徐达前
中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 51066
摘要：对基于燃气轮机联合循环的分布式能源站装机进行选型，以“以热定电”的方式通过热负荷分析、主机比选拟出合理装机选型方案。
关键词：分布式能源站；燃气轮机；三联供；热负荷
当下我国电力能源供应以大机组支撑的大电网为主，灵活性差。由于电力市场需求呈现季节性波动，用电需求低的季节，为维持电网运行稳定运行，大量机组需降负荷运行在低能效状态，造成能源、电力设施资源的浪费和社会整体能耗的增加。同时，电力市场对电网依赖越大，受到电网的运行稳定性影响就越大。一旦发生电网大面积故障，必然对社会经济生产活动带来极大影响。故此，西方发达国家多已形成大电网和分布式供电共存的能源格局，在重要的工业园区、城市中心功能区等能源需求常年稳定的核心区域，建成自产自销的分布式能源站，利用分布式能源系统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[1]，实现区域化的能源高效稳定供应。随着国家经济的快速发展，依据可持续发展、低碳发展的经济发展理念，高效节能的能源发展格局必然成为未来能源发展的趋势。分布式能源站的发展势头也正在市场中逐渐形成。
针对以上形势，笔者结合我国分布式能源站的发展形态，以国内某科技小镇为市场背景，构建基于燃机热电冷联产的分布式能源站装机方案分析案例，供读者参考。
1热负荷分析
近期科技小镇用热负荷需求统计如下表1：
表 1 科技小镇近期用汽负荷统计表
注：表中负荷数据均为蒸汽量，各用户有全年用热需求，是否需要全天24小时供应热源，暂不明确，负荷稳定性不明，暂按24小时考虑。
2设计热负荷
按照《热电联产项目可行性研究技术规定》的要求，热电联产项目设计热负荷的确定需要考虑以下两个主要因素：用热企业的近期热负荷及热负荷的折减系数（同时系数）。由于各用热企业生产工艺的差异，以及生产班制与检修时间安排的不同，各工业热负荷的折减系数可以取为0.7～0.9。考虑到本热电联产项目供热区域用热企业所处的特点，本项目同时率选取0.70，且思科大数据部分不考虑同时率。
电厂供热端设计热负荷和供热参数的基本原则如下：
（1）供热范围内的主管网温降设计暂按10℃/km考虑；
（2）主管压降按0.1MPa/km考虑；
（3）热负荷同时系数取0.70；
（4）暂不考虑回水。
(5) 用户端与电厂供热端焓值折减与热网散热损失相抵；
根据表1统计，考虑本项目用户端所需热负荷参数需求后，确定的对外供热最终参数见下表：
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故取57t/h为本阶段额定设计热负荷。另，考虑本项目在12月~3月只有20t/h的热负荷，接近额定供热负荷的1/3，故本项目可考虑3套供热机组，单套供热能力为18t~20t。在12~3月份，选择只投运一套机组，以保存能源站具有全年平均较高的能源综合利用效率。
3装机方案
3.1机组配置原则
本工程燃料为天然气，价格相对较高，提高电厂热效率、降低能耗就显得十分必要；另一方面国家相关政策也对分布式能源项目全厂热电比和全厂热效率有严格要求，综合以上两方面因素，选用高效率的燃气－蒸汽联合循环机组。
对于燃气－蒸汽联合循环机组，有内燃机型燃气-蒸汽联合循环和燃气轮机型燃气-蒸汽联合循环。内燃机型，优点是内燃机发电效率高，但产生高品位热源蒸汽量较少，低品位热源热水较多，更适合有对热水需求较多的楼宇式的分布式能源项目，本工程只有蒸汽负荷用户，不适合采用。故本工程选用燃气轮机型-蒸汽联合循环机组。
适合于分布式能源项目的燃气轮机按结构形式分有重型和轻型两种。重型燃气轮机为工业型燃气轮机，其特点是运行可靠、排烟温度高、余热产生蒸汽较多、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电和热电联产。轻型燃气轮机多为航改机，特点是装机快、启动快、简单循环效率高、排烟温度低、余热产生蒸汽较少，主要用于电力调峰、船舶动力等。重型和轻型燃机各有优缺点，在具体项目的应用上并无严格区分。因到本工程以供热为主，故易选用重型燃气轮机。
本工程供热参数较低，而燃气轮机排烟温度较高；如果余热锅炉通过利用燃机排气余热直接产生低参数蒸汽对外供热，这样熵损较大，也不利于高品位能源利用效率的提高。因此本工程推荐配置汽轮机，余热锅炉先产生高参数蒸汽，通过汽轮机做功后，再对外供热。
本工程采用一级供热参数，适用于本工程的汽轮机按凝汽形式可分为抽背机组和抽凝机组。抽凝机组，特点是负荷调节范围较大，但会受抽汽量比例的限制，机组一般会配置较大，系统相对复杂；抽背机组，特点是启动快、同等容量供热量大，热电比高、但负荷调节范围较小。一般来说，如果有稳定工业热负荷，则选用背压机组供热；如无，则采用抽凝机组供热。本工程工业热负荷变化大，推荐采用抽凝机组。
故，本分布式能源站暂按3套额定供热能力为3x18t/h燃气-蒸汽轮机联合循环抽凝机组进行选型。
3.2机组选型
3.2.1性能保证工况环境参数
本案以夏季制冷供热为主。故机组性能保证工况环境参数定义取夏季（最热三个月）的平均值，分别暂定为温度28°C、气压100.1KPa、相对湿度84%。
3.2.2机组选型原则
本项目的燃气轮机设备选型应考察其技术的先进性、产品的成熟性和稳定性。拟定机组的选型原则如下：
1）应综合考虑供热的安全性、稳定性、可靠性，以及机组调节的灵活性、技术上的先进性、经济上的可行性；
2）应尽可能选用高效率的燃气－蒸汽联合循环机组，以充分利用能源；
3）全年平均综合利用效率高于70%
4）热负荷具有一定的波动性，机组选型应具有适应热负荷变化的能力；
5）选择先进、成熟的标准系列产品，可靠性高，降低初投资以及运行维护成本；
6）能满足环境保护要求的低NOx排放和低噪音污染；
7）具有较佳的技术优势和价格优势；
8）单台机组故障时保障工业生产的最低需求；
9）以热定电；
根据单套机组额定供热18t/h推算，选择15MW~20MW级燃气轮机具有较高的综合能源利用效率。该等级代表燃气轮机机型有GE公司的LM1800eHP，日立公司的H15和西门子公司的SGT-500。在性能保证额定供热工况下，以上三款燃机联合循环性能对比见下表3：
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注：1.为确保气缸通流量，本阶段抽汽量按汽机高压进汽量70%考虑控制。2.表中最大抽汽供热量按机组缸体抽汽与锅炉低压蒸汽定压联供的方式实现。3.抽汽参数:10MPa（a） 200°C。
从上表可以看出，三种燃机机型以及配套的余热锅炉，均可满足本项目的平均蒸汽负荷需求18 t/h及12月~3月份单机供热20t/h的需求。鉴于SGT-500机型热效率偏低，气耗量大，不推荐采用这款机型；LM1800eHP为轻型航改机，总体热效率比重型燃机H15低，故本阶段按日立H-15型燃机“一拖一”联合循环机组考虑。
在性能保证纯凝工况下，H15燃机联合循环出力为20.739MWe,本能源站定义为3X20MW级分布式能源站，具备热电冷三联供的输出能力。
3.3机组供热可靠性分析
鉴于现场阶段供热设计负荷按最小值54t/h考虑，后期负荷需求增大的可能性较大。由表3可以看出，H15燃机联合循环机组供热范围在18~22t/h之间，可满足后期全厂热负荷66t/h的供热需求。
当一套机组出现故障停运或停机检修时，剩下的2套机组按最大抽汽供热工况运行，能够提供44t/h的供热能力，占设计热负荷的81.5%。
此外，还可以采取以下措施以满足事故工况下的供热调度：
配置1台最大蒸发22t/h启动燃气锅炉，以满热负荷增长后，单套机组故障停运的全厂满负荷供热需求；
合理地安排机组检修时间（包括将电厂检修与用热企业检修统一考虑），将机组检修时间安排在热负荷需求较小的时段（12月~3月份），为满足供热要求创造更好的条件；
结合后期负荷的发展，可进行机组扩建；。
4结语
本文通过案例分析，详细介绍了基于燃机联合循环分布式能源站的装机选型方法和过程，针对热负荷分析、主机选型及最终配合方案的可靠性进行详细介绍。对实际工程应用具有直接指导意义。
参考文献：
[1]李婧，李植鹏，肖鸣. 天然气分布式能源系统机组选型研究[J]. 中外 能 源.2017.（11）:19-25