浅析天然气分布式供能在工业企业的应用

李超 许明艳

1.上海金山天然气有限公司2.上海东冠纸业有限公司

0 项目概述

上海东冠纸业有限公司位于上海市金山工业区，该企业年产各类原纸约14万t，生产所使用的蒸汽以外部采购为主。为落实国务院大气污染防治行动计划关于减少分散燃煤优化能源结构和改善空气环境质量的要求，上海市政府颁布了《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》（沪府办发[2013]66号文），《实施意见》提出，2017年底全市完成集中供热和热电联产锅炉的清洁能源替代。上海东冠纸业有限公司结合企业自身发展需求，在煤改气后在外部供汽成本大幅上涨的前提下，自行建设两套燃气轮机和两台余热锅炉以满足生产用汽需求。

1 项目建设规模及参数

1.1 系统及设备

新建2台8 000kW等级的燃气轮机发电机组，燃机的机型为株洲-西门子公司生产的SGT-300。配套建设 1台 20t/h、和1台 30t/h（带10t/h补燃）的余热锅炉，余热锅炉蒸汽压力为1.8MPa，温度为230℃。项目建成后将作为上海东冠纸业有限公司的热源。

项目辅助系统：化水系统、循环冷却水系统、燃气增压系统、并网保护系统、调度自动化系统、通讯系统和电度计量系统等。利用天然气发电并同时回收发动机的余热，所产蒸汽全部用于厂内生产、生活用汽。2台天然气锅炉作为备用热源，当燃气轮机或余热锅炉停运或检修时，开启天然气锅炉以满足用户的热负荷需求。所发电力采取“自发自用，余电上网”的原则，以10kV电压等级接入企业内部电网。

1.2 参数及流程

本工程设计的供热蒸汽参数：蒸汽压力为1.8MPa，蒸汽温度为230℃，热负荷（蒸汽）为46.65t/h，全年供汽总量36.8万t。分布式供能系统供热管线接至站址内蒸汽间的分气缸中，然后分别送入各工艺车间。全年平均用汽量为32.46 t/h（含10 t/h补燃备用）。

2 负荷分析

2.1 热负荷

由图2-1可见，1月份蒸汽消耗最高，约为27 457t,2月份最低，约为16 437t。总体而言，夏季热负荷需求相对较低，6月-8月为20 000t～22 000t，除2月份及夏季外，其余各月的月平均用汽量在24 000t～27 500t之间，平均用汽量25 660t。全年月平均用气量为23 738t，全年用气总量284 800t。

图2 -1 2014年月平均用气量

由于用热为24h连续使用，小时用汽量波动幅度较小，变化趋势与月用汽量变化一致。由图2-2可知，2014年1月平均小时用汽量最大，达36.9 t/h，2月和夏季3个月平均小时用汽量较小，其余各月的平均小时用汽量均衡。按全年8 760 h运行，全年平均小时用汽量为32.46 t/h。

图2 -2 2014年月小时平均用气量

由图2-3的热负荷延时曲线可见，全年热负荷大于 24.5t/h，最大值约为 38.5t/h。热负荷大于24t/h的时间约8 600h左右，大于31t/h的时间为6 000h左右，大于35t/h的时间超过3 500 h，全年热负荷比较平稳，负荷差别较小。

图2 -3热负荷延时曲线

2.2 电负荷

由图2-4和图2-5可见，全年月平均用电量为765.38万 kWh，全年用电总量为9 184.57万kWh。年均小时用电负荷为10 470 kW，各小时用电负荷变化趋势线与蒸汽相似，1月电力负荷最高，达13 254kW；2月最小，用电负荷为8 279kW，3月和4月出现大幅增长，约为11 200kW，4月-8月逐步递减，8月达到最小值，为8 178kW。自9月开始逐步回升，11月达到最大值，为12 470kW，12月份出现小幅度降低。

图2 -4 2014年月平均用电量

图2 -5 2014年月小时平均用电量

3 燃料来源

按本工程能源站机组配置型式，供燃气轮机所需天然气为高压燃气。由上海金山天然气公司提供天然气，气源主管道距东冠纸业厂区约1 km，管道直径为 500mm，天然气压力为 0.4 MPa～0.8MPa。进入厂区的支管道直径为200mm，经计量站后送至调压站供给燃气轮机。

3.1 燃气轮机+余热锅炉部分

天然气气源（0.4MPa～0.8MPa）经过增压机系统升压至2.7MPa送入燃气轮机燃烧室，与送入燃气轮机压气室增压后的空气混合后燃烧，产生的烟气驱动燃气透平做功，带动发电机发电。燃气轮机的546.1℃高温排烟送至余热锅炉，加热锅炉给水产生过热蒸汽，蒸汽参数为1.8MPa，230℃，然后进入蒸汽母管，经分汽站分别送至各生产车间。

3.2 天然气锅炉部分

天然气（0.4MPa～0.8MPa）经调压系统减压至0.06MPa送入天然气锅炉燃烧器前调压阀组，经调压阀组进一步调压后通过燃烧器与送入燃烧室的空气混合点燃，产生的高温烟气依次经过炉胆、壳体、过热器、省煤器和冷凝器对冷凝水和给水进行换热，产生参数为1.8MPa，230℃的过热蒸汽，然后接入现有母管，经分汽站分别送至各生产车间。

4 项目建设

4.1 项目主要节点进度

2017年3月30日签订SGT300西门子2台8 000kW级燃气轮机，2017年4月项目报建；10月28日设备开始安装，11月11日接到金山天然气公司“供气通知书”；12月20日16:48分第一台直燃锅炉点火成功，产汽并入蒸汽主管网，12月22日15:00第二台直燃锅炉切换成功；12月31日两台直燃锅炉正式供汽；2018年1月23日17：35燃机点火成功，1月25日23：30分首次发电并网成功。

从燃气轮机设计招标，到完成余热锅炉、增压机、天然气锅炉、化水处理、电气系统等安装及调试，历时10个月后并网成功。

4.2 项目投资

项目总投资约9 600万元，包含2台西门子8 000kW级SGT300燃气轮机、1台20t/h余热锅炉，一台30 t/h余热锅炉（含10t补燃）、2台20t/h天然气锅炉、2台燃气调压增压机、反渗透化水系统、循环水冷却系统、电气自动化系统、通讯系统、保护系统、电气控制系统、天然气外线管网铺设及红线内管网铺设及调压系统等。

5 项目运行

5.1 运行经济情况

选取2018年4月29日至5月26日时间段为例，东冠纸业天然气分布式能源站运行数据见表5-1。蒸汽价格测算见表5-2。

表5 -1 运行数据（4月29日-5月26日）

表5 -2蒸汽价格测算

5.2 系统效率评估

（1）按SGT300燃气轮机发电机组技术规范书的相关规定，2018年5月11日按照试验方案对该机组进行性能测试，测试周期为1h。相关性能数据见表5-2-1。

表5 -2-1 1#燃气轮机性能数据（温度27.5℃，1.1.2大气压，湿度46.9%）

（2）综合利用效率情况（100%负荷）：

天然气耗用：B=2 494Nm3,

蒸汽Q1=18.6t/h,

发电W=7 688 kWh

低位发热量：QL=36.21MJ/m3(状态27.5℃，1.102大气压)

式中：

v—年平均能源综合利用率（%）

I—参数3.6MJ/kWh

w—年净输出电量（kWh）

Q1—年有效余热供热总量（MJ）

Q2—年有效余热供冷总量（MJ）

B—年燃气总耗量（m3）

QL—燃气低位发热量（MJ/m3）

（3）综合利用效率情况（50%负荷）

天然气耗用：B=1 579.57Nm3,

蒸汽Q1=14.0t/h,

发电W=3 954 kWh，

低位发热量QL=36.21MJ/M3(状态27.5℃，1.102大气压)

V=(3.6＊3654+14＊2792)/(1579.57＊35.68)=92%

（4）节能效果

节能效果见表5-2-2。

项目建成后，每年可节标煤16 116t。

（5）减排效果

减排效果见表5-2-3。

项目建成后，预计每年可减排CO2约89 474t，具有较好的环境效益。

表5 -2-2节能效果

表5 -2-3减排效果

6 结语

东冠纸业是以天然气为燃料的分布式供能项目，该项目发出的电、产生的热直接供给用户使用。系统较为简单、层次少，中间能耗小。本项目既满足了企业生产的热负荷和电负荷的需求，提高了供热的可靠性，同时增加了供电系统的可靠性和安全性。天然气分布式供能系统提升了能源等级，提高了综合能源利用率，节能减排成效显著，体现了低碳环保的理念，符合国家能源与环保政策。

东冠纸业工程总投资小于9 600万元（含企业内外天然气管道及三个不同压力需求的调压系统）。系统选用2台西门子SGT300燃气轮机和2台余热锅炉配置方案，其中一台补燃，两台进口燃气增压机，2台备用天然气锅炉。系统出力与企业生产工艺的热、电负荷匹配性很好，方案合理可行，在技术上具有先进性。出于投资及运行的经济性考虑，本项目未配置余热锅炉补燃装置和调峰燃气锅炉，当分布式供能系统不能满足尖峰负荷或能源系统出现故障时，企业通过调整补燃或天然气锅炉负荷即能解决企业供能。

与项目投产前对比，能耗及减排明显，年度节约标煤 16 116t，减少 CO2排放 89 474 t，减少 SO2排放5 323 t，节能减排效果显著。

东冠纸业天然气分布式能源项目蒸汽成本小于140元/t，堪称同类项目的典范。

天然气分布式能源在工业企业，尤其是在造纸、发酵食品、橡胶、化工行业等用电、用蒸汽水平比较匹配的企业具有较大的成本和节能减排优势。