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20100MW 热电联厂电厂或调峰电厂，以及楼宇式15MW 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。 表 6.1 燃气内燃发电机的比较型号JMS624TCG2032V169L34SG发电出力kW440143004343发电效率%46.244.145.9转速RP气排气温度354462390排烟流量kg/s6.496.546.90可利用热量(150)kW150823871886高温冷却水（含缸套水）设计出口温度959196设计回水温度707882缸套水流量t/h76.510390.7可利用热量kW222415181475最小燃气进口压力kPa122030600氮氧化物排放mg/Nm3250250190出现电压kV10.510.510.5尺寸LWHm12.12.22.99.32.73.810.42.83.9净重量t445177从上表可以看出，机组的转速越低，设备重量越大，机组高度越高。其中9L34SG型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 三联供能源站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。常见的系统工艺流程有发电机与直燃机的直接连接和经过余热锅炉的间接连接两种方式。 间接连接的系统工艺明显较直接连接复杂。这种工艺出现较早，余热蒸汽/热水锅炉、蒸汽/热水直燃机等设备制造技术成熟，在国内外有大量成熟案例。尤其适用于有一定蒸汽和热水需求的场合，可以通过调节从余热锅炉出来的进入直燃机的蒸汽/热水量，方便的调节负荷分配。 直接连接的工艺系统可选用的余热设备主要有烟气型或烟气热水型余热吸收式空调机组，设备制造技术在近年来发展逐渐成熟，使得余热利用工艺和设备得以简化。直接连接工艺虽然在蒸汽和热水供应方面没有传统间接连接方式灵活，但是也具有工艺简单、占地少的突出优势，而且由于减少了换热环节，采用直接连接系统的热效率更高。 以发电功率1000kW的燃气内燃发电机组相关参数为例计算发电机组直接对接烟气热水型余热机组和间接连接热水型余热吸收式空调机组两种余热工艺如下表所示。 表 6.2 两种余热利用工艺的比较1000kW烟气热水型余热机（直接连接）热水型余热机（间接连接）烟气供冷kW646349热水供冷kW293293总供冷量kW939642设备价格万元10050年供冷量万 kWh188128供冷收益万元5437增量投资回收年3注：上表中供冷收益按照等值供冷量下所节省的燃气费用（气价3.45元/Nm3） 由上述计算可以看到，虽然采用烟气热水型机组的初投资远高于热水型机组，但是由于供冷效率的提高其每年增加的供冷收益也较为可观，增量投资回收期在3年左右。因此本报告将优先考虑发电机组与烟气热水型吸收式空调机组直接对接的方案，以确保达到较高的余热利用率。 国内燃气三联供系统的余热设备较为成熟，并有大量案例，如北京燃气大楼三联供系统采用的是远大余热直燃机，而北京火车南站和蟹岛采用的是双良余热直燃机，另有部分国外设备得到应用，如印度Thermax、中日合资的同方川崎、烟台荏原等。 一般发动机排气温度在400500，经吸收式空调机组余热利用后可将温度降至150左右，此后还可以设置烟气换热器进一步回收烟气中的热能制取热水，然后与缸套水一并送入余热机低发，最终排烟温度可降至110左右。当烟气中的热能不能被完全利用时，可经过烟气三通阀直接进入烟道。 一般内燃机缸套水温度在80至120之间，可用于供热水。润滑油和中冷器冷却水水温较低、热量较少，一般不加以利用。为保持发动机适当的温度，这部分热量在不能完全利用时，必须通过水冷形式排出。 5. 备用设备的选择 考虑到超算中心供冷安全性要求较高，不能够间断供冷。当三联供系统出现突发故障的时候需要应急冷