基于国产航改燃机的工业园区分布式能源站运行方案分析

潘志勇，刘惠萍，黄 峰，薛 飞

(1. 上海同祺新能源技术有限公司，上海 201399；2.上海市发展改革研究院，上海 200032)

基于国产航改燃机的工业园区分布式能源站运行方案分析

潘志勇1，刘惠萍2，黄 峰1，薛 飞1

(1. 上海同祺新能源技术有限公司，上海 201399；2.上海市发展改革研究院，上海 200032)

目前，我国基于用户端的分布式能源系统发展已从试点走向全面推广应用阶段，但推广的技术经济服务瓶颈之一是量大面广的中小型燃气轮机国产化问题，而中国新型航空发动机为国产航改燃机提供了核心技术保障。以上海首个工业园区天然气分布式能源国产航改燃机应用的示范项目为例，重点对比分析了设备能源利用效率、多种设备组合运行、蒸汽过热度和燃机进风预热等因素对国产航改燃机的工业园区分布式能源站运行经济性的影响，以期为优化工业园区分布式能源系统设计和运行提供借鉴。

分布式能源；航改燃机；工业园区

在工业领域的分布式能源系统中，由于燃气轮机功率密度大、热电比高、维护工作少、运行成本低等特点，使燃气轮机成为工业型分布式能源的主要原动机。目前中国已在燃气轮机、内燃机等原动机领域开展了持续的技术攻关，但部分领域仍以进口设备为主。在原动机这一关键设备领域中我国尚未完全掌握核心技术，限制了国内燃气分布式能源行业的发展，但近年不断涌现的中国新型航空发动机为国产航改燃机提供了核心技术保障。

开发基于国产航改燃机的工业型天然气分布式能源技术价值主要体现在以下三点：系统研究国产航空燃机机型的再制造和再利用方式；形成国产航改型燃机分布式能源系统适应性改进与维护体系技术规范；建立基于工业区区域能源管理的多用户特征的微型智能能源网。基于此，以针对工业园区清洁能源替代和企业转型升级的内在需求，基于航空燃气轮机技术研发可用于城市天然气分布式供能领域的陆用热电联产系统，并引入智能能源网的管理控制模式，实现工业区分布式能源系统运营维护的可靠性和经济性，为上海以及其他地区的工业园区清洁能源替代，分布式能源系统的推进提供技术、产业和运行经验都具有现实的意义。

1 示范项目背景及能源系统介绍

1.1 老港工业园区天然气分布式能源示范项目

根据上海市政府转发的市发展改革委等六部门《关于进一步加大力度推进燃煤(重油)锅炉和窑炉清洁能源替代工作的实施意见》的通知(沪府办发[2013]66号)，上海市老港镇政府和工业区管委会于2014年组织相关部门、企业和专家对园区内企业进行能耗及供能方式等方面数据调研，基于园区内企业的用能特点，通过对清洁能源替代方案和技术论证分析，拟在老港工业园区利用现有的燃煤锅炉房改造，建设一座基于国产航改燃机的天然气工业园区级的分布式能源站，通过分布式能源系统技术完成园区内燃煤锅炉的改造任务。

通过比选论证，实行投资多元化、服务专业化的合作模式。围绕上海工业燃煤锅炉清洁能源替代目标，基于上海首个工业园区天然气分布式能源国产燃气轮机应用的示范项目，致力于通过互联网+模式实现区域多用户负荷协同智能控制，构建工业型分布式能源技术与智慧能源产业服务平台。

1.2 分布式能源系统配置

老港工业园区分布式能源站主要包括了5台2 MW国产航改燃机发电机组QDR20和5台7 t/h烟气余热蒸汽锅炉、1台20 t/h备用天然气蒸汽锅炉、2台4 t/h调峰天然气蒸汽锅炉、1台120 m3蒸汽蓄能器和辅助系统等。总发电装机容量10 MW，余热锅炉蒸汽总产量35 t/h，能源站最大蒸汽供应能力63 t/h。燃气由一路次高压市政燃气管道和一座30 m3的液化天然气(LNG)备用站供应。能源站所发电力通过10/35 kV升压变升压后以上网方式出售给电网公司。

2015年12月底，12家、25台(套)燃煤锅炉如期实现清洁能源替代，至今运营良好，项目的实施同时实现了蒸汽、电力、水等的集中供应，提高了能源站之间的电力运输安全性。通过本示范项目应用的国产航改燃机的工业园区天然气分布式能源站运行经济性的影响分析，为国产航改燃机在分布式能源系统应用提供借鉴。

2 能源站运行方案分析

2.1 航改燃机与燃气锅炉能效分析

(1) QDR20航改燃机性能参数。72 h满负荷运行试验数据如表1所示。

表1 燃机72 h运行实测数据

航改燃机实测发电效率为19.14%，一次能源利用率79%(其中热力除氧回收热量635.11 kW)。

(2)燃气锅炉性能参数。统计三班(每班12 h)平均运行数据如表2所示。

表2 燃气锅炉运行实测数据

(3)航改燃机与燃气锅炉运行经济性分析。航改燃机与燃气锅炉运行数据对比分析见表3。

表3 航改燃机与燃气锅炉对比技术结果

航改燃机发电系统与燃气蒸汽锅炉相比，一次能源利用效率偏低，但分布式能源系统将一次能源转化成高品质的电能。对用户而言，高品质电能产生的收益高于因一次能源利用率低导致的损失，更多地运行分布式能源系统并且使航改燃机运行在较高的负荷状态下，能源站收益更好。

2.2 多种运行方案的对比分析

根据目前蒸汽需求量情况，能源站主要的运行方案有方案一(2台燃机+1台4 t锅炉)、方案二(2台燃机+1台20 t锅炉)和方案三(1台燃机+1台20 t锅炉)三种。通过三种运行方案的实测数据对比分析，在不同蒸汽需求量的情况下，能源站日收益(仅考虑能源成本)如图1所示。

图1 三种运行方案能源站日收益图

由图1可知，当日蒸汽销售量大于173 t时，方案一、方案二优于方案三。目前，日蒸汽销售量基本维持在该量级，因此会出现方案一与方案二日收益相当的情况。鉴于余热锅炉低温烟气余热回收用于除氧器加热，能够提供燃气锅炉的给水温度，优先运行方案二。

图2为一段时间内日收益与蒸汽销售量的关系图。由图2表明，日蒸汽销售量75 t是能源站具有收益的平衡点。

表6 冬季进风预热对经济性影响分析

图2 日收益与蒸汽销售量关系图

2.3 蒸汽过热对管网损耗影响

5台航改燃机发电机组配套的余热蒸汽锅炉有2台蒸汽过热度设计约70℃，3台蒸汽过热度设计约40℃；20 t蒸汽锅炉过热度设计为30℃，两台4 t蒸汽锅炉无过热度设计。蒸汽管网分为东线、西线和南线，现以东线管网为例分析蒸汽过热度对管损的影响。

(1)东线蒸汽管网设计指标。根据设计参数模拟：在不同工况下，东线的管损量为0.8 t/h，每班正常损耗量为9.6t。模拟计算结果见图3。

图3 东线蒸汽管网模拟计算损耗

(2)蒸汽无过热度损耗分析。选取三个时间段东线管网运行数据，实测东线损耗数据见表4。

表4 蒸汽无过热度东线管网损耗

(3)过热蒸汽东线管网损耗分析。东线蒸汽过热度提高50℃后，实测东线损耗数据见表5。

表5 过热蒸汽东线管网损耗

通过分析发现，蒸汽过热度对降低管网损耗至关重要。因此，优先运行高过热度的航改燃机发电机组。

2.4 冬季航改燃机进风预热对系统经济性的影响分析

为改善冬季航改燃机发电机组运行环境，本项目航改燃机进风系统增加低温烟气余热回收加热进风装置。通过实测数据分析冬季航改燃机进风预热对系统经济性的影响。

通过分析可知，冬季提高航改燃机发电机组进风温度，能够有效提高单位燃气的收益。

3 结语

基于国产航改燃机的工业园区分布式能源站运行方案影响要素较多，有基于经济性的运行方案、基于能源供应安全的运行方案、基本负荷保障的运行方案等。本文重点分析了基于能源站经济性的运行方案。经济型运行方案需要考虑的因素较多，如能源价格、设备效率、燃机频繁启动、蓄能器调节、蒸汽过热度、环境参数和补贴考核指标等。因国产航改燃机的工业区分布式能源站在国内案例较少并且缺乏长期的运行数据和经验，还需更多的专业人员通过更多数据积累分析总结更高效、更经济的运行方案，从而促进国产航改燃机在工业园区分布式能源系统的推广应用。

OperationProgrammeAnalysisofIndustrialParkDistributedEnergyStationBasedonDomesticAeroderivativeGasTurbine

PAN Zhiyong1, LIU Huiping2, HUANG Feng1, XUE Fei1

(1. Shanghai Tongqi New Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201399, China; 2. Shanghai Institute of Development and Reform, Shanghai 200032, China)

China has already turned distributed energy (DE) from trial into practice. However, the localization process of mid/small sized gas turbine is a bottleneck in recent decades. Yet, the application of new-type Chinese-made aircraft engine can be used to solve the problem. This research paper is based on the pilot project of the first industrial park using Chinese-made aeroderivative gas turbine powered by natural gas DE system. Different factors are compared to measure the economic impact on the DE System, including energy utilization ratio, combinations of several equipment, abnormal temperature of steam and gas turbine intake air preheating, etc. The research aims to enhance the future design of DE system for industrial park.

distributed energy；aeroderivative gas turbine; industrial park

10.11973/dlyny201705022

上海市科委“科技创新行动计划”攻关项目(15DZ1201300)。

潘志勇(1982—)，男，硕士，副总经理，从事分布式能源项目开发、建设与运行管理工作。

TM61

A

2095-1256(2017)05-0590-04

2017-08-02

(本文编辑：赵艳粉)