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1引言分布式能源系统（DES）是一种新型的能源系统，一般建在用户附近，减少了输配系统的投资和能量损耗，是一种更加高效、可靠和环境友好的能源系统。当今的分布式能源系统主要是指由液体或气体燃料内燃机、微型或小型燃气轮机以及其他小型动力装置，如燃料电池等组成的总能源系统。
分布式冷热电联产系统（DES/CCHP），又称“第二代能源系统”，集成了燃气轮机、燃气内燃机、蒸汽轮机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、热泵、吸收式除湿机、能源综合控制系统等高科技技术和设备，根据热能品质综合、梯级利用输入能源和内部能源流动，实现更高的能源利用率，减少二氧化碳和有害气体的排放。
2 燃气轮机选型
2.1 单元选择原则
（1）按照“以热定电”的原则，根据冷、热负荷选择合适的安装方案，以取得较好的综合效益。
（2）应综合考虑供热（制冷）安全可靠性、机组调节灵活、技术经济先进性、合理性。
（3）考虑到天然气价格相对较高，应尽可能选用高效、启动速度快的机组，充分利用能源，降低供热（冷）和供电价格。
（4）冷、热负荷具有不确定性，机组选择应能适应冷、热负荷的一定变化。
（5）选用先进、成熟的标准系列产品，努力提高设备的国产化率。
（6）具有更好的技术和价格优势。
2.2 主要燃气轮机供应商介绍
目前，世界上能够设计生产工业重型燃气轮机的领先厂家有：美国GE公司、德国公司、法国公司、日本公司和日本企业。此外，还有一些设计和生产轻型燃气轮机的厂家，如美国P&W公司和美国Solar公司。
2.3.1 美国通用电气公司
GE是一家多元化公司，产品和服务范围广泛，从航空发动机、发电设备、金融服务、水处理到医学影像媒体。GE是全球最大的燃气轮机制造商，占据全球70%的燃气轮机市场，在设计经验、价格和性能等方面具有很强的竞争力。+G4和+G4均为航改燃气轮机，燃气轮机的发电能力分别可达30MW和40MW左右，单循环热效率高达40%左右，分别采用环形燃烧室和双燃料干式低排放（DLE）燃烧技术，NOx排放量分别为25ppm和15ppm，启停时间短，可靠性高，但进气压力高。
2.3.2 日立
日立集团是著名的跨国综合电气企业，业务领域涵盖电力及工业系统、信息及通信系统、电子设备、数字媒体及家用电器、高性能材料、物流及服务、金融服务等。在能源领域，日立集团涉及火力发电系统、水力发电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、核电系统、SCR去库存系统和发电站控制系统。日立的燃气轮机生产始于1966年，第一台H25/H15燃气轮机于1988年开始商业运行。
2.3.3 普惠公司
美国联合技术公司是2009年位列美国100强第40位的集团公司，年销售额达590亿美元，旗下拥有美国普惠发动机公司（Pratt & ）、奥的斯电梯、开利空调、西科斯基直升机等知名品牌。美国普惠公司是世界三大航空发动机制造商之一，美国普惠动力系统公司（Pratt & Power，PWPS）是普惠公司的地面电力系统部门，生产500kW-60MW系列工业燃气轮机。该公司从20世纪60年代初开始生产工业燃气轮机，至今已生产了数千台各类工业燃气轮机，是世界主要轻型工业燃气轮机制造商之一。
FT8轻型工业燃气轮机是普惠动力系统公司的主力产品，单台ISO功率为30MW。FT8燃气轮机的核心机来自于JT8D商用发动机，该发动机已销售超过1.4万台，累计运行时间超过1亿小时。FT8燃气轮机具有效率高、安装方便、占地面积小、启动快、部分负荷性能好、运行灵活等特点，广泛应用于发电（简单循环和联合循环）、热电联产和机械驱动等。目前，全球共有400多台FT8机组在运行，总运行时间超过300万小时。
2.3.4 西门子
西门子总部位于柏林和慕尼黑，是全球最大的电子电气工程公司之一，主要业务集中在工业、能源和医疗领域。西门子能源是全球领先的整个能源转换链综合解决方案供应商，同时也为工业用户（特别是石油和天然气行业）提供全面的系统解决方案。西门子在能源业务领域表现突出，旗下六大业务集团均处于市场领先地位。火力发电集团为化石燃料发电提供高效的产品和解决方案，产品范围涵盖燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和“交钥匙”发电厂。可再生能源集团主要为风能和太阳能市场提供产品和解决方案。石油和天然气集团为客户提供一系列用于石油和天然气开采、运输和加工的产品和解决方案。能源服务集团为整个发电厂和旋转设备（如燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和压缩机等）提供全面的服务，包括
包括运营、维护和现代化服务。
高压领域产品和解决方案的领先供应商，是高压直流系统领域的技术领导者。配电集团通过智能网络系统提高能源系统的效率。该集团提供创新的中压设备和系统、高效的能源自动化解决方案以及电力系统和网络服务。SGT-600 燃气轮机发电能力为 24MW燃气轮机和内燃机，单循环效率为 33.3%，排气温度高，适用于热电联产和联合循环应用。
2.3.5 Sora 公司
Solar Ltd. 是卡特彼勒公司的全资子公司。Solar 是世界领先的工业燃气轮机和涡轮机组制造商，功率范围为 1,000 至 22,000 千瓦。Solar 的产品还包括天然气压缩机、燃气轮机发电机和压缩机组以及燃气轮机机械驱动器。目前，Solar 在中国安装了 176 多台机组，广泛应用于中海油、中石油和中石化油田发电厂和天然气管道增压站。
2.4 主要燃气轮机型号单循环性能对比
考虑到分布式能源项目容量较小、靠近冷热用户、输送距离短等特点，对应的燃气轮机出力较小，本文选取5家公司的具有代表性的燃气轮机型号进行比较，详见表1。
从表1中我们可以看出：
（1）航改燃气轮机相对于工业重型燃气轮机具有较大的压比，入口天然气压力高，这将提高电厂的电耗率。
（2）航改燃气轮机在ISO工况下单循环热耗低于工业重载燃气轮机；而效率高于工业重载发动机。
（3）航改燃气轮机的排气能量小于工业重型燃气轮机，也就是说航改燃气轮机的余热利用潜力小于工业重型燃气轮机。
2.5 航改燃气轮机与工业重型燃气轮机的比较
为了减少篇幅，方便说明，本文将GE的航改燃气轮机+G4与日立的工业重型燃气轮机H25进行了比较。
2.5.1 燃气轮机入口天然气压力
在选择燃气轮机时，应注意设备所需的天然气入口压力，天然气入口压力应尽可能在天然气管网所能提供的压力范围内，以减少投资和电耗。
由于GE的+G4进气压力为3.8MPa，日立H25进气压力为2.2~2.5MPa，所以对于同样的天然气管网压力，有可能日立H25燃机不需要增压站，而GE的+G4必须有增压站。增压站会带来额外的功耗，在场地布置上也需要采取相应的防爆措施，所以在选择航改燃机时需要注意这一因素的影响。
1引言分布式能源系统（DES）是一种新型的能源系统，一般建在用户附近，减少了输配系统的投资和能量损耗，是一种更加高效、可靠和环境友好的能源系统。当今的分布式能源系统主要是指由液体或气体燃料内燃机、微型或小型燃气轮机以及其他小型动力装置，如燃料电池等组成的总能源系统。
分布式冷热电联产系统（DES/CCHP）燃气轮机和内燃机，又称“第二代能源系统”，集成了燃气轮机、燃气内燃机、蒸汽轮机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、热泵、吸收式除湿机、能源综合控制系统等高科技技术和设备，按照热能品质综合、梯级利用输入能源和内部能源流动，实现更高的能源利用率，减少二氧化碳和有害气体的排放。
2 燃气轮机选型
2.1 单元选择原则
（1）按照“以热定电”的原则，根据冷、热负荷选择合适的安装方案，以取得较好的综合效益。
（2）应综合考虑供热（制冷）安全可靠性、机组调节灵活、技术经济先进性、合理性。
（3）考虑到天然气价格相对较高，应尽可能选用高效、启动速度快的机组，充分利用能源，降低供热（冷）和供电价格。
（4）冷、热负荷具有不确定性，机组选择应能适应冷、热负荷的一定变化。
（5）选用先进、成熟的标准系列产品，努力提高设备的国产化率。
（6）具有更好的技术和价格优势。
2.2 主要燃气轮机供应商介绍
目前，世界上能够设计生产工业重型燃气轮机的领先厂家有：美国GE公司、德国公司、法国公司、日本公司和日本企业。此外，还有一些设计和生产轻型燃气轮机的厂家，如美国P&W公司和美国Solar公司。
2.3.1 美国GE公司
GE是一家多元化公司，产品和服务范围广泛，从航空发动机、发电设备、金融服务、水处理到医学影像媒体。GE是全球最大的燃气轮机制造商，占据全球70%的燃气轮机市场，在设计经验、价格和性能等方面具有很强的竞争力。+G4和+G4均为航改燃气轮机，燃气轮机的发电能力分别可达30MW和40MW左右，单循环热效率高达40%左右，分别采用环形燃烧室和双燃料干式低排放（DLE）燃烧技术，NOx排放量分别为25ppm和15ppm，启停时间短，可靠性高，但进气压力高。
2.3.2 日立
日立集团是著名的跨国综合电气企业，业务领域涵盖电力及工业系统、信息及通信系统、电子设备、数字媒体及家用电器、高性能材料、物流及服务、金融服务等。在能源领域，日立集团涉及火力发电系统、水力发电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、核电系统、SCR去库存系统和发电站控制系统。日立的燃气轮机生产始于1966年，第一台H25/H15燃气轮机于1988年开始商业运行。
2.3.3 普惠公司
美国联合技术公司是2009年位列美国100强第40位的集团公司，年销售额达590亿美元，旗下拥有美国普惠发动机公司（Pratt & ）、奥的斯电梯、开利空调、西科斯基直升机等知名品牌。美国普惠公司是世界三大航空发动机制造商之一，美国普惠动力系统公司（Pratt & Power，PWPS）是普惠公司的地面电力系统部门，生产500kW-60MW系列工业燃气轮机。该公司从20世纪60年代初开始生产工业燃气轮机，至今已生产了数千台各类工业燃气轮机，是世界主要轻型工业燃气轮机制造商之一。
FT8轻型工业燃气轮机是普惠动力系统公司的主力产品船舶电子与信息设备保养，单台ISO功率为30MW。FT8燃气轮机的核心机来自于JT8D商用发动机，该发动机已销售超过1.4万台，累计运行时间超过1亿小时。FT8燃气轮机具有效率高、安装方便、占地面积小、启动快、部分负荷性能好、运行灵活等特点，广泛应用于发电（简单循环和联合循环）、热电联产和机械驱动等。目前，全球共有400多台FT8机组在运行，总运行时间超过300万小时。
2.3.4 西门子
西门子总部位于柏林和慕尼黑，是全球最大的电子电气工程公司之一，主要业务集中在工业、能源和医疗领域。西门子能源是全球领先的整个能源转换链综合解决方案供应商，同时也为工业用户（特别是石油和天然气行业）提供全面的系统解决方案。西门子在能源业务领域表现突出，旗下六大业务集团均处于市场领先地位。火力发电集团为化石燃料发电提供高效的产品和解决方案，产品范围涵盖燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和“交钥匙”发电厂。可再生能源集团主要为风能和太阳能市场提供产品和解决方案。石油和天然气集团为客户提供一系列用于石油和天然气开采、运输和加工的产品和解决方案。能源服务集团为整个发电厂和旋转设备（如燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和压缩机等）提供全面的服务，包括
包括运营、维护和现代化服务。
高压领域产品和解决方案的领先供应商，是高压直流系统领域的技术领导者。配电集团通过智能网络系统提高能源系统的效率。该集团提供创新的中压设备和系统、高效的能源自动化解决方案以及电力系统和网络服务。SGT-600 燃气轮机发电能力为 24MW，单循环效率为 33.3%，排气温度高，适用于热电联产和联合循环应用。
2.3.5 Sora 公司
Solar Ltd. 是卡特彼勒公司的全资子公司。Solar 是世界领先的工业燃气轮机和涡轮机组制造商，功率范围为 1,000 至 22,000 千瓦。Solar 的产品还包括天然气压缩机、燃气轮机发电机和压缩机组以及燃气轮机机械驱动器。目前，Solar 在中国安装了 176 多台机组，广泛应用于中海油、中石油和中石化油田发电厂和天然气管道增压站。
2.4 主要燃气轮机型号单循环性能对比
考虑到分布式能源项目容量较小、靠近冷热用户、输送距离短等特点，对应的燃气轮机出力较小，本文选取5家公司的具有代表性的燃气轮机型号进行比较船舶安全管理体系软件，详见表1。
从表1中我们可以看出：
（1）航改燃气轮机相对于工业重型燃气轮机具有较大的压比，入口天然气压力高，这将提高电厂的电耗率。
（2）航改燃气轮机在ISO工况下单循环热耗低于工业重载燃气轮机；而效率高于工业重载发动机。
（3）航改燃气轮机的排气能量小于工业重型燃气轮机，也就是说航改燃气轮机的余热利用潜力小于工业重型燃气轮机。
2.5 航改燃气轮机与工业重型燃气轮机的比较
为了减少篇幅，方便说明，本文将GE的航改燃气轮机+G4与日立的工业重型燃气轮机H25进行了比较。
2.5.1 燃气轮机入口天然气压力
在选择燃气轮机时，应注意设备所需的天然气入口压力，天然气入口压力应尽可能在天然气管网所能提供的压力范围内，以减少投资和电耗。
由于GE的+G4进气压力为3.8MPa，日立H25进气压力为2.2~2.5MPa，所以对于同样的天然气管网压力，有可能日立H25燃机不需要增压站，而GE的+G4必须有增压站。增压站会带来额外的功耗，在场地布置上也需要采取相应的防爆措施，所以在选择航改燃机时需要注意这一因素的影响。
2.5.2 大气温度变化对机组出力、热耗及排烟参数的影响
图1-4显示了大气温度变化对GE+G4和日立H25燃气轮机产量、热消耗、排气温度和排气流量的影响。
从图中可以看出，随着温度的上升，GE的+G4出力下降较快，但热耗量下降较慢。相比之下，日立的排气温度和预定流量变化较慢。
2.5.3 热端部件更换周期
GE建议，该机组运行4000小时后（停机8至12小时）进行一次内窥镜检查；运行25000小时后（停机3天）进行一次热部件检查，更换费用约为150万至300万美元；运行5万小时后进行一次大修和发动机更换，更换费用约为300万至500万美元。
GE的+G4在运行50000小时（6年）后进行大修并更换发动机，而日立的H25在运行64000小时（8年）后进行大修。
2.5.4 长期服务维护合同成本
GE提出的总合同期限为12年，涵盖两个大修期。服务包括合同期内的计划内和计划外（有一定上限）维修备件和服务。合同收取初始费用、每月固定费用和燃烧小时费用。如果现场有发动机可用或客户参与租赁发动机合同，可保证95％的可用率。总体成本约为每千瓦时0.023-0.028元人民币，具体取决于合同内容。
日立H-25燃机小修、中修、大修参考成本为0.013元/KWh，具体成本将根据业主情况、范围、周期等要求而有所不同。
2.5.5 燃气轮机经济性比较
燃气轮机的经济性主要与项目运行参数（年运行小时数及项目运行期）、生产运行参数（全厂联合循环效率及气价等）、支付费用、工程造价、折旧、维护费用、融资条件、税金及法定费率等有关。
通常，最终电价中各项因素的权重是不同的。经初步测算，建设成本约占电价的5%，年发电量和供热量约占电价的80%，维护成本可直接计入电价。表2是根据某项目相关基础数据测算出的两台燃气轮机主要经济性数据对比表。
从上表可以看出，在各类基础数据不变的情况下，对于供热工况，日立H-25燃气轮机比GE+G4燃气轮机经济性更好，平均含税上网电价略低。
2.5.5 工业重型燃气轮机与航空衍生轻型燃气轮机的比较
工业重型燃气轮机与航改轻型燃气轮机的性能参数对比如表3所示。
3 安装方案选择
3.1 联合循环热力系统选择
实用的燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电装置（简称联合循环）从热力循环系统角度主要分为以下五类：
（1）无补燃的余热锅炉联合循环
所有热量由燃气轮机带入联合热力循环，这是以燃气轮机为基础的联合循环，燃气侧参数对系统性能影响较大。
（2）余热锅炉联合循环加补燃
一种联合热力循环，其中一部分热量在工作流体在燃气轮机中做功后添加到工作流体中。补充燃烧的作用是改善蒸汽参数和蒸汽产量，增加蒸汽轮机的功率或为外部工艺流程提供额外的加热蒸汽。
（3）排气全燃烧联合循环
一种利用燃气轮机排气作为热空气辅助燃烧的联合循环。工作流体中几乎所有剩余的氧气都会与燃料发生化学反应。这是一种基于蒸汽轮机的联合循环，系统性能很大程度上取决于蒸汽侧循环参数。
（4）正压锅炉联合循环
蒸汽发生器位于循环气体侧燃烧室之后、燃气轮机之前，也是以蒸汽轮机为基础的联合循环，系统性能主要取决于蒸汽侧循环参数。
（5）给水加热联合循环
燃气轮机排烟主要用于加热蒸汽循环系统的给水，是以蒸汽轮机为主的联合循环，系统性能主要取决于蒸汽循环，适用于燃气轮机排烟温度较低的场合。
以上五种类型的联合循环不仅可用于发电，还可以制成热电联产或三联产联合循环，即从系统某处抽取蒸汽用于工艺流程中使用。
一般来说，无补燃的余热锅炉式联合循环是各种联合循环中效率最高的，因为输入的热量全部在气侧以较高的温度加入循环系统，所以应用广泛，最适合于基本负荷和中间负荷的机组。
因此建议分布式能源项目采用无补燃的余热锅炉联合循环。
3.2 联合循环机组轴系配置
对于联合循环电厂而言，系统的轴系布置方案是决定电厂结构和机组效率、灵活性的重要因素。轴系布置方案一般可分为单轴和多轴两种。单轴即燃气轮机和蒸汽轮机在同一轴上共同带动发电机工作；多轴即燃气轮机和蒸汽轮机的轴是分开的，各自带动自己的发电机工作。多轴方案可以是一台燃气轮机对应一台蒸汽轮机，也可以是多台燃气轮机对应一台蒸汽轮机。根据燃气轮机台数，又称为“1+1”、“2+1”、“X+1”多轴系统。通常大容量的燃气轮机采用单轴，小容量的燃气轮机往往配置多轴。
联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置及占地面积、运行和热力性能（特别是变工况性能）、机组能否承担电网峰值负荷等影响较大。此外，还应适当考虑投资、运行灵活性、占地面积、建设周期、国产化率、维护等因素的影响。在优化电站设计时，应综合考虑上述因素，确定总体轴系配置方案。
对于分布式能源项目，电力由热（冷）决定，而供热（冷）负荷基本为工业热负荷和空调冷热负荷，可靠性要求较高，因此单轴配置优势不明显；而对于三联产机组，会同时受到电网和热（冷）网波动的影响，为保证安全可靠性，建议采用多轴配置。
4 工程案例分析
上海市某燃气三联产项目设计冷、热负荷统计值见表4。
本项目采用“一拖一”燃气-蒸汽联合循环，每台燃气轮机配一台双压余热锅炉和一台抽汽凝汽式汽轮机，两种机型技术指标计算见表5（两台机组）。
从表5我们可以看出：
（1）本项目采用2台GE+25t峰值锅炉的方案，可以很好地满足热负荷的响应；勉强满足平均冷负荷，但不能满足最大冷负荷；采用2台GE+20t峰值锅炉的方案，可以很好地满足热负荷的响应，满足平均和最大冷负荷的响应。
（2）纯冷凝工况下两台 GE 燃气轮机和蒸汽轮机的总发电量。纯冷凝工况下两台燃气轮机和蒸汽轮机的总发电量。两种机型的发电量差异约为 17,388 kW。
（3）两种模型在最大抽汽工况下的联合循环效率均接近80%。
（4）GE机型在额定抽汽工况下热电比为75.84；LM600机型在额定抽汽工况下热电比为71.35，均能满足发电厂热电比要求。
（5）GE模型的总投资约为劣质模型，而根据项目的现有条件，根据计算，较低模型的电网电力价格低于次要模型。在两个模型的经济方面的生存，模型更有利。
表3工业重型燃气轮机和机动轻型燃气轮机的比较摘要
5 结论
（1）根据各方的技术数据的比较，如果GE在纯冷凝发电条件下进行操作，则GE的空气来源燃气轮机会优越，而日立的工业重型燃气轮机如果在长期蒸汽提取发电条件下用于分布式能源项目，则它们在长期蒸汽提取发电条件下进行操作。
（2）选择用于分布式能源项目的燃气轮机不仅应关注经济，而且还应针对安全性和可靠性。
（3）从单位运营的经济效率，长期连续运行，热门组件置换周期以及长期服务和维护成本的角度来看，工业重型燃气轮机更适合于分布式能源项目，并且自动衍生燃气轮机更适合剃须剃须电厂需要快速起步和停止时间。
（4）对于分布式能源项目，应采用废热锅炉的合并循环，而无需补充射击，并建议采用多轴配置。
（作者Wang Tao拥有 的动力工程和工程热物理学硕士学位，目前在东中国电力设计学院工作）
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