热电联产工程中的燃气配套技术探讨

上海煤气第一管线工程有限公司 汤 勇

1 热电联产的概念和对环保的积极意义

热电联产，简称CHP(combined heat and power)，是指电厂在生产电力的同时，利用做过功的工艺过程汽或者乏汽同时对外供热的生产工程。热电联产可以有效地利用余热，提高电厂的总热效率。热电联产在我国北方地区采暖季节需要提供采暖的热源，可以减少手烧炉和工业锅炉的使用。在南方地区主要用于夏季需要提供以热源为驱动力的制冷负荷，目前大部分采用分户式制冷的方式。热电联产具有节约能源，改善环境，提高供热质量，增加电力供应等综合效益。热电厂的建设是城市治理大气污染和提高能源利用率的重要措施，是集中供热的重要组成部分，是提高人民生活质量的公益性基础设施。

国家鼓励在有条件的大中型城市建设大型燃气蒸汽联合循环供热电厂和城市环保热电厂。在这类电厂的规划设计中除了需要满足功能性、景观性要求以外，还有两个与城市有关的重要因素:环保和去工业化。

在热电联产工程中使用燃气轮机发电，采用低氮天然气燃烧器，可以将氮氧化物排放控制在25×10-6，优质的低氮燃烧器可以将氮氧化物排放控制在15×10-6以下。所以在热电联产项目中燃气轮机主要使用天然气为主要燃料。

2 热电联产的原理简介

燃气轮机是以气体为工质，把燃料燃烧释放出来的热量转变为有用功的动力机械。燃气轮机由压气机，燃烧室和透平等部件组成。空气被压缩机连续吸入并压缩，压力升高，随后进入燃烧室，在燃烧室中与燃料混合燃烧成为高温燃气，高温燃气进入透平膨胀做功，压力降低，最后排至大气。由于燃烧后的高温燃气做功能力显著提高，燃气在透平中的膨胀功大于压缩机压缩空气所消耗的功，因此使透平在带动压缩机后还有多余的功率，可以带动负载。按照这种原理工作的燃气轮机为等压燃烧加热的开式循环燃气轮机，也是目前应用最广泛的燃气轮机。

热电联产就是由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的做功后的高温乏气通过余热锅炉回收热量，转换为蒸汽或热水加以利用，也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机以提高燃气轮机出力和效率。现代大型燃气轮机一般均配套建设余热锅炉，蒸汽轮机，组成燃气蒸汽联合循环系统，它将燃气轮机排出的高温乏气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽送入蒸汽轮机发电，或同时将部分发电做功后的抽、排汽用于供热，形式有燃气轮机，蒸汽轮机同轴拖动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机，蒸汽轮机各自拖动各自发电机的多轴联合循环。目前，世界上的燃气蒸汽联合循环机组热效率可达61%。全世界大中型发电燃气轮机的设计和制造主要集中在通用电气(GE)，西门子(SIEMENS)及三菱(MHI)等几家跨国公司。

3 国内燃气轮机的发展情况和当前能源政策

国内的燃气轮机发展主要从20世纪50年代开始建设燃气轮机发电项目，当时以备战为主。从20世纪80年代到2003年，国内燃气轮机的项目以数量多，容量小为特点，主要承担调峰发电的任务。2004年迎来了投产的高峰，燃气轮机以大容量为特点，并承担发电和热电联产的任务。

2013年国务院颁布了“能源发展十二五规划”，为了构建安全、稳定、经济和清洁的现代能源产业体系，保障经济社会可持续发展，提出有序发展天然气发电，在天然气来源稳定的东部经济发达地区，合理建设燃气蒸汽联合循环调峰电站。在电价承受能力强，热负荷需求大的中心城市，优先发展大型燃气蒸汽联合循环热电联产项目，因此上海迎来了热电联产项目发展的历史机遇。

4 热电联产项目燃气配套技术实例

4.1 项目情况介绍

以目前在建的上海大众汽车制造厂发动机二厂分布式能源中心项目为例，燃气轮机为4台德国MAN公司额定发电功率6.5 MW的MGT6200和4台15 t/h余热锅炉。燃气轮机天然气额定入口压力为2.5 MPa。

4.2 项目压缩机的选型和布置

上海市北燃气销售有限公司采用次高压管网传输直供，供气压力为0.8 MPa，在厂内设天然气增压机，将天然气压力提升到燃气轮机需要的压力。天然气增压机由4台离心式压缩机并联组成，离心式压缩机体积小，结构简单紧凑，工作平稳无脉冲现象，振动小，操作灵活，容易实现自动控制，没有需要经常更换的零部件，缺点就是必须安装防喘振装置。离心式压缩机使用范围:压力范围为0.1～7.6 MPa，单级压比1.1～1.25之间，流量范围为14～5 700 m3/min，热效率为72%～80%左右，转速为3 000～10 000 r/min。厂区燃气供应系统由燃气计量、粗精分离过滤、增压、供气管道、燃气轮机进口的绝对分离器、加热器(含性能和启动加热器)，双精过滤器和速比阀等组成。来自城市管网的天然气进入厂界后，首先接入天然气表房采用超声波计量计，随后被送入粗精一体的分离过滤器，经过清洁的干净的天然气进入天然气增压机。天然气的压力从厂界设计点的0.8 MPa被增压至燃气轮机要求的压力。被增压的天然气通过厂区天然气管道被分别送至1～4号燃气轮机入口。在燃气轮机入口，设有天然气前置模块，包括绝对分离器、性能加热器、启动加热器和双精过滤器等设备，经过前期处理和增压的天然气在天然气前置模块中，得到进一步的过滤和加热，然后进入燃气轮机燃烧室接口，通过燃烧器前的调压阀和速比阀后进入燃烧器参与燃烧。

4.3 压力缓冲装置的选型和计算。

按照招标文件要求，取上海天然气低热值为34.75 MJ/m3，每台燃气轮机小时用气量为677 m3，4个模块全投产小时用气量为2 708 m3。根据燃气设计规范要求，为保证市政燃气管道安全，燃气压缩装置前必须安装燃气缓冲装置即储气罐。宜采用高压球形储气罐，高压球形储气罐容积为10 000 m3两个，白天可以使用储气罐和城市管网同时供气，晚上全部使用城市管网供气，储气罐其工作压力为0.25～3.0 MPa，本案选用1.6 MPa的球罐。

4.4 燃气管径水力计算

分布式能源系统平面布置方案见图1。

图1 分布式能源系统平面布置方案

如图1所示，分布式能源系统占地21×70 m2，方案一燃气增压系统占地16×25 m2，相距分布式能源系统232 m；方案二燃气增压系统占地16×25 m2，相距分布式能源系统143 m。由于经过增压系统后天然气压力增加到2.5 MPa，方案二燃气增压系统距离分布式能源系统较近，管道造价较低，最终选择方案二。

计算加压装置出口至燃气轮机进口之间的天然气管道直径，根据上海天然气参数:燃气密度取0.75 kg/m3，运动粘度取15×10-6m2/s，绝对温度取278.16 K，管道长度约200 m，当选取管道直径为DN100时，压力降0.0036 MPa，出口压力2.496 MPa,平均流速为0.88 m/s，可以满足用要求(据中压天然气钢管摩擦阻力损失计算表)。

4.5 燃气管道设计，材质和施工技术要求

参照压力大于1.6 MPa地下燃气管道与建筑物水平净距为13 m，由于加压装置和燃气轮机都是露天布置，天然气管道考虑采用架空明管敷设，采用《钢制对焊无缝管件》(GB/T 12459—2005)的无缝钢管，直径114.3×7.15，共有四层支座组成，总高度控制为1.6 m左右，便于检修。管道连接采用氩弧焊接，所有焊缝需要100%X射线检查，X射线片子必须达到B级以上，不达标必须返修。所有架空管道应有防雷，接地措施。在清管作业和输配过程中，尽量减少排放天然气的次数。在将来管线检修和改建时，预先制定并安排好工作计划，尽量将管线两端截止阀间的天然气用掉，减少排出量。定期安排专业人员对厂区内的天然气管线进行巡视和检查，以防管道本身缺陷或人为破坏使天然气泄漏污染环境和危害人身健康。