黄敏轩

（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014）

分布式能源系统是国内外公认的节约能源、改善环境质量的有效手段。中国是热电大国，在国家提出“要推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳和新能源、可再生能源发展”的背景下，分布式能源站采用天然气进行热电联产，以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近，能源利用效率高，可有效节约能源消耗，且天然气发电对环境的污染相比传统的集中式发电要小很多，可有效保护环境，因此本项目的建设适应目前国家节能环保新形势的需要。

目前湖北咸宁国家高新技术产业开发区（以下简称“咸宁高新区”）所需工业蒸汽均由各企业自建锅炉房锅炉提供，由于分散锅炉在使用过程中不仅排放较多的氮氧化物等对大气造成极大污染的废气，还产生热污染、噪声污染、废水污染，对周边环境造成较大的影响。根据高新产业园区用热企业的发展需求和环保部门要求，新建燃煤锅炉已被禁止，现有燃煤锅炉近期必须关停，因此为保证各用热企业的正常用热需求和扩产需要，必须建立一个高效、节能和环保的热源点。本项目以清洁能源天然气为燃料，对高新产业园区用热企业实施集中供热，取代现有的分散小锅炉，不但满足区内企业可持续发展需求，更可实现区域内的低碳排放和能源综合高效利用。

1 项目概述

咸宁高新区，位于咸宁市东北部，其功能定位为：以装备制造业、电子信息产业、新材料新能源产业、生物医药业等为主导产业的产业基地。基地有大量的工业蒸汽需求，主要用于中试车间、消毒、研发等。

本项目的设计思路是：“以热定电，以燃气轮机为主，以燃气锅炉进行备用调峰”。由于传统建筑中的小型热电系统是“以电定热”，系统投资较高，在满足电力需求的情况下，所产的热量往往会有盈余而造成浪费。“以热定电”则是首先满足园区的蒸汽需求，能源站系统所发的电力进行自我供应，如有不足则使用电网进行补充。

根据园区发展形势以及前期的能源调研数据，本文预测了近期需求，园区内以工业蒸汽需求与电需求为主，如何解决”热-电平衡”问题是需求分析中的关键。表1为区域近期负荷估算结果统计表，反映了电、蒸汽的负荷需求［3］。

本期工程拟建设一套分布式能源系统热电联产机组，远景规划增加同规模热电联产机组。

表1 区域近期负荷估算结果统计表

在本阶段，设计热负荷只需满足产业园区近期用汽要求。

2 比选方案

基于园区能源配套的热负荷分析以及能源站机组选型主要原则可知，能源站的最小设计热负荷为25 t/h，考虑到发电机组的余热利用最大化，燃气轮机余热利用所产蒸汽量应与能源站最小热负荷需求相适应。

根据燃气轮机设备调研所得数据，燃机出力为15 MW量级的燃机机组余热利用（不补燃）所产蒸汽量在25～30 t/h的范围（蒸汽参数以1.25 MPa，230℃计），其蒸汽量与本工程的最小热负荷匹配，因此本工程燃气轮机的功率选择在15 MW左右比较合适。本期装设1台燃气发电机组，同时考虑配套辅助燃气蒸汽锅炉以满足最大热负荷的需求，可兼顾初投资和供热可靠性及灵活性。

以燃气轮机为原动机的热电联产机组主要分为燃气-蒸汽简单循环系统和燃气-蒸汽联合循环系统，因此本项目能源站的装机方案可通过上述2种思路进行比选，比选方案暂按索拉TITAN 130燃气轮机热电联产机组考虑。以下为2种装机方案的描述。

方案一：考虑建设1台15 MW燃气轮机发电机组和1台30 t/h余热锅炉（1.25 MPa，230℃），即建设一套燃气-蒸汽简单循环机组，余热锅炉所产蒸汽直接对热用户供热，不设汽轮机。燃机机组余热利用最大供热量为28.2 t（1.25 MPa，230℃），装机规模总量为15 MW。同时配套设置2台25 t/h蒸发量的辅助燃气蒸汽锅炉以作调峰备用。图1为方案一的燃气-蒸汽简单循环系统流程图。

图1 燃气—蒸汽简单循环系统流程图（方案一）

方案二：考虑建设1台15 MW的燃气轮机发电机组，1台30 t/h余热锅炉（3.82 MPa，450℃）及C3-3.43/1.27抽凝式汽轮发电机组，即建设一套燃气-蒸汽联合循环机组，余热锅炉实际产蒸汽量为24.4 t/h（3.82 MPa，450 ℃）。图2为方案二的燃气-蒸汽联合循环系统流程图。

图2 燃气—蒸汽联合循环系统流程图（方案二）

汽轮机抽汽所得的蒸汽经减温处理供给热用户，汽轮机最大抽汽量为15.2 t（1.27 MPa，321℃），减温处理后供热量为16 t（1.25 MPa，230℃），装机规模总量为18 MW。同时配套设置2台30 t/h蒸发量的辅助燃气蒸汽锅炉以作调峰备用。

3 能效对比分析

本项目分布式能源站以清洁能源天然气为燃料，根据热机机组选型原则，应尽可能选用高效率的燃气轮机热电联产机组，充分利用能源，同时还需考虑机组的财务评价指标。表2为上述2种方案的相关技术经济指标估算。

4 经济性分析

目前当地工业天然气价为2.39元/m3，上网电价为0.709元/kWh，蒸汽价格为220元/t，水价为3.25元/t，因此可以简单计算出该项目的全年运行费用及其节能减排率，表3为全年经济参数表。

综上所述，方案一的全厂热效率为88.12%，方案二的全厂热效率为71.06%，可见方案一的能源利用效率更高。同时根据财务评价指标，方案一的投资回收期为5.98年，方案二的投资回收期为10.46年，且方案一的年净利润更高，由此可见方案一的财务盈利能力更好。综合上述相关评价指标，本期工程选用简单循环燃气轮机系统，不仅能更充分地利用燃机余热余能，而且项目的经济效率也较高。

表2 咸宁高新区能源站装机方案比较

表3 全年经济参数表

5 敏感性分析

图3 天然气价格、余热利用效率对蒸汽价格的影响

图3为在保证投资回收期为5.98年情况下，天然气价格的变化对蒸汽价格的影响以及余热利用效率的变化对蒸汽价格的影响。

（1）天然气价格对蒸汽价格的影响

从图3中可以看出随着天然气价格的升高，蒸汽价格也相应升高。天然气价格增加导致蒸汽制取的成本增加，因此蒸汽价格上升。

按照目前当地发电用天然气价格2.36元/m3计算，蒸汽定价约为220元/t。然而如果天然气价格增长10%，则蒸汽价格需要达到250元/t，才能保证在5.98年收回成本。

（2）余热利用效率对蒸汽价格的影响

随着设备的不断更新，新型节能的热电机组的余热利用效率也将不断提升，因此从图3中可以看出蒸汽价格随着余热效率的升高而相应降低。主要因为热效率提高，从而使得机组在同一时间内制取了更多的蒸汽，因此成本相对降低，蒸汽价格随之降低。

比较以上2个参数余热利用效率及天然气价格对蒸汽价格的敏感性，余热利用效率对其影响更为明显。因此在该项目在采购时，机组性能应被列为首要考虑的因素。

6 结论

（1）天然气分布式热电联产技术在本项目上具有较好的适应性，既能满足产业园蒸汽需求，又可以解决部分用电需求，缓解用电压力，实现能源梯级利用。

（2）根据方案比选可见，燃气-蒸汽简单循环机组相对于燃气-蒸汽联合循环机组的能源利用效率更高。同时投资回收期相对较短，项目的经济效益较好。

（3）分布式热电联产系统产出的蒸汽价格，随余热利用效率的增加而降低，随着天然气价格的升高而增加。

（4）该系统初投资较大，因此根据建设周期、规模等特点，建议采用分期建设，并按需合理控制系统及蒸汽管网的规模，以避免因过早建设而造成能源浪费。D

［1］ 华贲.天然气冷热电联供能源系统［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］ 田贯之.“西气东输”中天然气合理应用方式研究［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］ 金红光.分布式冷热电联产系统装置及应用［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［4］ 张巍巍，黄敏轩，马宏权，等.武汉东湖高新区应用热电冷联产的可行性分析［J］.电力需求侧管理，2012，14（2）：25-29.

［5］ 杨强.基于GT25000燃气轮机的参数优化及性能分析［D］.北京：中国舰船研究院，2013.

［6］ Khurana S,Banerjee R,Gaitonde U.Energy Balance and Cogeneration for a Cement Plant［J］.Applied Thermal Engineering,2002，22（5）：485-494．