［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1992，114（4）：687-694.

［4］左政，华贲.燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的比较［J］.煤气与热力，2005，25（1）：39-42.

［5］吴波，王立.航改型燃机分布式能源系统蒸汽系统的优化［J］.可再生能源，2012，30（2）：107-110.

［6］王心宽，王芳远.热电厂供热汽轮机组的选型［J］.河南电力，1990（3）：16-24.

［7］祝平.中等城市热电厂供热机组的选型［J］.山西能源与节能，2005，19（2）：18-20.

（本文责编：刘芳）

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：B

：1674-1951（2015）05-0030-02

王建伟（1983—），男，河北保定人，工程师，工学硕士，从事分布式能源设计方面的工作（E-mail：wjw8341867＠163. com）。

2014-12-05；

2015-04-12