摘要：天然气分布式能源是一种新型的能源系统，它通常建于用户附近，减少输配系统投资和能源损失，提高了能源利用率，具有良好的社会效益、节能效益和环境效益。本文从天然气分布式能源站机组造型和经济性出发，深入分析不同发电机组性能和机组经济性，对天然气分布式机组的选型具有一定的指导意义。
关键词：天然气；分布式能源；机组；选型；经济性分析
1 问题提出的背景
以天然气为燃料的分布式能源站是我国能源发展的主要方向。分布式能源发展在发达国家发展十分迅猛，发达国家政府分布式能源系统在整个能源系统中占比不断提高，其中欧盟分布式能源占比约达10%。我国分布式能源起步较晚，但国家非常重视并推进。国家发展与改革委员会能源〔2011〕2196 号《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中明确提出，“‘十二五’期间建设1000个左右天然气分布式项目，到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机达到5000万千瓦。”所以未来一段时期，以天然气为燃料的分布式能源站是我国能源发展的主要方向之一。
机组选型对天然气分布式能源十分重要，它直接影响其投资额、投产后生产运行技术经济指标，投产后的经济效益，所以针对天然气分布式能源在立项前机组的选型和经济性方面要深入研究和分析，方可实施，以期实现效益最大化。
2 天然气分布式能源概念
国家发展改革委、财政部、住房城乡建设部、国家能源局联合下发的发改能源〔2011〕2196 号《关于发展天然气分布式能源的指导意见》。文中指出，“天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。”
分布式能源系统综合能源利用效率计算方法。采取分布式能源系统年综合能源利用效率时，不考虑调峰设备用能和供能情况，仅考虑天然气分布式能源系统供能和用能。具体计算方法如下：
其中：η——年平均能源综合利用率（%）；W——年联供系统净输出电量（kWh）；Q1——年有效余热供热总量（MJ）；Q2——年有效余热供冷总量（MJ）；Ｂ——年联供系统燃气总耗量（Nm3）；QL——燃气低位发热量（MJ/Nm3）。
3 分布系统配置
分布系统一般包括动力设备、余热利用设备、供配电设备、燃气供应设备、监控装置等，常规配置见图3-1。在实际设计中，应根据发电机组特性、用户需求（热电比、冷热负荷特性 ）等多方面因素合理配置分布系统，以实现能源的高效经济利用。
动力设备对分布系统的性能起着至关重要的作用，其排放的余热被下游的余热利用设备回收利用，成为分布系统的驱动源头。一般情况下，当负荷主要为冷热负荷时，余热利用设备宜采用吸收式冷热水机组；当负荷主要为蒸汽或热水负荷时，余热利用设备宜采用余热锅炉及换热设备。
图3-1分布式系统常规配置
4 发电机组性能比较
目前应用于天然气分布式能源系统的发电机组主要包括燃气内燃机、燃气轮机、燃气微燃机、燃料电池等。
燃气微燃机单机容量较小，一般在 250kW 以下，其发电效率及综合热效率均较低，生产厂家也较少，设备单位容量价格较高；燃料电池应用较少，相对成本更高。为此，在相近规模天然气分布式能源项目中使用比较普遍的发电设备主要为小型燃气轮机发电机组和燃气内燃机发电机组。
4.1燃气轮机与内燃机比较
4.1.1燃气轮机
1 ）燃气轮机发电机组性能特点
a ）燃气轮机发电机组具有体积小、运行成本低和寿命周期较长（大修周期在6万h左右）、出口烟气温度较高、氮氧化物排放率低等优点；
b ）燃气轮机发电机组发电电压等级高、功率大、供电半径大、适用于用电负荷较大 的场所，发电机输出功率受环境温度影响较大；
c ）燃气轮机发电机组余热利用系统简单、高效；
d ）燃气轮机发电机组一般需要次高压或高压燃气；
e ）燃气轮机发电机组启动时间较燃气内燃发电机组长；
f ）小型燃气轮机单位容量价格较高，大、中型燃气轮机单位容量价格较低。
2 ）燃气轮机主要技术参数特点
a ）燃气轮机自身的发电效率不算很高，一般在 30%～35%之间，但是产生的废热烟 气温度高达 450～550℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再 发一次电，形成燃气轮机--蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到 45%～50%，一些大型机组甚至可以超过55%；
b ）燃气轮机利用压气机进气导叶的开度来调节空气进气量，调节范围为 100%～ 70%。当负荷小于 70%，只能通过控制燃料来控制燃气轮机的出力，所以燃气轮机低 负荷运行时，效率大幅度下降，带 50%负荷时效率下降 5～7 个百分点；
c ）燃气轮机的起动时间 2～5 分钟，带满负荷时间 15～20 分钟。
4.1.2 燃气内燃机
1 ）燃气内燃发电机组性能特点
a ）单机能源转换效率高，发电效率最高可达 46%，能源消耗率低；
b ）地理环境造成动力输出影响最小，高温、高海拔下可正常运行；
c ）发电负载波动适应性强；
d ）操作运转技术简单易掌握；
e ）可直接利用低压天然气进入燃气内燃发电机组燃烧；
f ）设备集成度高，安装快捷；
g ）燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降；
h ）内燃机需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，也影响到设备的可用性和 可靠性两个主要设备利用指标，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发电机 组台数的办法，来消除利用率低的影响；
i ）内燃机单位容量价格比小型燃气轮机低，比大、中型燃气轮机高。
2 ）燃气内燃机主要技术参数特点
a ）燃气内燃机的发电效率通常在 30%～40%之间，比较常见的机型一般可以达到 35%；
b ）发电效率随负载负荷的影响较小，从 100%负荷降到 50%负荷时，内燃机的发电效率从 40%变化到 34%左右；
c ）内燃机启动时间 0.5～2 分钟，带满负荷时间在 15 分钟之内。
4.2燃气轮机与燃气内燃机性能对比
燃气轮机与燃气内燃机主要参数比较见表4-1
表 4-1 燃气内燃机与燃气轮机对比表
5 分布式能源机组经济性比较
目前，相同发电功率的燃气轮机组、内燃机组的使用寿命、大修间隔时间基本相同，内燃机组的单位发电功率运行维护费用略高于燃气轮机组，但单位发电功率造价约为燃气轮机组的50％。此外，对于具体的分布系统，经济性还与全年负荷波动、当地能源价格以及环保要求等指标有关。
为避免补燃和余热排空现象的发生，一般根据用户需求选择发电机组类型和容量，从而获得较大的节能和经济效益。当建筑冷热负荷全年波动较大，导致不得不采用补燃或余热部分排空方式进行调节时，分布系统经济性势必受到一定影响。
此外，还应考虑后期维护所需人工费用对运行费用的影响。以欧洲某品牌内燃机组为例，外派维修人工费用约700欧元／d。
6 燃气轮机与燃气内燃机的选型建结论
从以上可以看出，燃气内燃机发电效率较燃气轮机高，调节较为灵活、部分负荷特性较好。但是相比燃气轮机，燃气内燃机单位造价高、余热形式较多（烟气和高低温缸套水），余热利用较为复杂。
综合考虑燃气内燃机适合于蒸汽负荷密度不大，余热形式较多（冷气、热水、蒸汽等）的楼宇式分布式能源站。燃气轮机适合于负荷形式单一，且蒸汽负荷密度大、稳定、受外界气候影响很小，余热回收形式简单，以需要蒸汽为主的工业园区能源站。
论文作者:蒲宏彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
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