燃气轮机和内燃机在天然气冷热电联供系统中的性能比较

６７０
杨 昆 ，等 ：燃 气 轮 机 和 内 燃 机 在 天 然 气 冷 热 电 联 供 系 统 中 的 性 能 比 较
１ 技 术 性 能 比 较
１．１ 发 电 效 率 比 较 内燃机 发 电 效 率 较 高，通 常 在 ３５％ 以 上，甚
至超过了４０％；而微型和小 型 燃 气 轮 机 的 发 电 效 率约 为 ２８％ ～３５％，低 于 ４０％ 。 ［２］ 左 政、华 贲［４］ 以３ ＭＷ 的 燃 气 内 燃 机 （Ｇ３６１６ 型）和 燃 气 轮 机 （Ｃｅｎｔａｕｒ４０）为对象进 行 了 变 工 况 下 的 发 电 效 率 比较，得出此功率 下 燃 气 内 燃 机 的 发 电 效 率 高 于 燃气轮机１０％ 以 上，并 且 随 着 负 荷 率 的 降 低，两 者的发电效率均 呈 下 降 趋 势，且 下 降 的 幅 度 大 致 相同。同时，ＩＳＯ 标 准 对 燃 气 轮 机 和 内 燃 机 对 海 拔高度和环境温度的参考条件是不同的。例如， 先进的稀薄燃烧内燃机 在 海 拔 高 度１ ５００ ｍ 以 下 输出功率不用修正，且环 境 温 度 达 到 ４０℃ 前 功 率 不会有任何下 降［５］；但 燃 气 轮 机 却 是 每 超 海 平 面 １００ｍ，输 出 功 率 下 降 １．２％，并 且 环 境 温 度 在 １５℃ 以 上 时 ，燃 气 轮 机 的 效 率 下 降 。 １．２ 热 效 率 比 较
第 ３４ 卷 第 ６ 期 ２０１３ 年 １２ 月
电力与能源
６６９
燃气轮机和内燃机在天然气冷热电 联供系统中的性能比较
杨 昆，王江江，程文煜
（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定 ０７１００３）
摘 要：天然气冷热电联供系统中驱动装置的选型对 系 统 的 运 行 性 能 至 关 重 要 。在 这 一 背 景 下，分 析 比 较 了 燃 气 轮 机 和 内 燃 机 在 冷 热 电 联 供 系 统 中 的 发 电 效 率 、热 效 率 、一 次 能 源 利 用 率 等 性 能 指 标 以 及 对 环 境 的 影 响 ， 并以北京市某宾馆为例设计了天然气冷热电联供系统方案，在余电可上网 出 售 的 条 件 下，利 用 ＲＥＴＳｃｒｅｅｎ软 件分别比较了天然气价和电价对燃气轮机系统和内燃机系统运行利润的影响。 关 键 词 ：冷 热 电 联 供 系 统 ；燃 气 轮 机 ；内 燃 机 基金项目：河北省自然科学基 金 （Ｅ２０１２５０２００２）；北 京 市 自 然 科 学 基 金 （３１２２０２８）；中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （１３ＭＳ９５） 中 图 分 类 号 ：ＴＫ０５ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１２５６（２０１３）０６－０６６９－０４
常用的一次 能 源 利 用 率 （也 称 系 统 热 效 率 或 总能利用效率）是 指 系 统 输 出 能 量 与 输 入 能 量 的 比 值 ，并 将 功 、热 、冷 等 同 看 待 ，可 以 直 接 相 加 。 因 此 ，冷 热 电 联 供 系 统 的 一 次 能 源 利 用 率 越 高 ，表 明 系统的热力 性 能 越 好 。 ［６］ 从 这 个 角 度 看，在 供 热 季节，内燃机型和 燃 气 轮 机 型 联 供 系 统 的 一 次 能 源 利 用 率 相 差 不 多 ；在 供 冷 季 节 ，内 燃 机 型 联 供 系 统的一次能源利用率比燃气轮机型联供系统低约 １９％［７］。陆伟等 还 ［８］ 比较了当用户的平均 热 电 比
冷 热 电 联 供 系 统 （Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｈｅａｔ－ ｉｎｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，ＣＣＨＰ）可 以 实 现 能 源 的 梯 级 利 用，与 传 统 分 供 （Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＳＰ）系 统 相 比 ，其 具 有 能 效 高 、污 染 少 等 特 点 。 随 着 我 国 能 源结构的调整以 及 天 然 气 的 快 速 开 发，发 展 分 布 式冷热电联供系统的时机已经成熟。
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｌ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ Ｎａｔｕｒａｌ－ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｙａｎｇ Ｋｕｎ，Ｗａｎｇ Ｊｉａｎｇｊｉａｎｇ，Ｃｈｅｎｇ Ｗｅｎｙｕ
２．１ 工 程 实 例 以北京市某宾馆为工程实例来分析天然气价
格、电价对燃气轮 机 和 燃 气 内 燃 机 冷 热 电 联 供 系 统运 行 利 润 的 影 响。 宾 馆 的 建 筑 面 积 为９ ４００ ｍ２，包括客房、办公室、餐 厅、舞 厅 以 及 咖 啡 馆；宾 馆全年运行，客房的设 计 温 度 为 ２２～２４℃。 该 宾 馆的冷热电负荷特性曲线如图１所示。
天然气属于 清 洁 能 源，ＳＯ２ 和 烟 尘 的 排 放 量 都可忽略。但在 相 同 的 发 电 量 下，燃 气 内 燃 机 的 ＮＯｘ 的排 放 浓 度 通 常 为 燃 气 轮 机 的 ５～１０ 倍 ， ［８］ 因此燃气轮机在环保方面具有更好的竞争力。
２ 天 然 气 价 格 和 电 价 对 运 行 利 润 的 影 响
内燃机和燃气轮机的余热利用形式不同。燃 气轮机发电后的 余 热 以 排 烟 形 式 排 出，排 烟 温 度 在４５０～５５０℃，而 内 燃 机 的 余 热 一 半 以 ４００～ ４５０℃的 烟 气 形 式 排 出，还 有 一 半 以 ８０～９０℃ 的 缸套水排出 。 ［２］ 由 于 燃 气 轮 机 的 余 热 品 位 较 高， 易 于 回 收 ，因 此 其 余 热 回 收 利 用 效 率 高 于 内 燃 机 。 左政、华贲 以 ［４］ ３ ＭＷ 的 燃 气 内 燃 机 （Ｇ３６１６ 型） 和燃气轮机 （Ｃｅｎｔａｕｒ４０）为 对 象 进 行 了 变 工 况 下 的余热利用效率 的 比 较，得 到 燃 气 轮 机 的 余 热 利 用效率随着负荷 率 的 降 低 而 降 低，而 燃 气 内 燃 机 的余热利用效率随着负荷率的降低有上升趋势。 因 此 ，对 于 冷 热 负 荷 变 化 较 大 的 终 端 用 户 ，燃 气 内 燃机冷热电联供系统在部分负荷下具有更好的热 电总效率和经济性 。 ［４］ １．３ 一 次 能 源 利 用 率 的 比 较
目前，我国的 政 策 逐 步 允 许 冷 热 电 联 供 系 统 的余电上网出售，因 此 本 文 采 用 以 热 定 电 的 运 行
杨 昆 ，等 ：燃 气源自文库轮 机 和 内 燃 机 在 天 然 气 冷 热 电 联 供 系 统 中 的 性 能 比 较
图 １ 北 京 某 宾 馆 的 冷 热 电 负 荷 特 性 曲 线
２．２ 联 供 系 统 的 设 计 ２．２．１ 运行策略的分析及 ＲＥＴＳｃｒｅｅｎ软件
联供系统运行性能的好坏与系统的运行策略 有关。联供系统的运行策略主要有以电定热和以 热定电两种。以电定热是根据所负担区域的用电 负 荷 确 定 发 电 机 容 量 ，采 用 以 电 定 热 策 略 时 ，系 统 会产生多余的热 量，通 常 用 在 发 电 不 能 上 网 的 项 目 中 。 以 热 定 电 是 根 据 供 冷 、供 热 区 域 的 冷 、热 负 荷确定所需的余 热 量，根 据 余 热 量 来 确 定 发 电 机 的 容 量 ，采 用 以 热 定 电 策 略 时 ，系 统 会 产 生 多 余 的 电力，通常在发电 可 以 上 网 的 项 目 中 采 用 此 种 运 行 策 略 。 ［１０－１１］
接影响到整个系 统 的 性 能，因 此 要 充 分 考 虑 到 这 两者的特点才能 合 理 地 设 计 系 统，使 整 个 联 供 系 统更加高效的运行。
ＣＣＨＰ 系统通常采用蒸汽轮机、燃气轮机、内 燃 机 、斯 特 林 机 （也 称 外 燃 机 、热 气 机 ）以 及 燃 料 电 池等［２］，其驱动装置的 选 型 对 ＣＣＨＰ 的 运 行 性 能 非常重要。目前，以 内 燃 机 和 燃 气 轮 机 为 驱 动 设 备 的 联 供 系 统 应 用 相 对 较 多 ，技 术 比 较 成 熟 ，综 合 效率也较高，运 行 也 较 稳 定 。 ［３］ 本 文 通 过 研 究 整 理燃气轮机和内 燃 机 的 相 关 文 献，对 燃 气 轮 机 和 内燃机在技术性 能 等 方 面 进 行 了 总 结，并 在 国 家 冷热电联供系统 余 电 可 以 上 网 出 售 的 政 策 下，利 用 ＲＥＴＳｃｒｅｅｎ软件 分 析 了 天 然 气 价 格 和 电 价 的 波动对联供系统运行利润的影响。
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ＆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｍｅ ｍｏｖｅｒ ｉｎ ｎａｔｕｒａｌ－ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ ＣＣＨＰ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｖｉｔａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｃｒｉｔｅ－ ｒｉａ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｐｒｉｍａｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｍｐａｃｔ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｓ ｉｎ ＣＣＨＰ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＣＣＨＰ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ａ ｈｏｔｅｌ ｉｎ Ｂｅｉｊｉｎｇ ａｓ ａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃａｓｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒ－ ｐｌｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＣＣＨＰ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｇｒｉｄ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｆｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＲＥＴ－ Ｓｃｒｅｅｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ（ＣＣＨＰ）ｓｙｓｔｅｍ；Ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；Ｉｎｔｅｒｎａｌ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ
不同时，燃气轮机 和 燃 气 内 燃 机 的 一 次 能 源 利 用 率，得 到 当 用 户 负 荷 的 平 均 热 电 比 在 １．５～２．５ 时 ，两 者 一 次 能 源 利 用 率 基 本 相 同 ；当 用 户 负 荷 的 平均热电比低于 这 一 范 围 时，燃 气 内 燃 机 系 统 的 节能性占优势；当 用 户 负 荷 的 平 均 热 电 比 高 于 这 一 范 围 时 ，燃 气 轮 机 系 统 的 节 能 性 占 优 势 。 １．４ 对 环 境 的 影 响
基于不同的系 统 集 成 水 平，冷 热 电 联 产 系 统 可分为三代：第一 代 主 要 实 现 常 规 动 力 技 术 与 余 热利用技术的简 单 集 成；第 二 代 主 要 实 现 动 力 与 中温余热构成了 较 好 的 梯 级 利 用；第 三 代 仍 处 于 发展 中，主 要 考 虑 不 同 用 户 的 冷、热 需 求，使 用 户 的需求与系统的供应紧密耦合 。 ［１］ 第三代系 统 的 发展 要 对 不 同 用 户 的 冷、热、电 负 荷 有 充 分 考 虑， 而主机作为系统 的 核 心 装 置，其 热 电 输 出 特 性 直