_燃气内燃机与燃气轮机分布式供能系统的对比分析

1、第41卷第2期2013年2 月Vol41No2 Feb2013燃气内燃机与燃气轮机分布式供能系统的对比分析马琴1,郭鹏1,张梅有2,徐二树1,李俊强3(1华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京,102206;2宁夏电力公司教育培训中心,银川750002;3上海电力学院能源与环境工程学院,上海200092摘要:分别采用燃气内燃机和燃气轮机发电机组为主机,结合逐时负荷特性,提出2套分布式供能系统方案,并对供能系统在能源利用率、节能减排和经济性方面进行分析比较。研究表明,天然气价格对各供能系统收益率的影响最大,其次为电价、资产投资,而售冷价格和售热价格的影响相对较小。燃气内燃机供能系统在区域型用户

2、负荷热电比小的应用场合比燃气轮机供能系统更具优势,且与燃气轮机供能系统相比,燃气内燃机供能系统具有较高的项目抗风险能力,对分布式供能系统技术选择和方案配置具有一定的参考价值。关键词:燃气内燃机;燃气轮机;节能减排;能源利用率;经济性作者简介:马琴(1986-,女,硕士,研究方向为区域性分布式供能系统设计与运行优化。中图分类号:TK47文献标志码:A文章编号:1001-9529(201302-0270-05Comparative Analysis of Gas Engine and Gas Turbine Distributed Energy Supply SystemMA QIN1,GUO P

3、eng1,ZHANG Mei-you2,XU Er-shu1,LI Jun-qiang3 (1School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing102206,China;2Education and Training Center,Ningxia Electric Power Company,Yinchuan750002,China;3School of Energy and Environment Engineering,Shanghai Univers

4、ity of Electric Power,Shanghai200092,ChinaAbstract:Two sets of distributed energy supply systems are presented by using the gas engine and gas turbine units as the main generators,and combining with the hourly load characteristics,and their respective energy efficiency,ener-gy saving and emission re

5、duction and economy are comparedResearch shows that the price of natural gas yields the greatest impact on both the energy systems,followed by electricity price and asset investment,but cold and hot selling price produces minor influenceGas engine energy supply system has more advantages in regions

6、with lower user load heat/power ratio,and has higher project anti-risk capabilityThe research results can provide reference to the techni-cal selection and scheme configuration of distributed energy supply systemKey words:gas engine;gas turbine;energy saving and emission reduction;energy efficiency;

7、economy在当前节能减排和能源结构调整的形势推动下,燃气冷热电三联供作为一种同时满足用户冷热电需求的新型分布式能源技术,在国内得到了大力推广和广泛应用,我国天然气产业的高速发展和普及也为这种技术的全面应用提供了可靠的保证。采用分布式供能系统有利于平衡各不同功能区域的用能需求,提高供能安全和经济性。对于不同建筑类型的用户,配置出合理的供能系统是分布式供能系统成功的关键因素之一,其中主机作为系统的核心装置,其热电输出特性直接影响整个系统的性能1。目前用于燃气冷、热、电三联供系统的发电机组主要有小型燃气轮发电机组及燃气内燃发电机组。在分布式供能系统中,存在两种主机的比较和选择。本文以某园区的实际

8、负荷为依据,根据供能系统不同的配置方式,讨论了燃气轮机与燃气内燃机分布式供能系统,并对比分析了两种系统的经济可行性。1燃气轮机与燃气内燃机分布式供能系统的工作原理分布式供能系统的基本原理是温度对口、梯级利用。首先洁净的天然气在燃气发电设备内燃烧产生高温高压的气体用于发电做功,产出高品位的电能。发电做功后的中温段气体通过余热回收装置回收利用,用来制冷、供暖,其后低温段的烟气可以通过再次换热供生活热水后排放。通过对能源的梯级利用,充分利用了一次能源,提高了系统综合能源利用率。马琴,等燃气内燃机与燃气轮机分布式供能系统的对比分析0271在分布式能源系统的设计中,应使发电设备 的选型与建筑负荷及热电比

9、相匹配。其园区基本负荷见表1。园区全年的热电比逐时变化曲线如图1所示,热电比延时曲线较为平缓,其中有约1250h 的热电比大于2,约3500h 的热电比在1 2之间,接近4000h 的热电比小于1,因此大部分时间的热电比较小。燃气轮发电机组多应用于几十万m 2以上的区域供能项目,燃气内燃发电机组可应用于几万至几十万m 2 的楼宇或区域供能项目。就本园区建设规模来讲,采用燃气轮机发电机组和燃气内燃发电机组均可。本文供能系统模型的建立借鉴了文献1-3中的分布式供能系统的基本设计思想。表1园区热、冷、电负荷负荷名称采暖热负荷制冷负荷电负荷年负荷/MW106810261043 针对本项目的具体特点,经

10、过详细的计算分析,最终确定采用发电上网方案,系统所发电力优先满足能源站内的自耗电,多余的电力通过升压变为110kV 出线送至园区域外的市中220kV 变电站或新规划的区域220kV 变电站。发电上网方案主要考虑主能源站范围的系统投资,不考虑区域内的能源输配系统(制冷换热站、变配电站、冷热网、电网。发电上网能源系统见图2。 图1全年的热电比延时变化曲线综上所述,考虑到本项目园区负荷的特点,燃气供应情况、供能系统供冷、热、电能特点以及考虑减少项目建设投资等各方面因素,本文中将分别就燃气轮机和内燃发电机组展开研究。2燃气轮机与燃气内燃机分布式供能系统21燃气轮机分布式供能系统燃气轮机供能系统如图3所

11、示。燃气轮机+双压无补燃自然循环余热锅炉+单轴抽凝式蒸汽轮发电机组,组成“一拖一”的燃气蒸汽联合循图2发电上网能源系统示意图环机组。为确保供能的安全性与可靠性,另设辅助调峰锅炉。表2为燃气轮机供能系统主要设备及技术参数。图3燃气轮机供能系统表2燃气轮机供能系统主要设备及技术参数台名称技术参数数量燃气轮机GE (LM2500+G4发电量31910kW ;发电效率378%2余热锅炉高压蒸汽:48MPa ,404t /h ,492低压蒸汽:06MPa ,5t /h ,2552汽轮机发电量11000kW2燃气热水锅炉额定吹水压力:125MPa ,额定出水温度130,额定进水温度70。3汽水换热器额定供

12、热量:55MW2水水换热器额定换热量:20MW2高温高压气体在燃气轮机内做功带动发电机发电,做功后的烟气排向余热锅炉,余热锅炉产生的高品位蒸汽首先在汽轮机内做功,转化为高品位的电能,然后按照压力对等的原则,在汽轮机的低压段开取一级抽汽口,抽汽供热。本项目只需要提供一种参数的蒸汽,且蒸汽与余热锅炉低压段产生的低压蒸汽参数相差不大,因此余热锅炉低压段产生的低压蒸汽将优先供与厂区换热器换热向外供能。园区热源以汽轮机产生的蒸汽在能源站内换热成130热水,外供热水供能,采用的汽轮机调整抽汽参数为06MPa ,200。22燃气内燃机分布式供能系统02722013,41(2 燃气内燃机供能系统如图4所示:燃

13、气内燃机+板式换热器+余热型热水锅炉+燃气热水锅炉,燃气内燃机组与余热型热水锅炉形成二对一的关系。具体主设备配置参数见表3。 图4燃气内燃机供能系统表3燃气内燃机供能系统主要设备及技术参数台设备名称技术参数数量燃气内燃发电机组发电功率9730kW ,发电效率463%8余热热水锅炉换热量:9400kW ,出水温度1304燃气热水锅炉额定热功率14MW ,风机电功率55kW4板式换热器(缸套水用换热量:2000kW16燃气内燃机的余热主要有两部分:烟气余热和缸套水余热,整个外网设计的供回水温度为130/70。首先70左右的一次热网回水通过缸套水板换与95左右的缸套水换热,提温后的一次热网回水进入余

14、热型热水锅炉中与发电机排出的400左右的高温烟气进行换热后,将其供水温度提高至130再次送入一次热网供水中。燃气轮机和燃气内燃机分布式供能系统,满足冬季采暖的全部负荷需求和部分的夏季制冷负荷需求。所发电力优先用于供能系统内的自耗电,多余的电力上网售电,其发电余热售给热力公司或其他运营公司。发电余热冬季用于园区区域内采暖,不足的热由能源站内的调峰锅炉解决;夏季用于运营公司在区域内选择优质的冷用户进行集中供冷的溴化锂机组的热源水,其他区域的冷需求由运行公司或用户端自己解决;过渡季节用于发电。在夏季制冷工况下,优先利用供能系统内发电余热产生130的高温热水送至制冷换热站内的热水型溴化锂机组进行制冷,

15、其基本原则是调峰锅炉不开启,余热满足区域部分建筑的冷负荷需求。在冬季供热工况下,优先利用供能系统内发电余热产生130的高温热水送至制冷换热站内的热水型溴化锂机组进行供热,余热不能满足用户端热负荷需求时,通过开启燃气热水锅炉进行调峰供暖。3燃气轮机与燃气内燃机分布式供能系统的经济性分析燃气轮机和燃气内燃机供能系统具有效率高、能耗低、安全可靠性高、低排放的特点,是提高能源利用率和节能减排的重要措施。但是否采用这种供能方式却通常取决于其经济性。经济性分析采取的评价指标为一次能源利用效率、一次能源节约率、系统投资回收期4-7。31经济性分析评价指标(1一次能源利用率cc =P e 36+Q E N B

16、 41868(1式中P e 供能系统的发电量;N 供能系统的天燃气耗量;B 天然气热值;Q E 系统年输出有用热量和系统年冷量输出所需热量之和。(2一次能源节约率q =Q GS Q CCHPQ GS (2(3一次能源减排率q CO 2=Q GS CO 2Q CCHP CO2Q GS CO2(3式中Q GS 常规系统“燃煤电厂+电制冷机+燃气锅炉”一次能源消耗量;Q CCHP 分布式供能系统的一次能源消耗量。据统计,2008年全国6MW 以上电厂发电标准煤耗为322g /(kW ·h 。分布式供能系统燃气锅炉效率取为89%,电制冷机的COP 取为35。(4投资回收期投资回收期的长短主要

17、取决于总投资和年收益的大小,是系统总投资与年收益的比值。其中,年收益是指分布式供能系统提供冷、热、电能的年收入减去运行维护费用,总投资主要包括设备购置费和安装费用等。32供能系统经济性及节能减排比较(1供能系统经济性比较只有将热力性能参数与经济性分析结合起来,才能准确得到分布式供能系统的经济性信息。从表4可以看出,燃气轮机系统采用燃气蒸马琴,等燃气内燃机与燃气轮机分布式供能系统的对比分析0273汽联合循环其发电量高于燃气内燃机系统,但是余热利用率低于燃气内燃机,因此在一次能源利用率上燃气内燃机系统高出燃气轮机系统686个百分点。由于本项目热电比较小,燃气内燃机的节能性占优势。虽然燃气内燃机系统

18、投资较高,但是其节能效果明显,运行费用与燃气轮机系统相比较低,因此在投资回收期上两者相差不大。表4燃气轮机和燃气内燃机供能系统的比较1内容燃气轮机供能系统内燃机供能系统年供电量/MW·h347448315522年供热量Q E/MW·h296561296561余热供热量/MW·h233315245484燃气耗量/万m39128080022一次能源利用率/%714783运行费用/万元243009223761总投资/万元5100061500投资回收期/a105107注:1天然气价格(含税25元/m3。(2供能系统节能减排比较分布式供能系统其较高的发电效率实现了较低的一次

19、能源消耗,再结合余热利用,能够实现多方面的节能效益。分布式供能系统采用的燃料为天然气,由于本身的清洁性,使污染物的排放水平大大降低。与传统的“燃煤电厂+电制冷机+燃气锅炉”模式相比,采用分布式供能系统的节能减排量如表5、表6所示。表5各分布式供能系统能耗量分项名称燃气轮机供能系统内燃机供能系统常规系统/t15285791425811联供系统/t1109829972944节能率/%274318表6各供能系统污染物排放量方案分项名称CO2SO2NO x TSP燃气轮机供能系统常规方式/t3379308392458876077供能系统排放/t178*5减排率/%471100801100内燃机供能系统

20、常规方式/t3129497621429869086供能系统排放/t1568430104004减排率/%499100758100分布式能源在节能减排方面有明显的优势,以上各供能比较中内燃机系统节约燃料折合成标煤为45万t,节能率为318%,CO2的减排率499%,SO2的减排率100%,NO x的减排率75.8%,粉尘污染物减排率100%,其节能率最高,效果最明显,但是其NO x排放量较燃气轮机系统略高。4投资回收年限随天然气价格变化灵敏度分析分布式供能系统在具体应用中受以下主要因素的影响:天然气价格、电价、售冷价格、售热价格、固定资产投资。从图5可以看出,在基准收益率均为8%时,天然气价格对各

21、方案收益率的影响最大,其次为电价、资产投资,而售冷价格和售热价格的影响相对较小 。图5 分布式供能系统敏感性示意图图6各供能系统投资回收期随燃料价格变化曲线根据供能系统不同,其投资回收期随燃料价格(含税,下同不同,灵敏度也不同(见图6。图6中实线为内燃机供能系统,虚线为燃气轮机供能系统。两个供能系统的回收期年限都随着天然气价格的增长而增加,在天然气价格为25元/m3之前,燃气轮机系统的回收期明显短于内燃机系统,燃气轮机系统经济性较好。当天然气价格超过25元/m3时,内燃机系统回收期短于燃气轮机系统,表现出较好的经济性。对于燃气轮机供能系统,当天然气价格超过2789元/m3时,其每年的收益为负,

22、无法回收成本。而对于内燃机供能系统,当天然气价格超过3021元/m3时,其每年的收益为负,无法回收成本。这说明,后者比前者具有较高的项目抗风险能力。天然气价格超过25元/m3后再继续增加,电价不变的情况下,燃气轮机系统发电量高,就发挥不出02742013,41(2 优势,余热利用率小,其回收期增加越快,越不经济。相反,燃气内燃机系统在天然气价格超过25元/m 3后再继续增加,由于其更好的节能效果,运行费用低于燃气轮机系统,经济性较好。5结语本文对燃气内燃机和燃气轮机在区域型用户负荷热电比小的应用场合,进行了分布式供能系统的配置提出发电上网方案,并对供能系统在能源利用率、节能减排和经济效益方面进

23、行了分析比较,得出如下结论:(1在用户负荷热电比小的应用场合,燃气内燃机供能系统比燃气轮机供能系统更具优势,并且燃气内燃机供能系统相比,具有较高的项目抗风险能力。(2内燃机系统节约燃料折合成标煤为45万t ,节能率为318%,CO 2的减排率499%,一次能源利用率7825%。分别高于燃气轮机系统44、28和686个百分点,其节能减排和能源利用率上效果显著。但是其NO x 排放量较燃气轮机系统高出43个百分点,NO x 排放量略高。(3天然气价格对各方案收益率的影响最大,其次为电价、资产投资,而售冷价格和售热价格的影响相对较小。(4在天然气价格为25元m 3之前,燃气轮机系统的回收期明显短于内

24、燃机系统,燃气轮机系统经济性较好。当天然气价格超过25元/m 3后,内燃机系统回收期短于燃气轮机系统,表现出较好的经济性。参考文献:1糜华,岳永亮,康相玖冷热电联供系统设计应用中的问题探讨J 制冷技术,2005(04:905-910MI Hua ,YUE Yong-liang ,KANG Xiang-jiuDiscussion on design and application of combined cooling heating and power generation system J Chinese Journal of Refrigeration Tech-nology ,2005(

25、04:905-9102MAIDMENT G G ,ZHAO X ,RIFFAT S BCombined cooling and heating u-sing a gas engine in a supermarket J Ap-plied Energy ,2001(68:321-3353印佳敏分布式联产供能系统的技术方案设计J 广州电力,2012,25(1:51-53YIN Jia-minDesign of technical proposal for distributed gen-eration system J Guangdong Electric Power ,2012,25(1:51-534冯志兵,金红光燃气轮机冷热电联产系统技术与经济性分析J 热能动力工程,2005,20(4:425-429FENG Zhi-bing ,JIN Hong-GuangTechnology of gas turbine tri-generation (cooling ,heating and electric power system and its economic analysis J Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ,2005,20(4:425-4295邓建,王如竹,吴静怡,等微型冷热电