微燃机分布式系统在洗涤行业内的应用

上海新奥燃气发展有限公司 王 悦

为响应国家节能减排政策，推进上海市低碳园区建设，促进区域节能减排工作，新奥集团与上海某洗涤企业合作，积极推广清洁能源设备利用。本文以该企业内新建1台新奥动力E390微燃机，配套1台2 t/h的余热锅炉项目为范例，通过对原有能源供应系统的更改和优化，达到提高供能系统效率、降低单位产品能耗的目的。后期还计划对生产过程中的能耗进行计量，以实现供能系统的能量优化与低碳改造。

1 项目背景

本项目开展过程中，首先对上海某洗涤企业内用能负荷情况进行了详细调研，目的是确保分布式供能系统经济性最高。分布式供能系统是否可以正常运行，负荷分析是基础。首要考虑分布式供能系统的经济性，要实现最优的经济指标，需尽可能让核心系统持续、高负荷运行以发挥其节能效益。机组选择过小，虽然能保证持续，但是失去了规模效益；机组选择过大，运行负荷率低，能源利用率不高，经济性也大打折扣。

根据本项目电力和蒸汽负荷情况，分布式供能系统采取“以电定热、并网不上网”的原则，通过新建1台新奥动力E390微燃机，配套1台2 t/h的余热锅炉替代原有的天然气锅炉系统，包含燃气微燃机发电系统、余热回收利用系统、冷却水系统及整个项目的自动控制系统。保证厂区内基本能源供应，并对原有蒸汽发生器系统进行托管，作为补充能源系统。对整个工艺过程采用优化后的运行方案，最终实现生产高效、平稳、安全、节能的运行。

2 客户能耗调研

通过采用人工逐时记录、实时拍照等数据采集手段对上海某洗涤企业内用能负荷情况进行了详细调研，该洗涤企业使用的主要能源为电与天然气。

2.1 用能现状

某洗涤企业2020年初有2条隧道式洗涤龙生产线(每条生产线2 min能处理50 kg洗涤物)、20余台工业洗衣机以及贯穿式烘干箱(6台热风烘干箱、1台蒸汽烘干箱)及若干烫平机，日高峰处理能力可达70 t。公司生产为两班制，因行业特点，生产时间主要为 16：00～次日 8：00，目前工作时间已延长至20 h。

2020年底该企业增加了2条生产线，用能设备中增加了5台贯穿式烘干箱，同时将原天然气热风直燃烘干逐步改造为蒸汽烘干。考虑到夜班工人的招聘难度，计划于 2023年底将生产时间调整为6:00～24:00，工作时间相应被调整为18 h。2020－2021年企业年能源消耗量对比见表1。

表1 某洗涤企业年能源消耗量

2.1.1 电力负荷分析

企业电力供应采用10 kV进线，设置800 kVA变压器1台，旺季电力日耗量为6 000 kW·h(三班制，工作时间20 h)，淡季电力日耗量为4 000 kW·h(双班制，工作时间16 h)，日均负荷波动为250～300 kW，峰、平、谷电量比例约为29%、29%、42%。

因厂区内无能耗负荷逐时历史数据，项目实施过程中选定2020年某日和2021年某日为调研日。对厂区内电力负荷进行了人工逐时记录，根据微燃机 E390的系统参数，得到选定调研日其电力逐时负荷曲线。

选定调研日逐时电力负荷曲线如图1所示。

图1 选定调研日逐时电力负荷曲线

2.1.2 蒸汽负荷分析

目前厂区内的蒸汽供应，采用 3台功率为720 kW的蒸汽发生器，主要用能末端为80℃热水洗涤、烘干和熨烫。同步天然气抄表数据后可以看出：蒸汽发生器天然气日均用量约2 200 m3，软水日均用量为25 t。

选定调研日的逐时蒸汽负荷曲线如图2所示。

图2 选定调研日逐时蒸汽负荷曲线

2.2 系统工艺流程

天然气经微燃机组发出电力，该电力与厂区内变压器下400 V母线并网，微燃机烟气经余热锅炉产生蒸汽，该蒸汽并入厂区原有锅炉房分汽缸。微燃机分布式系统满足厂区内部分电力和蒸汽的需求，不足部分由市电和蒸汽发生器进行补充。微燃机分布式能源系统工艺流程，如图3所示。

图3 微燃机分布式能源系统工艺流程

2.3 系统场地布置

微燃机分布式系统布置于原有锅炉房内或周边，以便于天然气和蒸汽管网的接入。根据现场条件，微燃机分布式系统有两种布置方式，建筑及主要设备相关尺寸参数已在图中简略标出。

方式一：拆除原废旧锅炉，微燃机布置于锅炉房旁边过道，余热锅炉放置于原锅炉房内，如图4所示。

图4 微燃机分布式系统场地布置(方式一)

方式二：拆除锅炉房后面临时用房，微燃机和余热锅炉平行布置于围墙处，如图5所示。

图5 微燃机分布式系统场地布置(方式二)

2.4 微燃机分布式系统构成要素

微燃机分布式系统主要由燃气发电系统、余热利用系统、烟气系统、给水系统、排污系统五大系统构成。

2.4.1 燃气发电系统

根据能源综合利用、环境保护的要求，结合当地实际情况和企业需求，微燃机需配套余热回收等相关设备。微燃机分布式系统主要设备参数见表2。

表2 微燃机分布式系统主要设备参数

微燃机是燃气轮机的一种。燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质，带动叶轮高速旋转，将燃料燃烧释放的热能转变为有用功的动力机械，其主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部件组成。微型燃气轮机(简称微燃机)通常是指功率在1 MW以内的燃气轮机。微燃机采用布雷顿循环，空气过滤后首先进入压气机压缩，压缩后的高压空气直接进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后的高温高压气体进入涡轮膨胀做功，并带动发电机发电，排出的高温烟气可接入余热利用设备，以达到能源的阶梯利用。

2.4.2 余热利用系统

微燃机排烟约为609 ℃，常见的微燃机分布式系统工艺流程有微燃机与余热锅炉(换热器)的直接连接、微燃机与回热器的直接连接两种形式。表 1所示的 1台余热锅炉主要技术参数如下：流量为2.18 t/h，压力为0.8 MPa，饱和蒸汽温度为175 ℃。

充分考虑具体的余热利用工艺和建筑物冷、热、生活热水负荷需求等因素的影响，再根据本项目特点，同时考虑用户用能需求为加热锅炉给水产生0.8 MPa饱和蒸汽，因此微燃机系统内考虑使用余热锅炉，以达到较高的余热利用率。

2.4.3 烟气系统

从微燃机出口排出的高温烟气经烟道输送进入余热锅炉，在余热锅炉内与水进行热量交换，锅炉水被加热后产生高温蒸汽，烟气温度相应地被降低。换热后的烟气经烟囱排放，烟囱高度8 m，满足当地环保部门要求。

2.4.4 给水系统

给水系统包括给水泵、阀门、操作平台等，设置软水器1台、软化水箱1座、给水泵2台(1台运行1台备用，单台给水泵的流量按锅炉最大连续蒸发量的110%选择，给水泵可由锅炉厂家配套)。市政自来水进入软水器，软化后储存于软化水箱，经给水泵加压后进入余热锅炉。

2.4.5 排污系统

锅炉的排污包括连续排污和排污降温池，排污水通入排污降温池降温后再排入厂区污水系统。

3 项目经济性及减排效果

经初步测算，该洗涤企业使用微燃机分布式系统，每年需耗用184.68万m3天然气，天然气费用为515.26万元，同时产生发电收益131.27万元，蒸汽收入424.07万元，年节约运行费用为40.18万元。相对于“市电＋燃气锅炉”的传统系统，微燃机分布式系统每年可节约标煤61.20 t，减排二氧化碳159.08 t。

3.1 年运行费用及收益

本微燃机分布式系统总投资为385万元，包括微燃机整体、余热锅炉、辅助系统等投资费用。建设微燃机分布式系统可以节省蒸汽发生器投资费用、运行人员费用、项目运行费用(可托管经营原有蒸汽发生器作为补充和备用)。

根据客户生产特点，微燃机分布式系统全年运行360 d，每天运行24 h，年运行参数及费用见表3。

表3 年运行参数及费用(机组采用新奥动力E390)

3.2 减排效果

传统系统(市电+锅炉)和微燃机分布式系统(微燃机+余热锅炉)的耗能量对比见表4，计算后可知微燃机分布式系统比传统系统每年可节约标煤61.20 t。

表4 分布式系统与传统系统耗能量对比

上海市供电煤耗一般为300 g/kW·h，燃烧1 t标准煤后的各种排放物量分别为 CO22.6 t，SO224 kg，NOx7 kg，粉尘10 kg，计算后可得出传统系统和微燃机分布式系统的各种排放物总量及减排量见表5，其中CO2的年减排量为159.12 t。

表5 分布式系统与传统系统年减排量对比 t

4 结语

上海某洗涤企业通过新建微燃机分布式系统来替代传统供能系统，可节约运行成本和减少CO2排放量，符合国家节能减排政策，实现了清洁生产。项目研究中还发现，气电价格比对年可节约运行成本影响较大。在当前电价和气价的条件下，该洗涤企业每年可节约运行成本 40.18万元。有关研究[1]表明：当电价为0.536元/ kW·h、燃气价格为3.973元/m3、气电比为7.4时，年节约运行成本26.84万元。本项目中气电比为5.8，年节约运行成本40.18万元。对照后可以看出气电比越小，年可节约运行成本就越多。