1 引言
分布式能源系统(DES，Distributed Energy System)是一种新型的能源系统，它一般建于用户附近，减少了输配系统投资和能量损失，是更高效、更可靠和更加环保的能源系统。当今的分布式能源系统主要是指用液体或气体燃料的内燃机、微型或小型燃气轮机和其他小型动力装置，如燃料电池等为核心组成的总能系统。
分布式冷热电联供系统(DES/CCHP)，即“第二代能源系统”，集燃气轮机、燃气内燃机、蒸汽轮机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、热泵、吸收式除湿机和能源综合控制体系等高新技术和设备为一体，对输入能量及内部能流根据热能品味进行综合梯级利用，来达到更高能源利用率，减少二氧化碳及有害气体排放。
2 燃气轮机选型
2.1机组选型原则
(1)按照“以热定电”的原则，根据冷、热负荷选择合适的装机方案，以取得较好的综合效益。
(2)应综合考虑供热(冷)安全可靠，机组调节灵活，技术上经济上先进合理。
(3)应考虑天然气价格较贵的特点，尽可能选用高效率、起动快的机组，以充分利用能源，降低供热(冷)供电价格。
(4)冷、热负荷具有不确定性，机组选型应能适应一定冷、热负荷变化的能力。
(5)选择先进、成熟的标准系列产品，努力提高设备的国产化率。
(6)具有较佳的技术优势和价格优势。
2.2 燃气轮机主要供应商简介
目前，世界上能设计和生产工业重型燃气轮机的主导厂家有：美国GE公司、德国Siemens公司、法国Alstom公司、日本Mitsubishi公司和日本HITACHI公司。另外还有一些设计和生产轻型燃气轮机的厂家，如美国P&W公司、美国Solar Turbines公司等。
2.3.1 美国GE公司
美国GE公司是一家多元化公司，产品和服务范围广阔，从飞机发动机、发电设备、金融服务、水处理到医疗成像机媒体。GE公司是世界上最大的燃气轮机生产厂家，它占有全世界70%的燃气轮机市场，在设计经验、价格和性能方面有很强的竞争力。LM2500+G4 型和LM6000PF型均为航改型燃气轮机，燃气轮机发电功率分别可以达到30MW和40MW左右，单循环热效率均高达40%左右，分别采用环形燃烧室和双燃料干式低排(DLE)放燃烧技术，NOx排放量分别为25ppm和15ppm，启停时间较短，可靠性高，但进气压力较高。
2.3.2 日立公司
日立集团是一家知名的跨国综合电气企业，事业领域涉及电力及产业系统、信息通信系统、电子设备、数字媒体及家用电气、高性能材料、物流及服务、金融服务等领域。日立集团在能源领域涉及火力发电系统、水力发电系统、风力发电系统、太阳能发电系统、核电系统以及SCR脱销系统和电站控制系统等多领域。日立公司的燃气轮机生产始于1966年，H25/H15燃气轮机于1988年首台开始商业运行。
2.3.3 普惠公司
美国联合技术公司是美国百强公司中2009年排名第40位的集团公司，年销售额590亿美元。旗下拥有普拉特˙惠特尼发动机公司(普惠公司)，奥梯斯电梯，开利空调，西科斯基直升机等著名品牌。普惠公司是世界上三大航空发动机制造商之一，而普惠动力系统公司(Pratt & Whitney Power Systems, PWPS)是普惠公司的地面动力系统分部，生产500kW-60MW的系列工业燃气轮机，从60年代初开始生产工业燃气轮机，至今已经生产各类工业燃气轮机几千台套，是世界上轻型工业燃气轮机的主要生产厂家之一。
FT8轻型工业燃气轮机是普惠动力系统公司的主要产品，单台ISO功率30MW。FT8燃气轮机的核心机来自普惠已经销售了14000多台并累积运行1亿多小时的JT8D商用发动机。FT8燃气轮机具有较高的效率、安装简便、占地小、启动快速、部分负荷性能好和运行灵活等特点，广泛用于发电(简单循环和联合循环)、热电联供和机械驱动。目前在世界上已经有400多台FT8机组在运行，累计运行超过300万小时。
2.3.4 西门子公司
总部位于柏林和慕尼黑的西门子公司是世界上最大的电子和电气工程公司之一，主要业务集中在工业、能源和医疗领域。西门子能源是为整个能源转换链提供全面解决方案的世界领先供应商，也为工业(特别是石油和天然气行业)用户提供全面系统的解决方案。西门子在能源业务领域上表现突出，下属的六个业务集团均在市场中处于领先位置。火力发电集团为化石燃料发电提供高效的产品和解决方案，产品范围涵盖燃气轮机、蒸汽轮机、发电机以及“交钥匙”电厂。可再生能源集团主要为风能和太阳能市场提供产品和解决方案。石油与天然气集团为客户提供用于石油天然气开采、运输和加工的系列产品与解决方案。能源服务集团为整座电厂和旋转设备(如燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和压缩机等)提供综合性服务，其中
包括运营、维护和现代化服务。输电集团是
高压领域的领先产品与解决方案供应商，是高压直流系统领域的技术领军者。配电集团通过智能网络系统提高了能源系统的效率。该集团提供创新的中压设备和系统、能源自动化高效解决方案以及电力系统和网络的服务。SGT-600型燃气轮机发电功率达24MW，单循环效率达33.3%，排气温度较高，适合热电联产及联合循环应用。
2.3.5 索拉公司
索拉透平国际有限公司是卡特彼勒公司的独资公司。索拉是世界领先的工业用燃气轮机和涡轮机成套设备制造企业，其产品功率范围为1,000至22,000kW。索拉透平公司的产品还包括天然气压缩机、燃气轮机发电机和压缩机组以及燃气轮机机械驱动装置。目前,索拉在中国安装了超过176台机组,这些机组被中海油、中国石油以及中石化广泛地用在油田电站和天然气管线增压站上。
2.4主要燃气轮机型号单循环性能比较
考虑到分布式能源项目的特点，容量小，靠近冷热用户，输送距离短;相配套的燃气轮机出力较小，本文选取5家公司具有代表意义的燃机型号进行比选，详见表1。
表1 主要燃气轮机型号单循环性能比较
a)GE公司的LM2500+G4，LM6000PF型;
b)日立公司的H25型;
c)P&W公司的FT8 Swift Pac 30型;
d)西门子公司的SGT-600型;
e)索拉透平公司的Titan250型。
从表1可以看出：
(1)航改型的燃气轮机比工业重型燃气轮机压比大，入口天然气压力高，会增加厂用电率。
(2)航改型的燃气轮机在ISO工况单循环的热耗比工业重型燃气轮机低;效率比工业重型机高。
(3)燃气轮机排气能量，航改型燃气轮机比工业重型燃气轮机小。即航改型燃气轮机比工业重型燃气轮机余热利用的潜力小。
2.5航改型燃气轮机和工业重型燃气轮机的比较
为了减少篇幅，便于阐述，本文选取GE公司的航改型燃机LM2500+G4与日立公司的工业重型燃机H25进行比较。
2.5.1燃气轮机入口的天然气压力
在燃气轮机选型时要注意设备要求的天然气进气压力。天然气的进气压力应尽可能在天然气管网能提供的压力范围内，以减少投资和厂用电的消耗。
由于GE公司的LM2500+G4的进气压力为3.8MPa，日立的H25进气压力为2.2~2.5MPa。对于同样的天然气管网压力，有可能出现采用日立的H25燃气轮机可以不设置增压站，而采用GE公司的LM2500+G4则必须设增压机。增压机会带来额外的厂用电消耗，以及场地布置上需采取相应的防爆措施，所以在选择航改型燃机时需要注意这方面因素的影响。
2.5.2大气温度的变化对机组的出力、热耗以及排气参数的影响
大气温度的变化对GE公司的LM2500+G4和日立的H25燃机出力、热耗、排气温度以及排气流量的曲线见图1-4。
从图中可以看出，随着温度的升高，GE公司的LM2500+G4出力下降较快，但热耗下降较慢。相比之下，日立公司的排气温度和排期流量变化较为缓慢。
2.5.3热端部件的更换周期
GE公司提出机组运行4000小时需进行内窥镜检查(停机8~12小时);25000小时需进行热部件检修(停机3天)，更换费用约150~300万美元;50000小时大修，发动机更换，更换费用约300~500万美元。
GE公司LM2500+G4 50000小时(6年)大修，更换发动机，日立的H25运行64000小时(8年)开缸进行大修。
2.5.4长期服务维护的合同费用
GE公司提出一般合同期为12年，覆盖2个大修期。服务包括合同期内的计划性和非计划性(有一定的上限)对维修备件及服务。合同按初始费用、月固定费用及燃烧时数费用进行收费。如果现场备有发动机或客户参与租用发动机合同可以保证95%的可用率。整体的费用大约每度电0.023~0.028元，根据合同内容而定。
日立公司的H-25燃气轮机的小/中/大修的保养维护的参考费用为0.013元/KWh。根据业主的条件、范围、时期等要求的不同，费用会有相应变动。
2.5.5燃机经济性比较
燃机经济性主要与项目运营参数(年运行小时数和项目经营期)、生产运行参数(全厂联合循环效率及气价等)、缴付费用、工程造价、折旧、维护费用、融资条件、税收及法定费率等条件有关。
一般在最终电价中，各种因素所占权重各不相同。经初步估算，工程造价约占电价权重的5%，全年发电量和供热量约占电价权重的80%，维护费用可视为能直接计入电价。表2为根据某项目的相关基础数据估算出两款燃机的主要经济数据对照表。
表2 两款燃机的经济数据对照表
由上表可知，在各类基础性数据不变的情况下，针对供热工况，日立公司的H-25燃气轮机经济性比GE公司的LM2500+G4燃气轮机高，测算平均含税上网电价稍低。
2.5.5工业重型燃气轮机和航改型轻型燃气轮机比较汇总
工业重型燃气轮机和航改型轻型燃气轮机的性能参数比较见表3。
3 装机方案选择
3.1联合循环热力系统选择
实用的燃气轮机—汽轮机联合循环发电装置(简称联合循环)从热力循环系统的角度来分主要有以下五类：
(1)无补燃的余热锅炉型联合循环
所有的热量都由燃气轮机带入的联合热力循环，这是一种以燃气轮机为主的联合循环，燃气侧参数对系统性能影响较大。
(2)有补燃的余热锅炉型联合循环
在工质经过燃气轮机做功后加入一部分热量参与循环的联合热力循环。补燃作用是提高蒸汽参数与蒸汽产量，增加汽轮机的功率或对外部工艺流程提供额外的供热蒸汽。
(3)排气全燃型联合循环
利用燃气轮机排气作为热风助燃的联合循环。工质中剩余的氧几乎全部与燃料发生化学反应。这是一种以汽轮机为主的联合循环，系统性能在很大程度上取决于蒸汽侧循环参数。
(4)增压锅炉型联合循环
蒸汽发生器放在循环的燃气侧燃烧室之后和燃气透平之前的联合循环。也是一种以汽轮机为主的联合循环，系统性能主要取决于蒸汽侧循环参数。
(5)给水加热型联合循环
燃气轮机的排气主要用于加热蒸汽循环系统给水的联合循环。更是以汽轮机为主的联合循环;系统性能主要取决于蒸汽循环;适用于燃气轮机排烟温度较低的情况。
上述五类联合循环不仅都能用于发电，而且还都可以做成热电联产或热电冷三联供的联合循环，即可从系统某处引出蒸汽供工艺流程使用。
通常，无补燃的余热锅炉型联合循环是各种联合循环中效率最高的，因为输入的热量全部在燃气侧的较高温度下加入循环体系的，因而得到最多的应用，最适合于带基本负荷和中间负荷的机组。
因此分布式能源项目推荐采用无补燃的余热锅炉型联合循环。
3.2联合循环机组轴系配置
就联合循环电厂而言，系统的轴系布置方案是决定电厂结构和机组效率及灵活性的重要因素。通常，轴系布置方案可以分为单轴和多轴，单轴是指燃气轮机和汽轮机在同一根轴上共同推动发电机做功;多轴则是燃气轮机和汽轮机的轴分开，分别推动各自的发电机做功。多轴方案中可以是1台燃气轮机对应一台汽轮机，也可以是多台燃气轮机对应一台汽轮机，根据燃气轮机的台数，分别称为“1+1”、“2+1”、“X+1”多轴系统。通常大容量燃机多配单轴，容量较小的常按多轴配置。
联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置与占地面积、运行操作以及热力性能(特别是变工况的性能)、机组是否承担电网调峰等都有很大影响。除此之外，还应适当考虑投资、运行灵活性、占地面积、建设周期、国产化率、维修等因素的影响。电站设计优化选择时应综合考虑以上各种因素来确定选择轴系配置总体方案。
对于分布式能源项目，以热(冷)定电，所供热(冷)负荷基本为工业热负荷和空调冷、热负荷，其可靠性要求较高，因此采用单轴配置优势不明显;且对于热电冷三联供机组，将同时承受电网和热(冷)网波动的影响，为保证安全可靠，推荐采用多轴配置方案。
4工程实例分析
上海某燃气冷热电三联供项目的设计冷、热负荷统计值见表4。
表4 设计冷热负荷
该项目选用“一拖一”燃气蒸汽联合循环，每台燃机配一台双压余热锅炉和一台抽凝式汽轮机。根据计算两种机型的技术指标见表5(两套机组)。
从表5可以看出：
(1)该工程采用2台GE公司LM2500+ 25t尖峰锅炉的方案能很好地满足对热负荷的相应;能勉强满足平均冷负荷，但不能满足最大冷负荷。2台GE公司LM6000+20t尖峰锅炉的方案能很好地满足对热负荷的响应，满足平均及最大冷负荷的响应。
(2)2台GE公司LM2500燃机与汽轮机纯凝工况下的发电功率合计86480kW，2台GELM6000燃机与汽轮机纯凝工况下的发电功率合计103868kW，两机型的发电功率相差约17388 kW。
(3)两种机型最大抽汽工况下的联合循环效率均接近80%。
(4)GE公司LM2500机型额定抽汽工况下热电比为75.84;LM600机型额定抽汽工况下热电比为71.35，均能满足电厂对热电比的要求。
(5)GE公司LM2500机型方案较LM6000机型的总投资差约7000万，而LM6000机型上网电价较差LM2500机型低约0.9分。根据测算，在该工程现有的条件下，供热成本远高于发电成本。根据目前该市的标杆电价，只有用发电效益来弥补供热的收益损失，也就是说多发电才能有利于企业的效益与生存。就二种机型在经济上而言，选择LM6000机型更具有优势。
表3工业重型燃气轮机和航改型轻型燃气轮机比较汇总表
2、以上数据均为理论计算数据，仅供参考，具体参数根据后期热平衡图计算。
5结论
(1)根据各方技术数据的比较，若采用纯凝发电工况运行则GE公司的航改型燃气轮机占优，对于分布式能源项目长期抽汽发电工况运行则日立公司的工业重型燃气轮机占优。
(2)对于分布式能源项目选用的燃气轮机不仅要注重经济性，更要注重安全性和可靠性。建议业主对各公司长期连续运行的使用业绩和长期服务维修费用专题调查或在招标过程中作为评分的主要依据之一。
(3)从机组运行的经济性，长期连续运行，热部件更换周期以及长期服务维修费用方面看，对于分布式能源项目，采用工业重型燃机比较合适，对于要求启停快的调峰电厂采用航改型燃机比较合适。
(4)对于分布式能源项目，宜采用无补燃的余热锅炉型联合循环，并推荐采用多轴配置方案。
原标题：天然气分布式能源系统燃气轮机选型
