燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置的選擇_宋泓明_圖文

1、燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置的選擇(宋泓明王明友楊智勇李炳華鄒政達Song Hongming (China Petroleum (Beijing Technology Development Co.,Ltd.,Beijing 102206,China Wang Mingyou Yang Zhiyong Li Binghua Zou Zhengda (China Construction Design International ,Beijing 100013,China 宋泓明(中石油(北京科技開發(fā)有限公司,北京市102206王明友楊智勇李炳華鄒政達(中建(北京國際設(shè)計顧問有限公司,北京市10

2、0013Selection of Generating Sets for Gas -fired Combined Cooling ,Heating and Power (CCHP Supply System燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置的選擇摘要介紹燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)不同燃氣發(fā)電裝置的分類及性能,分析比較燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置熱效率、發(fā)電效率,并根據(jù)不同負荷特性要求選擇燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置。關(guān)鍵詞燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣輪機發(fā)電裝置燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置熱效率發(fā)電效率1燃氣冷熱電三聯(lián)供簡介燃氣冷熱電三聯(lián)供,即CCHP (Combined Cooling ,Heating an

3、d Power ,是指以天然氣為主要燃料帶動燃氣輪機或內(nèi)燃機等產(chǎn)生動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,滿足用戶的電力需求,系統(tǒng)排出的廢熱通過余熱回收利用設(shè)備(余熱鍋爐向用戶供熱、供冷和生活熱水。燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)作為分布式能源的一種,因其技術(shù)新穎、建設(shè)周期短、系統(tǒng)綜合效率高,已經(jīng)在發(fā)達國家得到了廣泛的認可。燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)通過對一次能源的梯級利用,提高了能源的綜合利用率,減少了污染物排放;三聯(lián)供機房可以建在終端用戶附近,減少能源輸送過程中的損耗,節(jié)能效果明顯;三聯(lián)供系統(tǒng)與大電網(wǎng)互相依靠、互為補充,提高了能源系統(tǒng)的可靠性,有助于應(yīng)對突發(fā)事件。因此,燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是建設(shè)節(jié)約型社會的重要措施之一,是我國

4、大力推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一,符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,并編入到我國“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”、“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年”中。以燃氣內(nèi)燃機為例,CCHP 系統(tǒng)典型流程見圖1。天然氣進入燃氣內(nèi)燃機燃燒,帶動發(fā)電機發(fā)電,發(fā)電機產(chǎn)生的煙氣和缸套冷卻水,通過煙氣熱水型余熱機提供冷量或熱量。從圖1可以看出:燃氣發(fā)電裝置是燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的核心設(shè)備,在具體的項目中,能否根據(jù)負荷作者信息宋泓明,男,中石油(北京科技開發(fā)有限公司,高級工程師。王明友,男,中建(北京國際設(shè)計顧問有限公司,高級工程師。楊智勇,男,中建(北京國際設(shè)計顧問有限公司,工程師。李炳華,男,中建(北京國際設(shè)計顧問

5、有限公司,教授級高級工程師。鄒政達,男,中建(北京國際設(shè)計顧問有限公司,高級工程師。Abstract This paper describes the classification and performance of different generating sets for gas -fired CCHP system ,analyses and compares the thermal efficiency and power generating efficiency of gas internal -combustion engine generating sets and gas

6、turbine generating sets.Generating sets for gas -fired CCHP systems are chosen according to different requirements for load characteristics.Key words Gas -fired combined cooling ,heating and power supply system Gas turbine generating sets Gas internal -combustion engine generating sets Thermal effic

7、iency Power generating efficiency29397 BUILDINGELECTRICITY2011年第期7表1各種燃氣發(fā)電裝置的性能對比Tab.1The performance comparison of different gas -fired power generating sets原動機類型燃氣內(nèi)燃機燃氣輪機微型燃氣輪機額定功率范圍/kW 5100005003000020300發(fā)電效率25%45%20%38%15%30%余熱回收煙氣:400650;缸套水:30110;潤滑油冷卻水:4065煙氣:400650煙氣:300500啟動時間較短長短負荷動態(tài)響應(yīng)較好較好

8、較好所需燃氣壓力/MPa氮氧化物NO x排放水平/ppm(含氧量15%45200(無控制時;420(SCR 選擇性催化還原150300(無控制時;25(DLN 干式低排放950(低排放大小、負荷性質(zhì),合理確定燃氣發(fā)電裝置的類型、容量,是直接影響項目在建成后能否經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。2燃氣發(fā)電裝置的分類及性能CCHP 系統(tǒng)通常采用內(nèi)燃機、燃氣輪機、微型燃氣輪機等作為原動機,驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。根據(jù)原動機類型的不同,將發(fā)電裝置分為燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置、燃氣輪機發(fā)電裝置、微型燃氣輪機發(fā)電裝置等。各種燃氣發(fā)電裝置的性能參數(shù)見表1。目前,以燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置為動力的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用相對較多,綜

9、合效率也較高,技術(shù)比較成熟,運行比較穩(wěn)定,其中燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的額定功率通常在505000kW ,而燃氣輪機發(fā)電裝置的額定功率一般在800kW 以上。以下對此功率范圍內(nèi)的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置的特性進行分析。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置將天然氣與空氣注入氣缸混合,點火引發(fā)其燃燒做功,推動活塞運動,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,回收燃燒后的煙氣和各部件的冷卻水的熱量用于供熱、制冷。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的發(fā)電效率通常在30%40%之間,比較常見的機型一般為35%。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置最突出的優(yōu)點是發(fā)電效率比較高,其次是設(shè)備集成度高,安裝快捷,對于氣體中的粉塵要求不高,基本不需要水,設(shè)備的每kW 造價也比較低。

10、但是燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置也有一些不足的地方:首先,燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置燃燒低熱值燃料時,機組出力明顯下降,一臺燃燒熱值8000kcal /m 3天然氣燃料的500kW 級燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置,在使用低熱值4000kcal /m 3的焦化煤氣時,出力可能下降到350400kW 左右;此外,燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置需要頻繁更換機油和火花塞,消耗材料比較大,也影響了設(shè)備的可用性和可靠性兩個主要利用指標,對設(shè)備利用率影響比較大,有時甚至不得不采取增加發(fā)動機組臺數(shù)的辦法,來消除利用率低的影響。燃氣輪機發(fā)電裝置主要由壓氣機、燃燒室和汽輪機組成。壓氣機將空氣壓縮進入燃燒室,在燃燒室內(nèi)與噴入的燃氣(如天然氣混合燃燒,之后

11、在汽輪機里膨脹,驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動,使其驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。燃氣輪機發(fā)電裝置比較適用于高含氫低熱值和氣體含雜質(zhì)較多的劣質(zhì)燃料,一些燃氣輪機發(fā)電裝置甚至使用原油和高硫渣油燃料。燃氣輪機發(fā)電裝置自身的發(fā)電效率不算很高,一般在30%35%之間,但是產(chǎn)生的廢熱煙氣溫度高達650,可以通過余熱鍋爐再次回收熱能轉(zhuǎn)化成蒸汽,再驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電,形成燃氣輪機發(fā)電裝置-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,發(fā)電效率可以達到45%50%,一些大型機組甚至可以超過55%。采用燃氣輪機發(fā)電裝置優(yōu)勢相對較多:設(shè)備可用性和可靠性都較高,綜合利用率一般可保持在90%;對于含硫、含塵高的燃圖1CCHP 系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diag

12、ram of a CCHP system30398圖43MW 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置不同負荷率下熱效率和發(fā)電效率的比較Fig.4Thermal efficiency and power generating efficiency of 3MW gas internal -combustion engine generating sets and gasturbine generating sets under different load rate圖3燃氣輪機發(fā)電裝置的熱效率與發(fā)電效率Fig.3Thermal efficiency and power generating eff

13、iciencyof gas turbine generating sets料的適應(yīng)性較強;發(fā)電出力一般不會減少,甚至因為燃料進氣量增加而有所增加;燃氣輪機發(fā)電裝置功率密度大、體積小,較適合再移動,對于存在一些不確定因素的焦化廠項目的焦化煤氣利用非常有利。但是,燃氣輪機發(fā)電裝置也存在一些缺點:燃氣輪機發(fā)電裝置進氣壓力比較大,越是發(fā)電效率高的機組燃料進氣壓力越高,對于低壓氣體來說就需要增加燃氣壓縮機,而壓縮燃氣需要消耗大量的能量,影響到發(fā)動機的實際輸出功率,一些項目甚至需要消耗燃氣輪機發(fā)電裝置15%20%的功率。2.3兩種發(fā)電裝置熱效率和發(fā)電效率的比較2.燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置熱效率

14、和發(fā)電效率統(tǒng)計圖2、圖3是燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置發(fā)電功率和熱效率的統(tǒng)計1,圖中數(shù)據(jù)是CCHP 機組工作在額定狀態(tài)下的數(shù)據(jù),即發(fā)電機輸出在額定功率、額定電壓、額定頻率狀態(tài)下。由圖2和圖3可以得出以下結(jié)論:高于燃氣輪機發(fā)電裝置10個百分點以上。對于余熱利用(最終煙氣排放溫度為120,燃氣輪機發(fā)電裝置的余熱利用效率明顯高于燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置。b.發(fā)電機額定功率越大,CCHP 的發(fā)電效率越高,而熱效率同時降低。c.燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的熱效率與發(fā)電效率之和在80%90%,具有較好的綜合利用價值。d.燃氣輪機發(fā)電裝置的發(fā)電效率與熱效率合計在80%上下。變工況下燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電

15、裝置的熱效率和發(fā)電效率左政等作者以3MW 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置(G3616型和燃氣輪機發(fā)電裝置(Centaur 40為對象進行比較2,通過基本參數(shù)和熱力學(xué)計算,兩者在變工況下的熱效率和發(fā)電效率比較如圖4所示。隨著負荷率的降低,燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置和燃氣輪機發(fā)電裝置的發(fā)電效率均呈下降趨勢,且下降的幅度大致相同。對于余熱利用(最終煙氣排放溫度為120,以防止煙氣析出冷凝水腐蝕煙道,燃氣輪機發(fā)電裝置的余熱利用效率明顯高于燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置,其中燃氣輪機發(fā)電裝置的余熱利用效率隨著負荷率的降低而降低,而燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的余熱利用效率隨著負荷率的降低有上升趨勢。這是因為當(dāng)原動機負荷率減小時,燃氣輪機發(fā)電裝置

16、的進口空氣流量圖2燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置熱效率與發(fā)電效率Fig.2Thermal efficiency and power generating efficiencyof gas internal -combustion engine generating sets燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置的選擇(宋泓明王明友楊智勇李炳華鄒政達31399 BUILDINGELECTRICITY2011年第期 7基本保持不變,其煙氣出口溫度隨負荷率減小而降低;而燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的進口空氣流量隨負荷率減小而減小,出口煙氣溫度反而呈上升趨勢。因此,盡管兩者在額定工況下具有大致相同的熱電總效率,燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置具有

17、比燃氣輪機發(fā)電裝置更好的部分負荷特性。顯然,對于那些冷熱負荷波動較大的終端,而其系統(tǒng)又不能采用聯(lián)合循環(huán)形式,燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在部分負荷下將具有更高的熱電效率和經(jīng)濟性。根據(jù)美國不同規(guī)模建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)燃機與燃氣輪機發(fā)電裝置裝機情況統(tǒng)計,對于1MW 以下的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置占據(jù)了絕對主導(dǎo)地位,這是由于此容量范圍內(nèi)的燃氣輪機發(fā)電裝置發(fā)電效率通常較低,節(jié)能和經(jīng)濟效益不明顯。對15MW 的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),燃氣輪機發(fā)電裝置數(shù)量大約為內(nèi)燃機的一半。對于510MW 及以上范圍,燃氣輪機發(fā)電裝置占據(jù)了主導(dǎo)地位,這是因為此范圍內(nèi)燃氣輪機發(fā)電裝置一次發(fā)電效率通常已在30%以上,如

18、果進一步采用聯(lián)合循環(huán),整個系統(tǒng)的發(fā)電效率、調(diào)節(jié)靈活性和經(jīng)濟效益都將大大提高。3燃氣發(fā)電裝置的選擇與系統(tǒng)優(yōu)化燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP 可以同時向用戶供冷、供熱、供電,因此在選擇燃氣發(fā)電裝置時應(yīng)同時考量冷、熱、電負荷的大小及相互關(guān)系。用戶實際需求熱(冷電比是冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計選型的一個重要因素,一般根據(jù)用戶需求熱(冷電比來選擇相應(yīng)的燃氣發(fā)電裝置類型和容量,使得系統(tǒng)設(shè)計的熱(冷電比能夠與用戶需求一致,盡量避免補燃和余熱排空現(xiàn)象,從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟效益。對于辦公和居住建筑等電負荷比冷、熱負荷小的場合應(yīng)優(yōu)先選用產(chǎn)熱量較大的燃氣輪機發(fā)電裝置系統(tǒng),并將部分發(fā)電機發(fā)出的電驅(qū)動電制冷裝置,用以提高系統(tǒng)產(chǎn)熱和制冷能力,優(yōu)化匹配電制冷和煙氣余熱吸收式制冷機組,以滿足用冷、用熱負荷,提高系統(tǒng)經(jīng)濟性,這種方式通常被稱為以熱(冷定電;對于廠房和數(shù)據(jù)中心,電負荷比冷熱負荷大的場合,應(yīng)該優(yōu)先采用發(fā)電效率較高的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置,以電定熱(冷,滿足用電需求,并考慮向鄰近區(qū)域供冷、供暖。燃氣發(fā)電裝置和煙氣余熱制冷機的選型匹配和優(yōu)化過程如圖5所示。4結(jié)語燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是解決天然氣綜合利用效率、降低運行