天然气分布式能源站工程设想方案

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1、1天然气分布式能源站工程设想 1.1全站总体规划及站区总平面布置 1-1.1全站总体规划 总体规划原则 (1)正确处理近期与远期的关系，立足近期，兼顾远期，在尽量降低本期工程投入的前提下适当兼顾后续扩建工程，做到有利扩建，合理分享有限的自然资源，为能源站建设规划出最大的可持续发展空间。 (2)综合考虑热力既有配套设施、燃料供应、运输条件、地区自然条件、水源、外部接入条件、环境保护要求和建设计划等因素，节约用地、节省投资。 (3)以站区为中心，使站内外工艺流程合理，尽量缩短各种管线长度。 (4)降低各类污染，满足国家现行的防火、卫生、安全等技术规程及其它技术规范要求。 1-1.1.2总体规划方案

2、 经过全面、综合、深入地研究本站址的建设条件，根据能源站燃料供应管线进站方向、进站道路方向及主厂房方位等主要因素进行总体规划设计，在多方案比较的情况下确定如下优化总体规划方案： 燃料 本项目选用天然气作为内燃机燃料，不考虑备用燃料。本项目天然气由XXXXXXXXXX燃气有限公司敷设管道供应燃气，能够充分保障本项目的用气需求。在能源站外设置燃气调压柜，采用中压A中压B调压器降压，调压柜后敷设天然气管道与燃气内燃机燃烧器相连，保障燃烧器口天然气压力满足设备要求。 水源 巨龙生物厂区由市政管网供水，能够满足厂区用水需求。能源站的给水由巨龙生物提供脱盐水,水量能满足能源站的用水要求。 1.1.2站区总

3、平面规划布置 1.1.2.1站区总平面规划布置原则 本项目建设在巨龙生物厂区之内，根据厂区的原有规划，本项目的总平面布置要根据生产工艺、运输、消防、安全等要求，结合工程用地现状，在满足发电工艺流程、防火及卫生要求的前提下进行布置。本着节约土地、节约建设投资，减少现有建、构筑物及地下管线拆迁的原则，在充分利用现有场地、注重厂房的生产协作联系的基础上,安全、紧凑、合理地布置生产及辅助生产设施。 1.1.2.2站区总平面规划布置方案 根据站区外部条件，在充分利用现有条件、生产工艺流程顺畅、布置紧凑、节约用地、出线方便、交通便捷、运行管理方便等原则基础上确定如下总平面规划布置方案： (1) 工程组成：

4、本项目主要由燃气内燃机+换热器、配电室、控制室、办公室等相关构筑物组成。 (2) 总平面布置：本项目在厂区污水处理厂附件空置地块新建能源站，占地面积约300平方米。 1.1.23站区竖向规划布置 本项目站区竖向设计采用平坡式。站区排水系统采用雨、污水分流制。屋面雨水采用外排水，通过雨水立管排入厂区现有雨水口后再排入站外园区雨水管网。本工程无酸碱性化学废水，软化水处理器采用氯化钠再生，其再生液无毒、无腐蚀性,考虑排入工业废水管网。本工程生活污水量少，考虑经化粪池处理后排至污水管网至污水处理厂。 1.1.3站区道路规划布置 站区周围均设有环形道路网。本次设计利用原有路网，不新增道路，站内设置相对应

5、的消防通道。 1.2机组选型及供热方案 1.2.1机组选型方案设计原则 分布式能源系统主要由燃机发电设备、余热利用设备和相关辅助设备等构成。当前应用较多燃气发电设备主要有燃气轮机和燃气内燃机；余热利用设备主要有烟气热水型冷(热)水机组、蒸汽热水型冷水机组、烟气型冷水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水机组、蒸汽余热锅炉、热水型余热锅炉、换热器等。因用能需求特性和环境资源条件，不同项目宜采用不同系统配置方式。 分布式能源系统要求提高系统综合能源利用效率、降低运行成本，所以新建的分布式能源系统将通过采用能源梯级利用技术提高系统综合能源利用效率 ， 符合国家节能环保的政策要求;并力求通过合理

6、的系统设计从经济上体现节能收益，建设具有节能性和经济性的供能系统 。 结合巨龙生物实际情况,增强可实施性系统设计、建设及运行紧密结合工业用能特点，按照巨龙生物热电需求变化规律提供高品质的供能服务。同时考虑与已有的设计方案相结合,充分发挥分布式能源系统优势。 1.2.2负荷特点 巨龙生物项目是一个工业项目,并且属于一个节能改造的项目。厂区蒸汽负荷稳定在110-120t/h,锅炉给水量为130t/h，按前文热负荷分析,该部分给水加热可稳定消纳最大热负荷约32.65GJ/h0厂区用电除自发电外，尚需自市政电网购入，购入电力部分平均6542kWh/小时。本项目的热负荷、电负荷都比较稳定。 1.2.3发

7、电机组选型 当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。该四 类典型发电设备主要特点简单比较如表5.2-1。 表5.2-1典型燃气发电设备比较 燃气内燃 机 燃常仑机 微燃机 燃料电池 容量(kW) 205000 1000 500000 30250 102000 发电效率() 2542 2139 1828 3063 综合效率() 7090 5085 5080 6080 燃料供应压力 低、中压 中、咼圧 中、咼圧 低、中压 噪音 高仲) 中 中 低 NOX含量 (ppm) 较大 小 小 更小 燃气微燃机单机容量较小，一般在250千瓦以下，其发电效

8、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和燃气内燃机。 1-23.1燃气轮机与燃气内燃机比较 1) 燃足仑机性能特点 (1) 燃气轮机具有体积小、运行成本低和寿命周期较长(大修周期在6万小时左右)、出口烟气温度较高、氮氧化物排放率低等优点； (2)燃气轮机发电电压等级高、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； (3) 燃气轮机余热利用系统简单、高效； (4) 燃气轮机一般需要次高压或高压燃气； (5) 燃气轮机启动时间较燃

9、气内燃发电机组长； (6)燃气轮饰适宜于带部分负荷运行； (7)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 (1)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450550C,能够通过余热锅炉再次回收热能转换成蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机一蒸汽轮机联合循环发电，发电效率能够达到45%50%，一些大型机组甚至能够超过55%; (2) 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

10、大幅度下降，带50%负荷时效率下降57个百分点； (3) 燃气轮机的起动时间25分钟，带满负荷时间 1520分钟。 其效率与发电能力的关系见图5.21(摘自天然气热电冷联供技术及应用付林、李辉等著，中国建筑工业出版 社)。 2000 4000 6000 8000 发电功率(kW) 图5.2-1燃气轮机的效率与发电功率关系统计 3) 燃气内燃机性能特点 (1)单机能源转换效率高，发电效率最高可达46%,能源消耗率低; (2)地理环境造成动力输出影响最小，高温、高海抜下可正常运行； (3)发电负载波动适合性强； (4) 操作运转技术简单易掌握； 10 12000 10 - (5) 可直接利用低压天

11、然气进入燃气内燃发电机组燃 烧； (6) 设备集成度高，安装快捷； (7) 燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降； (8) 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； (9) 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。 4) 燃气内燃机主要技术参数特点 (1)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能够达到35%； (2)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

12、右； (3)内燃机启动时间0.52分钟，带满负荷时间在15分钟之内。 其效率与发电能力的关系见图5.22(摘自天然气热电冷联供技术及应用付林、李辉等著，中国建筑工业出版社)。 发电功率(kW) 图5.2-2燃气内燃机的效率与发电功率关系统计 5)燃气轮机与内燃机性能对比 燃气轮机与内燃机主要参数比较见表5.2-2(摘自天然气热电冷联供技术及应用 付林 、 李辉等著,中国建筑工业出版社)。 表5.2-2燃气内燃机与燃气轮机对比表 燃气内燃机 燃气轮机 容量范围 5kW8MW 3kW12000kW 转速(r/min) 7001800 1500033000 发电效率() 2545 2034 总效率(

13、) 7590 7085 废气温度(。 400550 450650 余热回收 高温烟气,热水或蒸汽 高温烟气或蒸汽 NOx （X106,体积比） 45200(无控制时) 420(SCR) 150300(无控制时,15%02)；25(DLN); 6(DLN&SCR) CO （X106,体积 比） 140700(无控制时) 4-10(Oxidation Catalyst) 燃气轮机与内燃机效率/负荷变化关系比较见图5.2-3。 Load(in%) 图5.2-3燃气轮机,燃气内燃机效率随负荷变化示意图1.23.2能源站发电机组的选定 本项目的热负荷、电负荷都比较稳定。依据河南省分时电价分段特点，能源站

14、日间电价高峰、平段共16h运行。并且负荷在高峰、平段间负荷内会有一定的波动。为此，所选发电设备需有较强低负荷运行的特性。从图5.2-1、图5.2-2、图5.2-3中及表5.2-25.2-3能够看出，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。燃气轮机低负荷运行时，效率大幅度下降，在50%负荷时效率下降57个百分点，不适宜带部分负荷运行，并且燃气轮机不宜经常启停。燃气内燃机发电效率受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，可带部分负荷运行。并且燃气内燃机频繁启停对机组的寿命影响较燃气轮机的小。为此，在本方案中选定发电燃气

15、内燃机作为分布式能源系统的原动机。 1-2.4余热利用形式选择 分布式能源系统余热利用工艺需综合考虑发电机组的种类、热效率、余热品质等参数后确定。因为本能源站主要与厂区原有方案结合向巨龙生物厂区提供蒸汽，不需要向厂区提供热水和冷负荷,所以余热用于产蒸汽是本方案唯一选择。根据本项目特点，燃气内燃机余热产蒸汽有两种方案 ： 方案一为增设余热蒸汽锅炉，利用燃气内燃机高温缸套水预热余热锅炉给水，利用高温烟气通过余热锅炉产蒸汽；方案二为利用换热器将燃气内燃机余热用于现有130t/h锅炉给水预热。 与方案二相比，方案一增设余热锅炉后产生部分蒸汽，该部分蒸汽需并入现有蒸汽系统，不但增加了系统投资，也增加了工

16、程系统复杂性 ； 于此同时现有锅炉系统的产蒸汽量会相对应减少，偏离现有锅炉额定工况,造成现有设备的利用率降低，锅炉效率降低。 根据项目工艺特点，结合项目负荷需求的特性，本项目拟采 用燃气内燃机+烟气-水换热器+缸套水板式换热器系统，详细的工艺流程请见图5.2-4。 图5.2-4工艺流程图 根据工艺流程图及系统负荷特点，可将天然气分布式能源系统主要设备配置如下，见表5.2-3。 表5.2-3主要设备选型及清单表 序 号 名称 頊支术参数 数 量 单 位 备注 1 燃气内 燃机 发电量 (kWh) 3333 2 套 卡特皮勒 发电效率 (%) 40.0 耗气量 1666 (Nm3/h) 排烟温度

17、(C) 444 烟气流量 (kg/h) 17597 2 缸套水 板式换 热器 一次侧热水进出口温度90/78C,最小/最大流量：74/95t/h; 二次侧软化水温度40/80。，额定换热量约1465kw 2 台 国产名牌 3 烟气换 热器 进口烟气流量17597kg/h,烟气温度444。(：，给水温度40C,出口温度85C,排烟温度 75C 2 台 国戸名牌 13天然气接收处理系统 本项目的天然气从市政燃气管网引入,天然气接入不设置储气设施，均通过管道经调压送至用气设备燃烧器进口。根据燃烧器对燃气品质的要求，在调压柜内设置调压、计量、过滤设施。保证燃烧器入口燃气品质、压力符合要求。 1-4燃烧系统 天然气经调压箱调节至内燃机入口所需压力后进入内燃机进行燃烧。天然气在内燃机内进行燃烧并作功发电，产生的高温烟气经烟气换热器充分利用余热后经排气消音器排入大气，内燃机的排气口和烟气换热器的入口烟道之间设了旁路烟囱。 1.5热力系统 内燃机高温缸套水经过缸套水板式换热器预热锅炉给水，预热后的给水并入原有工艺管道进入除氧器。