XX超算中心天然气分布式能源站项目可行性研究工艺方案

XX超算中心天然气分布式能源站项目可行性研究工艺方案1. 设计原则

本项目在考虑能源站建设项目时除了遵照国家及有关部委制订的标准、规范进行项

目实施以外，还将遵循以下主要原则：

（1）以保证安全供能为首要前提

新建的分布式能源系统提高了超算中心能源供应的安全性，主要体现在以下方面：

空调冷冻水供应方面改变单一用电的供能方式，变为天然气发电余热、电制冷等多

种方式相结合；电力供应方面增加了一路自发电系统，在特殊情况下可以保证能源

站及超算中心重要负荷供电。因此无论空调和电力均可通过电力和燃气两种能源保

障超算能源供应。

（2）提高系统综合能源利用效率、降低运行成本

新建的分布式能源系统将通过多种能源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。

（3）结合超算中心实际情况，增强可实施性

系统设计、建设及运行紧密结合建筑用能特点，按照超算中心冷需求变化规律提供

高品质的供能服务。与已有的大学城供冷站相结合，充分利用现有资源，发挥最大

效益。同时能源站应尽量邻近负荷中心，发挥分布式能源系统优势。

2. 应用技术分析——三联供系统

燃气冷热电三联供系统对天然气资源“温度对口、梯级利用”的技术原理如图6-2所示。首先洁净的天然气在燃气发电设备内燃烧产生高温高压的气体用于发电做功，产出高品位的电能，发电做功后的中温段气体通过余热回收装置回收利用，用来制冷、供暖，其后低温段的烟气可以通过再次换热供生活热水后排放。通过对能源的梯级利用，充分利用了一次能源，提高了系统综合能源利用率。

三联供技术一方面可以节能高效的解决建筑的供热、制冷问题，另一方面可以提高

项目冷、热、电供应的安全性。

超算中心全年有稳定的冷负荷及电负荷，非常适合采用以天然气为燃料的燃气冷热

电三联供系统，发挥其在高效、节能环保方面的优势。

3. 机型选择及机组配置原则

3.1 燃气发电机组选择

目前用于燃气冷、热、电三联供系统的发电机组主要有小型燃气轮发电机组及燃气

内燃发电机组。燃气轮发电机组多应用于几十万平米以上的区域供能项目，燃气内

燃发电机组可应用于几万至几十万平米的楼宇或区域供能项目。本项目能源站需要

满足超算中心全年部分供冷供电需求，就其建设规模来讲，采用燃气轮发电机组和

燃气内燃发电机组均可。

3.2 燃气轮机发电机组特点

燃气轮机发电机具有体积小、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。

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。

燃气轮机发电机组余热利用系统简单、高效。

燃气轮机发电机组启动时间较燃气内燃发电机组长。

燃气轮机发电机组一般需要次高压或高压燃气。

燃气轮机发电机组在正常情况下，利用市电作为机组的启动电源。在停电启动时需要配备一台小容量的启动用发电机。

小型燃气轮机目前国外产品较为先进，如美国索拉公司、日本川崎公司、俄罗斯动力进出口公司、瑞士透平公司等多家公司，其产品质量可靠，技术先进，是目前燃气轮机设备中的佼佼者，应优先选用。各厂家产品在技术性能方面各有千秋，其技术特点使用范围也不同，应根据项目具体情况选用。

3.3 燃气内燃发电机组特点

燃气内燃发电机组突出的优势是发电效率高、环境变化（海拔高度、温度）对发电效率的影响力小、所需燃气压力低、单位造价低，当然也有余热利用较为复杂、氮氧化物排放量略高的缺陷。但燃气内燃发电机组应用在发电产业上，有其它原动机所不及的优点：

单机能源转换效率高，发电效率最高可达46%，能源消耗率低。

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。

发电负载波动适应性强。

操作运转技术简单易掌握。

可直接利用低压天然气进入燃气内燃发电机组燃烧。

目前国外较多的分布式能源选择燃气内燃发电机组发电效率高、发电出力衰减受特殊恶劣地理环境影响最小的优势，在20～100MW 热电联厂电厂或调峰电厂，以及楼宇式1～5MW 冷热电三联供系统中都普遍安装燃气内燃发电机组。

燃气内燃发电机技术已很成熟，有很多著名制造商。如美国康明斯公司、美国卡特比勒公司（CAT及MWM）、美国瓦克夏公司、德国MTU公司、芬兰瓦锡兰公司、GE颜巴赫等。这些厂家的产品质量可靠，技术先进，是目前燃气内燃发电设备中普遍选用的产品。但各产品在技术性能和技术特点使用范围方面存在差异，应在使用时详细对比选择。

3.4 发电机组的确定

在XX超算中心电负荷、冷负荷的实际负荷需求条件下，其三联供系统发电机组可以考虑使用燃气轮机和燃气内燃机。针对本项目，燃气轮机也存在如下缺点：

（1）燃气轮机发电效率低

小型燃气轮发电机组的发电效率较低，通常为30%左右，而燃气内燃发电机组发电效率可达到40%以上，在本项目的燃气价格和市电价格情况下，当优先选用发电效率高的设备，才可以更好的保障项目的经济性。

（2）燃气轮机热电比高

热电比高是燃气轮机与燃气内燃机相比一个较大的特点，因此更适用于实际冷、热使用负荷明显高于电负荷的项目。对于本项目来说，热电比大约为1:1（电负荷考虑一定备用系数），按照余热尽量利用的原则会限制燃气轮机的选型，项目更适合选用燃气内燃机。

（3）燃气轮发电机组进气压力高

燃气轮机所要求的燃气进气压力高，通常燃气管道压力不能满足其要求，需要设置燃气压缩机，提升燃气压力。

综上所述，考虑到本项目能源站最终确定为地下建筑物，同时结合项目燃气供应情况、能源站供冷、供电负荷特点以及考虑减少项目建设投资、三联供系统经济性更好等各方面因素，本项目三联供能源站选择燃气内燃发电机组。根据负荷分析及大学城第二、第三制冷站的供应容量，经优化分析计算，本项目初步考虑采用总装机规模在17MW左右的发电机组。

根据项目可调节性、分布实施可能性及市场机组供应情况，初步选定4300kW左右燃气内燃机。在这个容量等级下较为成熟且应用案例较多的机组有：MWM 曼海姆TCG2032V16、GE颜巴赫JMS624、瓦锡兰9L34SG燃气发电机，这三台机组的基本参数参见表6-1。

燃气内燃发电机组重达77吨，机组净高也达到了3.9米，设备对基础和厂房净高要求较高。此外，9L34SG型机组需求燃气进口压力较高，若布置在地下，则不能满足相关燃气系统设计规范。所以，本项目主要考虑TCG2032V16和JMS624机组。这两个机组在排烟温度、机组长度、机组价格方面TCG2032V16机组较有优势，在机组重量、机组高度、发电功率、发电效率方面JMS624机组较有优势。

燃气内燃发电机组的选择还需要结合项目冷负荷、电负荷情况选择。发电机组的年运行费用及生命周期内总运行费用也需要进行合理分析测算。最终综合考虑系统投资、运行费用、能源效率等各方面因素以选择合理的机组。TCG2032V16机组排烟温度高，能源综合利用效率高，本可研初步以其作为目标机组。

4. 余热利用设备