燃氣供熱機組低碳運行方式分析

史彩菊

(北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067)

隨著環(huán)保要求的進一步嚴格，清潔能源裝機容量不斷提高。燃氣機組由于其環(huán)保、節(jié)能、啟?？斓葍?yōu)點，發(fā)展速度較快，截止2017年8月底，京津唐燃氣機組裝機容量達到11 174.58 MW，占全部裝機容量的15.07%，特別是在北京地區(qū)，隨著四大熱電中心的建成投產(chǎn)，燃煤機組已經(jīng)全部退出運行?，F(xiàn)在北京地區(qū)燃氣裝機容量已達到8 197 MW，全部為供熱機組。保證燃氣供熱機組的清潔、高效、低碳經(jīng)濟運行，是發(fā)電行業(yè)的重要工作內(nèi)容之一。

1 北京地區(qū)能源供應現(xiàn)狀

1.1 裝機規(guī)模及分布

隨著節(jié)能減排和環(huán)境保護壓力的增大，北京市“十二五”規(guī)劃提出了“1+4+N”的供熱體系，即建成東南、東北、西南和西北四大天然氣熱電中心，形成“1+4+N”中心供熱體系。 東北熱電中心位于朝陽區(qū)高安屯，供熱能力為2 400×104m2；東南熱電中心 位于朝陽區(qū)王四營，供熱能力為3 900×104m2；西南熱電中心位于豐臺區(qū)草橋，供熱能力為2 100×104m2；西北熱電中心 位于石景山區(qū)高井，供熱能力為3 600×104m2。

目前四大熱電中心已全部建成投產(chǎn)，原有的燃煤機組也逐步退出市場，北京市的裝機類型全部為燃機清潔供熱發(fā)電，并以9F為主流機型。

1.2 燃氣機組主要特性

以某電廠“二拖一”機組為例對燃氣機組進行分析。該機組安裝2臺燃氣輪機、2臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪機，同步建設脫硝裝置。整套機組選型先進，能源利用率高，污染物排放少，主要有以下特點。

a. 機組采用“二拖一+3S離合器+大旁路”的配置方案，可實現(xiàn)2臺燃機+兩臺余熱鍋爐+蒸汽輪機的“二拖一”運行和一臺燃機+一臺余熱鍋爐+蒸汽輪機的“一拖一”運行；還可以根據(jù)供熱需求實現(xiàn)純凝、抽凝、背壓甚至汽輪機全切工況等多種運行方式。

b. 抽凝工況的最大供熱面積為1 000×104m2，背壓工況的最大供熱面積為1 200×104m2，設計有汽機全切工況，汽機全切工況下，供熱面積可達1 400×104m2，以應對極端天氣或市政供熱特殊情況的需求，更好地擔負供熱企業(yè)的社會責任。

c. 采用降噪消音型設計，廠界噪聲控制在45 dB，達到了噪音控制最高等級；同步建設高效脫硝裝置，氮氧化物排放質(zhì)量濃度7.3 mg/ m3，遠低于北京市30 mg/m3要求；二氧化硫和粉塵接近零排放；二氧化碳年排放約140×104t，與全國火電平均水平相比，減排約130 t。

d. 機組采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，通過“熱電聯(lián)產(chǎn)”的工藝方式，將高品位能源用于發(fā)電，低品位能源用于供熱；通過鍋爐尾部加裝煙氣換熱裝置等能源梯級利用技術(shù)，實現(xiàn)了清潔優(yōu)質(zhì)天然氣能源的高效利用，機組供熱季發(fā)電氣耗可低至0.136 m3，供熱工況下能源利用率最高可達89.74%。

e. 整套機組實現(xiàn)了“全程智能化控制”，自動控制水平國內(nèi)領先，真正實現(xiàn)了全過程無斷點的一鍵式啟停，大大提高了系統(tǒng)操作的準確性、規(guī)范性，減輕了運行人員的勞動強度，縮短了機組啟停時間。

2 低碳經(jīng)濟運行分析

2.1 采暖期低碳經(jīng)濟運行分析

機組冬季供熱運行設計有3種工況。全切工況為事故緊急情況下的特殊運行工況，不做詳述。冬季供熱量除了受環(huán)境氣溫變化而影響外，基本保持穩(wěn)定，因此，選擇滿足不同環(huán)境氣溫變化的供熱需求，以保供熱、保民生、提高外購電比例的能源供給原則，保持供熱量不變，分析背壓和抽凝2種方式運行的經(jīng)濟性。相同供熱量不同供熱工況機組運行參數(shù)見表1。

從表1 可以看出，無論在供暖初期、中期、還是晚期，在各種穩(wěn)定的供熱需求下，背壓運行的供電碳排放強度、發(fā)電氣耗、單位燃氣量的盈利能力均優(yōu)于抽凝供熱運行，因此機組背壓運行無論在能源消耗、二氧化碳排放和單位燃氣量盈利能力方面，均表現(xiàn)出極高的低碳經(jīng)濟運行優(yōu)勢，因此冬季供熱，機組擬采用背壓供熱運行。

2.2 非采暖期低碳經(jīng)濟運行分析

每年3月下旬到5月初，9月初到11月上旬，是年度電力需求低迷階段，此階段，機組經(jīng)常處于“二拖一”低負荷(50%～60%)和“一拖一”運行的選擇中，本文通過實際運行數(shù)據(jù)，從氣耗水平、碳排放強度和單位供電量盈利能力等方面綜合分析低碳環(huán)境下，非采暖期機組的經(jīng)濟運行方式?！岸弦弧迸c“一拖一”不同運行方式參數(shù)見表2。

比較“二拖一”低負荷(50%負荷)和“一拖一”(40%負荷)運行，“二拖一”低負荷碳排放強度高、單位供電量盈利能力低，因此“二拖一”低負荷運行無論從能耗水平、碳排放強度和單位供電量盈利能力方面均不及“一拖一”運行。就利潤而言，“二拖一”低負荷(50%負荷)運行，優(yōu)于“一拖一”(40%～45%負荷)，但這種優(yōu)勢隨著碳排放成本的增加不斷降低，當碳排放成本升高至85元以上時，“二拖一”低負荷運行，產(chǎn)量高帶來的利潤優(yōu)勢將不復存在，因此在爭取機組運行方式時，盡量“二拖一”較高負荷率(60%負荷以上)運行，否則應權(quán)衡能耗水平、利潤和碳成本各方，平衡擇優(yōu)。

表1 相同供熱量不同供熱工況機組運行參數(shù)

表2 “二拖一”與“一拖一”不同運行方式數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

通過機組供暖季背壓抽凝不同運行方式、不同負荷純凝運行、年度機組運行產(chǎn)量安排等常態(tài)運行工況的分析比較，提出了在非供暖期負荷低迷時期，盡量避免“二拖一”低負荷運行(50%負荷)，采取“一拖一”40%以上負荷運行；供熱季采取背壓運行的燃氣機組清潔、高效濟運行建議。