朱志劼，赵 峰，谢岳生，张成义，范雪飞

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 闵行 200240)

0 引言

燃气轮机分布式能源系统是天然气分布式能源系统的主要形式之一，是利用天然气为燃料，以燃气轮机联合循环设备为核心，建立在能量梯级利用基础上，将供热、制冷及发电过程有机结合，并在负荷中心就近实现能源供应的总能系统。

国家电力发展“十三五”规划中提出，“十三五”期间有序发展天然气发电，大力推进分布式气电建设，实施电能替代，优化能源消费结构[1]。天然气发展“十三五”规划提出，2020年天然气发电装机规模达到1.1亿 kW以上,占发电总装机比例超过5%[2]。近一两年来，随着电力体制改革、天然气价格调整，天然气分布式能源市场复苏，很多地区规划要求“十三五”期间，鼓励发展天然气分布式能源等高效利用项目，支持发展带稳定热负荷的天然气热电联产项目，在具备条件的城市、工业园区、大型公共服务设施发展天然气分布式能源项目。更多能源企业涉足天然气分布式能源，纷纷布局项目。

在项目开发过程中，根据项目冷、热、电负荷的实际需求，选择合适的主设备配置，提高能源利用率，并确保项目经济可行，成为项目方案研究中的重要环节。

综上，从业主开展燃气轮机分布式能源项目规划和前期方案研究需求出发，本文自主开发国内首套燃气轮机分布式能源系统主设备选型软件，其能够快速进行主设备选型、性能计算及技经分析，实现主设备选型工作的软件智能化替代。

1 软件开发思路

1.1 开发需求

从国内燃气轮机分布式能源项目开发的现状看，在项目开发过程中存在以下问题：

1) 在项目开发前期，急需确定项目初步方案，并判断项目投资经济性，以争取项目。而大多数单位原业务以煤电、水电等为主，对燃气轮机分布式系统配置、设备选型等积累不多，无法独立开展前期方案研究。

2) 在项目可研阶段，通常可研报告给出的燃机选型范围有限，而燃气轮机型号及机组配置方式众多，需要进行多机型、多方案比选，并与可研方案进行对比校核；以及通过改变敏感性参数，快速得出不同方案，为投资决策及争取合理政策提供参考。

3) 主设备选型与冷热电负荷、燃气轮机及联合循环等设备性能匹配密切相关，需要对能源利用、经济效益进行综合分析，专业性强，亟需专业工具的支持。

4) 国内对天然气分布式能源系统开展了一系列研究，如何提高天然气分布式能源系统的运行效能，提高经济性，一直是国内天然气分布式能源系统研究的重点。从研究分析工具上看，主要采用了Energyplus、Dest、EADES等负荷模拟软件，有Fortran、VB、VC++等程序编辑软件及Matlab软件[3]。国内尚未有满足上述需求的燃气轮机分布式系统选型软件。

本文根据长期从事燃气轮机及联合循环关键技术研究及工程应用积累的经验，国内外率先自主开发完成了燃气轮机分布式系统选型优化软件，可快速完成初步方案设计、主设备选型、系统热力性能计算分析、投资估算及经济分析，为项目前期规划、方案预判及投资决策提供技术支撑。

1.2 技术途径

项目技术方案是决定项目投资、经济效益的决定性因素之一。如图1所示，天然气分布式能源项目方案研究主要包括6项关键步骤，本软件的开发是在已确定的设计负荷基础上，开展主设备选型、余热设备选型、调峰设备选型、系统热力计算及技术经济分析。

图1 天然气分布式能源项目方案研究的关键步骤Fig.1 Key steps in research of natural gas distributed energy project scheme

基于燃气轮机的燃气分布式系统的典型工作流程为：燃料在燃气轮机燃烧室中燃烧,产生的高温燃气驱动透平带动发电机对外做功发电；燃气轮机排烟进入余热锅炉换热,给水通过余热锅炉换热器产生高压高温蒸汽进入蒸汽轮机做功；而进一步降低温度的排烟可进入到烟气型溴化锂机组进行制冷[4]。

主设备选型是根据负荷需求，确定燃气轮机的功率等级及型号范围、余热锅炉及汽轮机的型式、容量和主要参数等。通过选型，从负荷匹配、系统性能角度给出符合项目技术要求的若干方案，并通过技术经济分析进行筛选和择优。技术经济分析结果还将反馈给设备选型，并对原有方案的配置和性能进行深度优化，实现方案效益的最大化。

1.3 设备选型原则

软件中的设备选型主要遵循以下原则：

1) 依据“以热定电、热电平衡” 的原则，根据冷、热负荷的特性和大小选择合适的装机方案，以取得较好的综合效益[5]。

2) 主要设备的型式及容量的选择，应能适应一定冷热负荷变化的能力，并选择成熟、先进的标准系列产品。

3) 系统性能参数方面，天然气分布式能源的年平均能源综合利用率必须大于70%[6]。工业热电联产项目优先采用背压热电联产机组。采暖型联合循环项目供热期热电比不低于60%，供工业用汽联合循环项目全年热电比不低于40%[7]。

4) 综合考虑能源销售价格、天然气价格等因素，按照技术经济性最优原则确定优选方案。

2 软件功能与主要界面

2.1 软件功能

软件包括三大功能：

1) 主设备选型。开展天然气分布式能源系统主设备选型，给出燃机选型结果和余热锅炉、汽轮机的型式及选型参数，给出系统初步方案。

2) 热力性能计算。根据用户对热负荷、冷负荷等不同能源需求进行系统性能计算，给出热力系统详细参数及热平衡图。

3) 技经分析。开展天然气分布式能源项目投资估算及经济分析，从系统性能及经济性角度给出推荐方案，初步确定项目的投资规模。完成性能计算及技经分析后，可自动生成分析报告，便于用户进行项目决策及申报。

2.2 软件流程设计

采用流程化的系统设计方法，流程设计如图2所示，主要包括参数输入、数据库及功能模块计算、输出结果3个部分。

2.2.1 性能计算输入参数

性能输入参数如图3所示，包括机组配置参数、热负荷参数、冷负荷参数、天然气参数和机组运行工况参数等。

机组配置参数输入主要包括抽凝机组套数及背压机组套数，用户根据项目实际建设需求填写，需要为整数，可进行纯抽凝或抽凝+背压机组组合计算。

热负荷参数分为工业用汽、采暖用汽、生活热水3种类型。考虑了两股工业用汽，每股蒸汽输入参数为流量(平均负荷流量及最大负荷流量)、压力和温度；采暖用汽输入参数为蒸汽流量、压力和温度；生活热水输入参数为热水流量、供水温度和回水温度。

冷负荷输入参数包括溴化锂制冷量、溴化锂蒸汽压力和电制冷比例，其中溴化锂蒸汽压力通过下拉框进行选择，包括0.4、0.6、0.8 MPa 3种典型压力等级。

天然气参数输入采取下拉框的方式进行选择，目前软件内置了西气东输、大鹏LNG、川气、东海天然气、印尼东周LNG 5种典型的天然气成分参数，通过软件内置的程序对天然气参数(如低位发热量、密度等)进行计算。

机组运行工况期包括供暖期、制冷期和非供暖非制冷期，每个工况期的输入参数为环境温度和年运行小时数。根据不同时期(供暖期、制冷期和非供暖非制冷期)的环境温度，修正燃气轮机发电机组功率、效率、燃料消耗量、排烟温度和流量等。根据不同时期(供暖期、制冷期和非供暖非制冷期)的运行小时计算对应时期的冷、热、电产量和燃料消耗量等。

2.2.2 技经分析输入参数

技经分析输入包括建设投资参数、生产成本参数、生产经营参数等，如图4所示。

图4 技经参数输入界面Fig.4 Techno-economic analysis parameter input interface

建设投资输入参数包括建设场地征用及清理费、天然气管网投资、厂外热网投资、自筹资金比例、工程建设周期、银行贷款利率等。同时针对上海、长沙、青岛、邯郸等地已经出台的相关天然气分布式能源的补贴政策，增加设备费补贴及限额、容量电价补贴等优惠政策因素。

生产成本参数包括成本基础数据以及原料成本价格等。其中成本基础数据包括还款年限、折旧年限、流动资金贷款利率、定员人数以及平均工资等；原料成本价格包括到厂燃气价格以及水费等。

生产经营输入参数包括售热售冷价格参数、峰谷平电价参数、营业税金及附加、热负荷逐年达产率。软件采用等本付息还款方式和平均年限折旧方式计算。除用户需要输入的30多个技经参数外，软件内置了用户输入难度较大且需要一定专业背景的20多个默认技经参数，如材料费率、保险费率、其他费率等。

2.2.3 数据库及功能算法模块

分布式发电燃气轮机制造企业主要以美国通用电气、德国西门子、日本三菱日立、日本川崎重工和美国索拉透平等为主，均形成了系列化产品，产品功率等级涵盖1～100 MW。软件内置国内外10家公司近60种典型燃气轮机参数及燃气轮机性能修正模块，可根据项目实际环境参数对方案热力性能计算结果进行修正。在系统参数优化与匹配模块中，建立了系统冷热负荷与燃气轮机、余热锅炉、抽凝机组、背压机组、溴化锂机组、天然气锅炉等设备的性能匹配计算程序，可针对用户负荷需求完成燃气轮机选型热力计算及联合循环、制冷制热等设备的参数匹配，给出满足负荷要求的热力系统初步方案。

与大功率联合循环发电机组相比，天然气分布式发电机组容量较小、参数较低，余热锅炉一般采用单压或双压、无补燃、无再热。余热锅炉的主蒸汽参数与汽轮机的参数相匹配，主汽温度取决于燃气轮机的排烟温度和热端温差值，主蒸汽压力多采用中压参数或次高压参数。根据项目需要，余热锅炉的尾部可设置烟气热水换热器制取热水，同时降低排烟温度，提高热效率。

根据热负荷特征，选用抽凝式或背压式汽轮机。如果蒸汽负荷稳定、单一，选用背压式汽轮机；既有工业蒸汽负荷，又有采暖蒸汽负荷时，根据负荷特点选用双抽冷凝式汽轮机或抽汽背压式；具有部分持续稳定热负荷和部分变化波动热负荷的热电厂，应选用背压式汽轮机或抽背式承担基本稳定的负荷，再设置抽凝式汽轮机承担其余变化波动的负荷[8-9]。当采用抽凝汽机时，抽汽的压力、温度根据供汽参数及汽机热力性能计算确定，抽汽流量需和燃机机型进行匹配，判断是否满足相应燃机的供热能力。

天然气分布式能源系统经济效益主要取决于项目的初始投资、营运成本、燃料成本、年利用小时数、热电比、热效率、上网电价、供热价格等因素[10]。软件技经分析模块根据热力系统方案及技经输入参数，计算出每个方案的投资造价及收益。内置燃气轮机的基础参数和价格，余热锅炉、汽轮机、发电机、其他辅助设备等设备价格参考同类规模的工程合同价格，并集成了技经分析所需的全部表格及计算公式，满足用户多方案投资估算(主设备投资、电站投资)、盈利分析(投资收益率、回收期)以及敏感性分析(气、电、热等价格波动影响)等需求，并根据资本金内部收益率等技经指标确定优选方案。

2.2.4 性能计算输出结果

图5 性能计算结果输出界面Fig.5 Performance calculation results output interface

图5为性能计算结果输出界面，符合性能参数输入条件的所有初选方案计算结果汇总列表显示于页面上方，给出联合循环系统方案，包括燃气轮机的具体型号及联合循环热力性能参数等。

可依据联合循环方案向余热锅炉、汽轮机等设备厂家进行选型。配套通过选中的特定方案，如图5中红色高亮显示的燃机型号方案，在页面左下方显示抽凝机组参数，页面右下方显示选中方案的背压机组配置参数。

初选方案主要技术经济参数表中红色高亮显示的燃机型号方案为选中特定方案，用户如果要查看其他燃机型号所对应的系统方案，只需点击初选方案主要技术经济参数表中相应的燃机型号即可。点击抽凝机组或背压机组方案各工况主要参数表中不同的工况时期(制冷期、供暖期、非制冷非供暖期)，可查看对应的系统热平衡图，如图6所示。

2.2.5 技术经济计算输出结果

图7为技术经济计算输出页面，其中符合性能参数输入条件的各个初选方案主要财务指标均列于表中，包括内部收益率、项目总投资等。

在图7中点击不同方案的燃机型号(超链接高亮显示)，即可查看对应的选定系统方案详细的技经分析情况，包括建设投资估算表、总资金计划和资金筹措表、建设投资构成分析表、还款一览表、成本费用计算表、财务指标一览表、敏感性经济分析表等11张技经分析详细表。

图6 选定方案不同工况时期系统热平衡图Fig.6 System heat balance diagram in different working conditions

图7 技术经济计算输出页面Fig.7 Techno-economic analysis results output interface

2.2.6 推荐结果输出

软件通过推荐结果按钮，将弹出推荐结果显示窗口；从所有符合要求的系统方案中选取内部收益率最高的进行推荐输出，并给出其相应方案燃气轮机型号及主要性能参数、余热锅炉与汽轮机主要型式及选型参数。

完成技经计算后，点击相关按钮自动生成主设备选型分析报告。内容包括项目概况、系统方案比较、推荐方案系统性能及主设备参数、推荐方案投资估算及财务评价、结论等，如图8所示。

图8 软件生成报告目录页面Fig.8 Directory page of report generated by software

3 应用实例

3.1 项目概况

本项目为新建燃气蒸汽联合循环机组，拟采用2套抽凝机组，可研报告给出的边界条件如下：

1) 性能计算参数。

设计热负荷：平均100 t/h，年利用小时数为4 000 h。

供汽参数：1.3 MPa，220 ℃，50 t/h。

热水参数：50 t/h，60 ℃/90 ℃。

机组性能保证工况：22 ℃，1.1 kPa，79%湿度。

燃料成分：甲烷92.02%，乙烷4.28%，丙烷2.39%，正丁烷0.53%，异丁烷0.53%，氮气0.24%，异戊烷0.01%；天然气热值36.55 MJ/m3(标准状态)。

2) 技经计算参数。

技经计算参数如表1所示。

表1 案例技术经济输入参数Table 1 Case technical and economic input parameters

注： 电价1、电价2是可研报告分别按资本金内部收益率8%和10%测算的结果。

3.2 软件计算结果

根据软件热力性能计算，给出了4个方案，按照年平均热效率从大到小依次排序如下：

1) 方案1。燃机型号为Siemens SGT-800，年耗气量为11 338.12万 m3，年发电量为470.42 GW·h，年供热量为114.43万 GJ，年平均热效率为81.37%，年平均热电比为0.76。

2) 方案2。燃机型号为GE 6F.01，年耗气量为11 698.04万 m3，年发电量为492.83 GW·h，年供热量为114.43万 GJ，年平均热效率为81%，年平均热电比为0.73。

3) 方案3。燃机型号为GE 6B.03，年耗气量为11 111.8万 m3，年发电量为423.66 GW·h，年供热量为114.43万 GJ，年平均热效率为78.35%，年平均热电比为0.85。

4) 方案4。燃机型号为MHPS H-50，年耗气量为13 093.49万 m3，年发电量为552.03 GW·h，年供热量为114.43万 GJ，年平均热效率为77.39%，年平均热电比为0.65。

可研报告给出的方案是SGT-800机型方案，按照在资本金内部收益率8%条件测算，软件计算结果显示SGT-800机型方案在该收益率对应的电价为680.3元/(MW·h)。在此电价水平下，上述方案的主要财务指标按照内部收益率从大到小依次排序如下:

1) 方案2。燃机型号为GE 6F.01，内部收益率为9.06%，项目总投资为82 727万元，单位造价为5 493.99元/kW，投资回收年限为14.54 a。

2) 方案1。燃机型号为Siemens SGT-800，内部收益率为8%，项目总投资为82 015万元，单位造价5 677.43元/kW，投资回收年限为15.96 a。

3) 方案4。燃机型号为MHPS H-50，内部收益率为7.09%，项目总投资为89 930.16万元，单位造价为5 405.17元/kW，投资回收年限为16.43 a。

4) 方案3。燃机型号为GE 6B.03，内部收益率为4.13%，项目总投资为74 755.71万元，单位造价为5 655.46元/kW，投资回收年限为18.05 a。

3.3 结果分析

由软件分析得出，方案1、方案2能满足项目的热负荷需求，年平均热效率达70%以上，且投资收益水平在4个方案中位于前2位，在电价680.3元/(MW·h)的情况下内部收益率达8%及以上，因此从软件计算结果看，推荐采用方案1或方案2，和可研报告推荐方案1的结论是一致的。

针对可研报告给出的Siemens SGT-800方案，将报告计算值和软件计算值进行了对比。如表2所示，软件计算值同可研报告值相比，关键技术经济指标的偏差在5%以内，按照收益率推算的电价误差准确度高，在1%以内。

本软件通过大量的项目实例计算，对软件进行了多次修正和优化，已有20多家单位的80多位用户使用，累计了完成项目选型30余项。根据用户反馈情况，热力性能计算准确，技术经济计算已达可研报告的深度。

表2 可研报告值和软件计算值的对比Table 2 Comparison of feasibility report value and software calculation value

4 结论

1) 通过自主创新，在国内外率先开发出燃气轮机分布式能源系统主设备选型优化软件，适用于以燃气轮机联合循环为核心的冷、热、电三联供分布式项目选型计算。

2) 软件具有以下典型特点:①使用便捷，菜单式操作，图表化显示，一键式报告打印；②功能全面，完备的燃机数据库，完整的技经分析功能；③决策参考，可快速完成多方案比选，为用户投资决策、争取合理政策等提供参考。

3) 软件为天然气分布式能源前期方案研究及立项申报提供了专业技术支撑，有利于项目方案比选及论证，满足项目前期方案研究的需求，在诸多方案中优选最适合的方案，提升了项目投资决策效率。