基于國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)園區(qū)分布式能源站運(yùn)行方案分析

潘志勇，劉惠萍，黃 峰，薛 飛

(1. 上海同祺新能源技術(shù)有限公司，上海 201399；2.上海市發(fā)展改革研究院，上海 200032)

基于國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)園區(qū)分布式能源站運(yùn)行方案分析

潘志勇1，劉惠萍2，黃 峰1，薛 飛1

(1. 上海同祺新能源技術(shù)有限公司，上海 201399；2.上海市發(fā)展改革研究院，上海 200032)

目前，我國(guó)基于用戶端的分布式能源系統(tǒng)發(fā)展已從試點(diǎn)走向全面推廣應(yīng)用階段，但推廣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)服務(wù)瓶頸之一是量大面廣的中小型燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化問題，而中國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)提供了核心技術(shù)保障。以上海首個(gè)工業(yè)園區(qū)天然氣分布式能源國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)應(yīng)用的示范項(xiàng)目為例，重點(diǎn)對(duì)比分析了設(shè)備能源利用效率、多種設(shè)備組合運(yùn)行、蒸汽過熱度和燃機(jī)進(jìn)風(fēng)預(yù)熱等因素對(duì)國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)園區(qū)分布式能源站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，以期為優(yōu)化工業(yè)園區(qū)分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供借鑒。

分布式能源；航改燃機(jī)；工業(yè)園區(qū)

在工業(yè)領(lǐng)域的分布式能源系統(tǒng)中，由于燃?xì)廨啓C(jī)功率密度大、熱電比高、維護(hù)工作少、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，使燃?xì)廨啓C(jī)成為工業(yè)型分布式能源的主要原動(dòng)機(jī)。目前中國(guó)已在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等原動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開展了持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)，但部分領(lǐng)域仍以進(jìn)口設(shè)備為主。在原動(dòng)機(jī)這一關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域中我國(guó)尚未完全掌握核心技術(shù)，限制了國(guó)內(nèi)燃?xì)夥植际侥茉葱袠I(yè)的發(fā)展，但近年不斷涌現(xiàn)的中國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)提供了核心技術(shù)保障。

開發(fā)基于國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)型天然氣分布式能源技術(shù)價(jià)值主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：系統(tǒng)研究國(guó)產(chǎn)航空燃機(jī)機(jī)型的再制造和再利用方式；形成國(guó)產(chǎn)航改型燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)適應(yīng)性改進(jìn)與維護(hù)體系技術(shù)規(guī)范；建立基于工業(yè)區(qū)區(qū)域能源管理的多用戶特征的微型智能能源網(wǎng)?；诖耍葬槍?duì)工業(yè)園區(qū)清潔能源替代和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的內(nèi)在需求，基于航空燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研發(fā)可用于城市天然氣分布式供能領(lǐng)域的陸用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并引入智能能源網(wǎng)的管理控制模式，實(shí)現(xiàn)工業(yè)區(qū)分布式能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為上海以及其他地區(qū)的工業(yè)園區(qū)清潔能源替代，分布式能源系統(tǒng)的推進(jìn)提供技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 示范項(xiàng)目背景及能源系統(tǒng)介紹

1.1 老港工業(yè)園區(qū)天然氣分布式能源示范項(xiàng)目

根據(jù)上海市政府轉(zhuǎn)發(fā)的市發(fā)展改革委等六部門《關(guān)于進(jìn)一步加大力度推進(jìn)燃煤(重油)鍋爐和窯爐清潔能源替代工作的實(shí)施意見》的通知(滬府辦發(fā)[2013]66號(hào))，上海市老港鎮(zhèn)政府和工業(yè)區(qū)管委會(huì)于2014年組織相關(guān)部門、企業(yè)和專家對(duì)園區(qū)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行能耗及供能方式等方面數(shù)據(jù)調(diào)研，基于園區(qū)內(nèi)企業(yè)的用能特點(diǎn)，通過對(duì)清潔能源替代方案和技術(shù)論證分析，擬在老港工業(yè)園區(qū)利用現(xiàn)有的燃煤鍋爐房改造，建設(shè)一座基于國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的天然氣工業(yè)園區(qū)級(jí)的分布式能源站，通過分布式能源系統(tǒng)技術(shù)完成園區(qū)內(nèi)燃煤鍋爐的改造任務(wù)。

通過比選論證，實(shí)行投資多元化、服務(wù)專業(yè)化的合作模式。圍繞上海工業(yè)燃煤鍋爐清潔能源替代目標(biāo)，基于上海首個(gè)工業(yè)園區(qū)天然氣分布式能源國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的示范項(xiàng)目，致力于通過互聯(lián)網(wǎng)+模式實(shí)現(xiàn)區(qū)域多用戶負(fù)荷協(xié)同智能控制，構(gòu)建工業(yè)型分布式能源技術(shù)與智慧能源產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺(tái)。

1.2 分布式能源系統(tǒng)配置

老港工業(yè)園區(qū)分布式能源站主要包括了5臺(tái)2 MW國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)發(fā)電機(jī)組QDR20和5臺(tái)7 t/h煙氣余熱蒸汽鍋爐、1臺(tái)20 t/h備用天然氣蒸汽鍋爐、2臺(tái)4 t/h調(diào)峰天然氣蒸汽鍋爐、1臺(tái)120 m3蒸汽蓄能器和輔助系統(tǒng)等。總發(fā)電裝機(jī)容量10 MW，余熱鍋爐蒸汽總產(chǎn)量35 t/h，能源站最大蒸汽供應(yīng)能力63 t/h。燃?xì)庥梢宦反胃邏菏姓細(xì)夤艿篮鸵蛔?0 m3的液化天然氣(LNG)備用站供應(yīng)。能源站所發(fā)電力通過10/35 kV升壓變升壓后以上網(wǎng)方式出售給電網(wǎng)公司。

2015年12月底，12家、25臺(tái)(套)燃煤鍋爐如期實(shí)現(xiàn)清潔能源替代，至今運(yùn)營(yíng)良好，項(xiàng)目的實(shí)施同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蒸汽、電力、水等的集中供應(yīng)，提高了能源站之間的電力運(yùn)輸安全性。通過本示范項(xiàng)目應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)園區(qū)天然氣分布式能源站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響分析，為國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)在分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用提供借鑒。

2 能源站運(yùn)行方案分析

2.1 航改燃機(jī)與燃?xì)忮仩t能效分析

(1) QDR20航改燃機(jī)性能參數(shù)。72 h滿負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃機(jī)72 h運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

航改燃機(jī)實(shí)測(cè)發(fā)電效率為19.14%，一次能源利用率79%(其中熱力除氧回收熱量635.11 kW)。

(2)燃?xì)忮仩t性能參數(shù)。統(tǒng)計(jì)三班(每班12 h)平均運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 燃?xì)忮仩t運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(3)航改燃機(jī)與燃?xì)忮仩t運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析。航改燃機(jī)與燃?xì)忮仩t運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析見表3。

表3 航改燃機(jī)與燃?xì)忮仩t對(duì)比技術(shù)結(jié)果

航改燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)與燃?xì)庹羝仩t相比，一次能源利用效率偏低，但分布式能源系統(tǒng)將一次能源轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的電能。對(duì)用戶而言，高品質(zhì)電能產(chǎn)生的收益高于因一次能源利用率低導(dǎo)致的損失，更多地運(yùn)行分布式能源系統(tǒng)并且使航改燃機(jī)運(yùn)行在較高的負(fù)荷狀態(tài)下，能源站收益更好。

2.2 多種運(yùn)行方案的對(duì)比分析

根據(jù)目前蒸汽需求量情況，能源站主要的運(yùn)行方案有方案一(2臺(tái)燃機(jī)+1臺(tái)4 t鍋爐)、方案二(2臺(tái)燃機(jī)+1臺(tái)20 t鍋爐)和方案三(1臺(tái)燃機(jī)+1臺(tái)20 t鍋爐)三種。通過三種運(yùn)行方案的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在不同蒸汽需求量的情況下，能源站日收益(僅考慮能源成本)如圖1所示。

圖1 三種運(yùn)行方案能源站日收益圖

由圖1可知，當(dāng)日蒸汽銷售量大于173 t時(shí)，方案一、方案二優(yōu)于方案三。目前，日蒸汽銷售量基本維持在該量級(jí)，因此會(huì)出現(xiàn)方案一與方案二日收益相當(dāng)?shù)那闆r。鑒于余熱鍋爐低溫?zé)煔庥酂峄厥沼糜诔跗骷訜?，能夠提供燃?xì)忮仩t的給水溫度，優(yōu)先運(yùn)行方案二。

圖2為一段時(shí)間內(nèi)日收益與蒸汽銷售量的關(guān)系圖。由圖2表明，日蒸汽銷售量75 t是能源站具有收益的平衡點(diǎn)。

表6 冬季進(jìn)風(fēng)預(yù)熱對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響分析

圖2 日收益與蒸汽銷售量關(guān)系圖

2.3 蒸汽過熱對(duì)管網(wǎng)損耗影響

5臺(tái)航改燃機(jī)發(fā)電機(jī)組配套的余熱蒸汽鍋爐有2臺(tái)蒸汽過熱度設(shè)計(jì)約70℃，3臺(tái)蒸汽過熱度設(shè)計(jì)約40℃；20 t蒸汽鍋爐過熱度設(shè)計(jì)為30℃，兩臺(tái)4 t蒸汽鍋爐無(wú)過熱度設(shè)計(jì)。蒸汽管網(wǎng)分為東線、西線和南線，現(xiàn)以東線管網(wǎng)為例分析蒸汽過熱度對(duì)管損的影響。

(1)東線蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)模擬：在不同工況下，東線的管損量為0.8 t/h，每班正常損耗量為9.6t。模擬計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 東線蒸汽管網(wǎng)模擬計(jì)算損耗

(2)蒸汽無(wú)過熱度損耗分析。選取三個(gè)時(shí)間段東線管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)東線損耗數(shù)據(jù)見表4。

表4 蒸汽無(wú)過熱度東線管網(wǎng)損耗

(3)過熱蒸汽東線管網(wǎng)損耗分析。東線蒸汽過熱度提高50℃后，實(shí)測(cè)東線損耗數(shù)據(jù)見表5。

表5 過熱蒸汽東線管網(wǎng)損耗

通過分析發(fā)現(xiàn)，蒸汽過熱度對(duì)降低管網(wǎng)損耗至關(guān)重要。因此，優(yōu)先運(yùn)行高過熱度的航改燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

2.4 冬季航改燃機(jī)進(jìn)風(fēng)預(yù)熱對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響分析

為改善冬季航改燃機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，本項(xiàng)目航改燃機(jī)進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)增加低溫?zé)煔庥酂峄厥占訜徇M(jìn)風(fēng)裝置。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析冬季航改燃機(jī)進(jìn)風(fēng)預(yù)熱對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

通過分析可知，冬季提高航改燃機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度，能夠有效提高單位燃?xì)獾氖找妗?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

基于國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)園區(qū)分布式能源站運(yùn)行方案影響要素較多，有基于經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行方案、基于能源供應(yīng)安全的運(yùn)行方案、基本負(fù)荷保障的運(yùn)行方案等。本文重點(diǎn)分析了基于能源站經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行方案。經(jīng)濟(jì)型運(yùn)行方案需要考慮的因素較多，如能源價(jià)格、設(shè)備效率、燃機(jī)頻繁啟動(dòng)、蓄能器調(diào)節(jié)、蒸汽過熱度、環(huán)境參數(shù)和補(bǔ)貼考核指標(biāo)等。因國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)的工業(yè)區(qū)分布式能源站在國(guó)內(nèi)案例較少并且缺乏長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，還需更多的專業(yè)人員通過更多數(shù)據(jù)積累分析總結(jié)更高效、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案，從而促進(jìn)國(guó)產(chǎn)航改燃機(jī)在工業(yè)園區(qū)分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

OperationProgrammeAnalysisofIndustrialParkDistributedEnergyStationBasedonDomesticAeroderivativeGasTurbine

PAN Zhiyong1, LIU Huiping2, HUANG Feng1, XUE Fei1

(1. Shanghai Tongqi New Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201399, China; 2. Shanghai Institute of Development and Reform, Shanghai 200032, China)

China has already turned distributed energy (DE) from trial into practice. However, the localization process of mid/small sized gas turbine is a bottleneck in recent decades. Yet, the application of new-type Chinese-made aircraft engine can be used to solve the problem. This research paper is based on the pilot project of the first industrial park using Chinese-made aeroderivative gas turbine powered by natural gas DE system. Different factors are compared to measure the economic impact on the DE System, including energy utilization ratio, combinations of several equipment, abnormal temperature of steam and gas turbine intake air preheating, etc. The research aims to enhance the future design of DE system for industrial park.

distributed energy；aeroderivative gas turbine; industrial park

10.11973/dlyny201705022

上海市科委“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”攻關(guān)項(xiàng)目(15DZ1201300)。

潘志勇(1982—)，男，碩士，副總經(jīng)理，從事分布式能源項(xiàng)目開發(fā)、建設(shè)與運(yùn)行管理工作。

TM61

A

2095-1256(2017)05-0590-04

2017-08-02

(本文編輯：趙艷粉)