摘　要：介紹燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)配置。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組性能(性能參數(shù)、變工況特性、余熱特性、燃?xì)膺M(jìn)氣壓力)、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：分布式能源系統(tǒng)； 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組； 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組； 經(jīng)濟(jì)性

Abstract：The configuration of gas distributed energy system is introduced．The performance of gas turbine generator unit including performance parameters，variable conditions characteristics，waste heat characteristics and gas inlet pressure as well as the economy are compared with gas engine generator unit．

Keywords：distributed energy system：gas turbine generator unit；gas engine generator unit；eeonomy

 

燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱分布系統(tǒng))是指布置在用戶附近，以天然氣為主要一次能源，采用發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并利用發(fā)電余熱進(jìn)行供冷、供熱的能源系統(tǒng)^[1-11]。主要設(shè)備包括發(fā)電機(jī)組、余熱利用裝置等，作為動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電機(jī)組是分布系統(tǒng)的關(guān)鍵。

分布系統(tǒng)通常采用的發(fā)電機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱燃?xì)廨啓C(jī)組)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱內(nèi)燃機(jī)組)。燃?xì)廨啓C(jī)組是以連續(xù)流動(dòng)氣體為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力設(shè)備，包括壓氣機(jī)、燃燒室、透平、輔助設(shè)備等，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在分布系統(tǒng)中應(yīng)用的主要是發(fā)電功率范圍為25～20000kW的微型、小型燃?xì)廨啓C(jī)組。

內(nèi)燃機(jī)組是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內(nèi)部燃燒并產(chǎn)生動(dòng)力的設(shè)備，是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱機(jī)，具有體積小、熱效率高、啟動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電功率范圍為5～18000kW。美國(guó)不同規(guī)模分布系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率見表1^[12]。

 

由表1可知，對(duì)于發(fā)電功率小于1MW的分布系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)組比例較大，這是由于發(fā)電功率在1MW以下時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電效率較低，經(jīng)濟(jì)性較差，因此多選用內(nèi)燃機(jī)組。對(duì)于發(fā)電功率范圍為1～5MW的分布系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)組的數(shù)量約為內(nèi)燃機(jī)組的50％。對(duì)于發(fā)電功率大于5MW的分布系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)組比例超過(guò)內(nèi)燃機(jī)組，這是由于當(dāng)發(fā)電功率較高時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電效率較高，若進(jìn)一步采用燃?xì)廨啓C(jī)組一蒸汽聯(lián)合循環(huán)，分布系統(tǒng)的發(fā)電效率、調(diào)節(jié)靈活性、經(jīng)濟(jì)效益都將進(jìn)一步提高^[12]。

分布系統(tǒng)一般包括動(dòng)力設(shè)備(主要為發(fā)電機(jī)組)、余熱利用設(shè)備(主要為帶補(bǔ)燃的余熱鍋爐、換熱設(shè)備、帶補(bǔ)燃的吸收式冷熱水機(jī)組等)、供配電設(shè)備(主要為電控設(shè)備等)、燃?xì)夤?yīng)設(shè)備、監(jiān)控裝置等，常規(guī)配置見圖1。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)組特性、用戶需求(熱電比、冷熱負(fù)荷特性)等多方面因素合理配置分布系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)能源的高效經(jīng)濟(jì)利用。

 

動(dòng)力設(shè)備對(duì)分布系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用，其排放的余熱被下游的余熱利用設(shè)備回收利用，成為分布系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源頭。一般情況下，當(dāng)負(fù)荷主要為冷熱負(fù)荷時(shí)，余熱利用設(shè)備宜采用吸收式冷熱水機(jī)組；當(dāng)負(fù)荷主要為蒸汽或熱水負(fù)荷時(shí)，余熱利用設(shè)備宜采用余熱鍋爐及換熱設(shè)備。

①性能參數(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)組與內(nèi)燃機(jī)組熱電輸出特性將影響分布系統(tǒng)的性能，兩種品牌不同型號(hào)小型燃?xì)廨啓C(jī)組與內(nèi)燃機(jī)組的性能參數(shù)分別見表2、3。由表2、3可知，小型燃?xì)廨啓C(jī)組適用于較大規(guī)模的分布系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)組適用于較小規(guī)模的分布系統(tǒng)。相近發(fā)電功率下，內(nèi)燃機(jī)組的發(fā)電效率比小型燃?xì)廨啓C(jī)組高，但前者的排煙溫度較低。此外，與內(nèi)燃機(jī)組相比，燃?xì)廨啓C(jī)組性能受海拔和環(huán)境溫度影響較大^[13-14]，但在確定廠址的前提下，負(fù)荷變化對(duì)兩種發(fā)電機(jī)組性能的影響較為突出。

 

②變工況特性

在分布系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組常運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下，其變工況特性對(duì)分布系統(tǒng)綜合性能影響較大。以發(fā)電功率均為3MW的燃?xì)廨啓C(jī)組、內(nèi)燃機(jī)組為例，熱效率、發(fā)電效率隨負(fù)荷率的變化見圖2^[12]。由圖2可知，隨著負(fù)荷率的降低，兩種發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但內(nèi)燃機(jī)組的發(fā)電效率比燃?xì)廨啓C(jī)組高10％(絕對(duì)值)左右。燃?xì)廨啓C(jī)組的熱效率明顯高于內(nèi)燃機(jī)組，前者的熱效率隨著負(fù)荷率的降低而降低，后者的熱效率隨著負(fù)荷率的降低有上升趨勢(shì)。由以上分析可知，盡管兩種發(fā)電機(jī)組在額定工況下具有大致相同的熱電總效率(熱效率與發(fā)電效率之和)，但內(nèi)燃機(jī)組的變工況特性更優(yōu)。

 

③余熱特性

a．燃?xì)廨啓C(jī)組

微型燃?xì)廨啓C(jī)組的煙氣溫度較低，集中在300℃左右，主要用于制冷、供暖、制備生活熱水，少數(shù)情況用于生產(chǎn)低壓蒸汽。小型燃?xì)廨啓C(jī)組的煙氣溫度較高，煙氣溫度在500℃以上的機(jī)組占68.5％，煙氣溫度在450℃以上的機(jī)組占93.8％，主要用于生產(chǎn)高壓蒸汽，除直接利用及利用蒸汽型吸收式冷水機(jī)組制冷外，還可推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，組成燃?xì)廨啓C(jī)組一蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

b．內(nèi)燃機(jī)組

與燃?xì)廨啓C(jī)組的余熱全部體現(xiàn)在煙氣不同，內(nèi)燃機(jī)的余熱分為兩部分：一部分為缸套冷卻水余熱，是為保證燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)正常工作溫度，通過(guò)冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，溫度較低；另一部分為煙氣余熱，是燃料燃燒做功后煙氣攜帶的熱量，煙氣溫度基本介于微型與小型燃?xì)廨啓C(jī)組之間。由于缸套冷卻水溫度較低，主要用于供熱、制備生活熱水，煙氣可用于驅(qū)動(dòng)吸收式冷水機(jī)組及生產(chǎn)蒸汽外輸。

④燃?xì)膺M(jìn)氣壓力^[15]

一般情況下，發(fā)電機(jī)組燃?xì)膺M(jìn)氣壓力由低到高的順序?yàn)椋簝?nèi)燃機(jī)組，微型燃?xì)廨啓C(jī)組，小型燃?xì)廨啓C(jī)組。小型燃?xì)廨啓C(jī)組進(jìn)氣壓力比較大，一般為高壓或次高壓，因此需要增設(shè)燃?xì)鈮嚎s機(jī)，而燃?xì)鈮嚎s過(guò)程需要消耗大量能量，影響到小型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際輸出功率，一些項(xiàng)目甚至需要消耗小型燃?xì)廨啓C(jī)15％～20％的輸出功率。內(nèi)燃機(jī)組與微型燃?xì)廨啓C(jī)組燃?xì)膺M(jìn)氣壓力較低，通常為低壓或中壓。

目前，相同發(fā)電功率的燃?xì)廨啓C(jī)組、內(nèi)燃機(jī)組的使用壽命、大修間隔時(shí)間基本相同，內(nèi)燃機(jī)組的單位發(fā)電功率運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用略高于燃?xì)廨啓C(jī)組，但單位發(fā)電功率造價(jià)約為燃?xì)廨啓C(jī)組的50％。此外，對(duì)于具體的分布系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性還與全年負(fù)荷波動(dòng)、當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格以及環(huán)保要求等指標(biāo)有關(guān)。

為避免補(bǔ)燃和余熱排空現(xiàn)象的發(fā)生，一般根據(jù)用戶需求選擇發(fā)電機(jī)組類型和容量，從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)建筑冷熱負(fù)荷全年波動(dòng)較大，導(dǎo)致不得不采用補(bǔ)燃或余熱部分排空方式進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，分布系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性勢(shì)必受到一定影響。

左政等人^[12]以發(fā)電功率分別為1、3MW的燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)組分布系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)兩種分布系統(tǒng)在不同熱電比下的一次能源消耗量進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，對(duì)于發(fā)電功率為3MW的分布系統(tǒng)，若用戶余熱需求在兩種發(fā)電機(jī)組最大可利用余熱量之間變化時(shí)，內(nèi)燃機(jī)組分布系統(tǒng)在大部分區(qū)域比燃?xì)廨啓C(jī)組分布系統(tǒng)節(jié)能，只有當(dāng)余熱需求接近燃?xì)廨啓C(jī)組最大可利用余熱量時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)組分布系統(tǒng)才比內(nèi)燃機(jī)組分布系統(tǒng)節(jié)能。對(duì)于發(fā)電功率為1MW的分布系統(tǒng)，在任意情況下內(nèi)燃機(jī)組分布系統(tǒng)均比燃?xì)廨啓C(jī)組分布系統(tǒng)的整體性能優(yōu)。

此外，還應(yīng)考慮后期維護(hù)所需人工費(fèi)用對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響。以歐洲某品牌內(nèi)燃機(jī)組為例，外派維修人工費(fèi)用約700歐元／d。

 

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