分布式能源系统燃气发电机组特性及选型原则

·冷热电联供·分布式能源·可再生能源·分布式能源系统燃气发电机组特性及选型原则张丹，高顶云，郭甲生，孙玉香(上海航天能源股份有限公司，上海201201)摘要：分布式能源系统中常用的发电机组包括微型燃气轮机发电机组、小型燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组。

对3种发电机组的性能参数、变工况特性、燃料适用性、设备维护等进行比较。

结合各自特点，对燃气发电机组的选型原则进行探讨，分析了典型案例。

关键词：分布式能源系统;燃气轮机发电机组;燃气内燃机发电机组;选型原则中图分类号：TU995文献标识码：B文章编号：1000－4416（2013）10－0A20－041燃气发电机组类型燃气发电机组是指将燃气（以天然气为主）燃烧产生的热能转变成电能的发电设备。

分布式能源系统通常采用的燃气发电机组类型为微型燃气轮机发电机组、小型燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组。

1．1燃气轮机发电机组［1－2］燃气轮机是以高温高压烟气为工质，把热能转换为机械能的旋转式动力机械，包括压气机、燃烧室、透平、控制系统和辅助设备等。

基本工作过程为：压气机连续地从大气中吸入空气并压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃气混合后燃烧，成为高温高压烟气，流入透平中膨胀做功，驱动发电机发电，透平同时为压气机提供驱动力。

燃气轮机发电机组根据发电功率可分为微型、小型、大中型。

分布式能源系统主要应用发电功率范围为25 20000 kW的微型、小型燃气轮机发电机组。

①微型燃气轮机发电机组微型燃气轮机发电机组的设计衍生于涡轮增压器及其辅助动力装置，采用径流式叶轮机械，即向心式透平与离心式压气机，结构简单、紧凑，便于移动。

②小型燃气轮机发电机组小型燃气轮机发电机组通常采用轴流式透平，允许通过工质的流量较大，效率较高，结构上便于实现多级形式，能够满足高膨胀比和较大功率的要求。

1．2燃气内燃机发电机组［3］通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，其中又以往复活塞式最为普遍。

在往复活塞式燃气内燃机的气缸内，混合气（燃气与空气）燃烧，产生的烟气推动活塞运动，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，带动发电机发电。

往复活塞式燃气内燃机发电机组的组成主要有曲柄连杆机构、缸体和气缸盖、配气机构、进排气系统、燃气系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、启动装置、发电机等。

2燃气发电机组特性比较2．1性能参数当前，国内市场上应用在分布式能源系统中的燃气发电机组通常为国外进口。

据不完全统计，目前进入中国市场的微型燃气轮机发电机组品牌主要为美国Capstone、意大利Turbec、英格索兰（现被美国Flexenergy收购）等；小型燃气轮机发电机组品牌主要为美国GE、索拉，德国西门子，日本川崎等；燃气内燃机发电机组品牌主要为德国MWM、MAN、MTU、TES，美国卡特彼勒、瓦克夏、颜巴赫、康明斯，芬兰瓦锡兰，日本洋马、三菱重工，西班牙高斯科尔等。

其中，中国市场上3种燃气发电机组的主要性能参数见表1。

由表1可知：①发电功率。

微型燃气轮机发电机组的单机发电功率较小，易于实现多台组合的模块化控制。

小型燃气轮机发电机组的单机发电功率较大。

燃气内燃机发电机组的单机发电功率范围较宽，与微型、小型燃气轮机发电机组均有交叉。

②发电效率。

微型、小型燃气轮机发电机组第33卷第10期2013年10月煤气与热力GAS＆HEATVol．33No．10Oct．2013表1目前中国市场上3种燃气发电机组的主要性能参数的发电效率较低，其中微型燃气轮机发电机组的发电效率变化范围较窄，集中在30%左右。

小型燃气轮机发电机组的发电效率变化范围较大，随发电功率的减小而有所降低，通常当发电功率低于4MW 时，发电效率甚至比微型燃气轮机发电机组还低。

若考虑小型燃气轮机发电机组－蒸汽轮机发电机组联合循环发电，发电效率可以达到45% 50%。

燃气内燃机发电机组的发电效率较高，平均发电效率可达到40%左右。

③余热利用。

燃气发电机组的类型不同，余热形式和品位也不同，这会影响分布式能源系统的设备配置形式。

微型、小型燃气轮机发电机组的余热形式只有烟气，燃气内燃机发电机组的余热形式包括烟气、缸套冷却水。

微型燃气轮机发电机组的烟气温度最低，集中在300ħ左右，主要用于制冷、供暖、制生活热水，少数情况用于生产低压蒸汽。

小型燃气轮机发电机组的烟气温度较高，烟气温度在500ħ以上的机组占68．5%，烟气温度在450ħ以上的机组占93．8%，主要用于生产高压蒸汽，除直接利用及利用蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组制冷外，还可推动蒸汽轮机发电机组发电，形成联合循环发电系统。

燃气内燃机发电机组余热有两种：烟气、缸套冷却水，烟气温度在微型与小型燃气轮机发电机组之间，集中在400 500ħ范围内，烟气热量约占总余热量的50%，可用于制冷、供暖、生产蒸汽。

缸套冷却水品位较低，只能用于供暖及作为热水型溴化锂吸收式冷水机组的热源。

④燃气进气压力。

一般情况下，燃气进气压力由低到高的顺序为：燃气内燃机发电机组、微型燃气轮机发电机组、小型燃气轮机发电机组。

小型燃气轮机发电机组进气压力比较大，一般为高压或次高压，因此需要增设燃气压缩机，而燃气压缩机需要消耗大量能量，影响到小型燃气轮机的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗燃气轮机15% 20%的功率。

微型燃气轮机发电机组与燃气内燃机发电机组燃气进气压力较低，通常为低压或中压。

⑤噪声、烟气中NO x体积分数。

燃气内燃机发电机组的噪声、烟气中NO x体积分数均较高，需采取针对发电机组的降噪措施，并根据项目情况和要求考虑是否设置烟气脱硝装置。

微型、小型燃气轮机发电机组的噪声、烟气中NO x体积分数均较低，可根据用户要求和环境评价结果考虑是否采取适当的防治措施。

2．2变工况特性①部分负荷特性额定发电功率为3MW的小型燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组发电效率随负荷率（运行工况发电功率与额定发电功率之比）的变化见图1［4］。

由图1可知，随着负荷率的降低，两种燃气发电机组的发电效率均呈下降趋势。

微型燃气轮机发电机组可实现多台组合的模块化控制，随着负荷率降低，不断调节运行模块数量，有效控制发电效率的下降。

额定发电功率为1000 kW的微型燃气轮机发电机组分别采用非模块化控制、模块化控制（5ˑ200kW）时，发电效率随用电负荷的变化见图2。

由图2可知，当微型燃气轮机发电机组采用模块化控制时，即使在较低的用电负荷下，依然可保持较高的发电效率。

②环境因素影响ISO标准对燃气轮机发电机组和燃气内燃机发电机组的参考条件不同：燃气轮机发电机组的参考条件为海拔0m，环境温度15ħ；燃气内燃机发电机组的参考条件为海拔100m，环境温度25ħ。

微型、小型燃气轮机发电机组通常在超过海平面，环境温度＞15ħ后发电功率出现下降，环境温度超过30ħ，发电功率有较大衰减。

采用稀薄燃烧技术的燃气内燃机发电机组，在海拔1000m以下，环境温度www．watergasheat．com张丹，等:分布式能源系统燃气发电机组特性及选型原则第33卷第10期图1额定发电功率为3MW的小型燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组发电效率随负荷率的变化［4］图2额定发电功率为1000kW的微型燃气轮机发电机组分别采用非模块化控制、模块化控制（5ˑ200kW）时发电效率随用电负荷的变化40ħ以下，发电功率、发电效率不受影响。

2．3其他特性①燃料适用性微型、小型燃气轮机发电机组对燃料的适应性比较强，能应用多种气体燃料，可燃用高含氢、热值低、含杂质较多的劣质气体燃料。

燃气内燃机发电机组对燃气品质要求较高，特别对燃气的清洁度要求严格，不能燃用含较多固体或液体杂质的气体燃料，并对燃气热值的波动范围要求严格，燃烧热值较低的燃气时，机组发电功率明显下降。

②设备维护先进的微型燃气轮机发电机组只有一个运动部件，采用空气轴承技术，无须润滑和冷却，辅助设备少，因此维护工作量较少，维护费用低。

燃气内燃机发电机组运动部件较多，需要频繁更换润滑油和火花塞，耗材量较大，维护成本高，但所有的维护工作均可在项目现场进行。

小型燃气轮机发电机组维护费用和工作量比微型燃气轮机发电机组大，略低于燃气内燃机发电机组，但大修检查通常需要在设备制造厂内进行。

因此从整个生命周期看，小型燃气轮机发电机组的维护费用可能会比燃气内燃机发电机组还要高。

3燃气发电机组选型原则3．1特点比较微型燃气轮机发电机组的优势在于：额定发电功率较小，易于实现多台组合的模块化控制，负荷适应性强。

噪声、烟气中NO x体积分数均较低，振动小。

可采用低压或中压燃气，不必增设燃气增压设备。

维护工作量小，维护成本低，可实现无人值守的管理模式。

对燃料的适应性比较强。

劣势在于：发电效率略低。

烟气品位不高。

机组性能受海拔、环境温度影响较大。

小型燃气轮机发电机组的优势在于：烟气品位较高，可生产高压蒸汽。

可实现与蒸汽轮机发电机组的联合循环发电。

噪声、烟气中NO x体积分数均较低。

对燃料的适应性比较强。

劣势在于：采用高压或次高压燃气，需增设燃气增压设备。

维护工作量大，大修不能在项目现场进行。

机组性能受海拔、环境温度影响较大。

燃气内燃机发电机组的优势在于：发电效率较高。

烟气品位较高。

部分负荷特性较好。

机组性能受海拔、环境温度影响较小。

劣势在于：需要润滑、冷却，辅助设备多，管道系统复杂。

占总余热量约50%的缸套冷却水品位较低。

维护工作量大，维护成本高，管理工作复杂。

对燃料的品质要求较高。

3．2选型原则对于用电负荷变化较大的项目（如商业建筑），可采用模块化控制的微型燃气轮机发电机组或燃气内燃机发电机组，以保证燃气发电机组在部分负荷下的发电效率。

对于噪声、排放要求高的项目，可考虑采用微型、小型燃气轮机发电机组。

若采用燃气内燃机发电机组，需考虑机组的降噪减振，并根据要求设置烟气脱硝装置。

对于周边没有高压、次高压燃气管网，且无法（不满足安全距离等要求）增设大型燃气增压设备，或增压后对燃气管网影响大的项目（如城区中心场所），可考虑采用微型燃气轮机发电机组或燃气内燃机发电机组。

第33卷第10期煤气与热力www．watergasheat．com对于海拔高、环境温度高的项目，建议采用燃气内燃机发电机组，避免发电功率的衰减。

对于只有高压蒸汽需求的项目（如大型工厂），建议采用小型燃气轮机发电机组。

对于维护管理能力欠缺的项目，建议采用微型燃气轮机发电机组。

对于电热（冷）比大于或等于1的项目，采用燃气内燃机发电机组更为经济、节能。

对于电热（冷）比小于1的项目，采用微型、小型燃气轮机发电机组更合适。

这样可使得分布式能源系统提供的电热（冷）与用户需求基本吻合，尽量避免补燃或余热排放现象，从而获得较大的节能和经济效益。

对于气电价比高于3的项目，建议采用发电效率较高的燃气内燃机发电机组。