基于国产航改燃机分布式能源系统总能效优化设计

刘 宇，薛 飞，王 昊，黄 峰

(上海同祺新能源技术有限公司，上海 218000)

燃气轮机及其系统是典型的技术密集型产品。在工业型分布式能源领域，燃气轮机热电联产设备已成为能源中心的主流配置。但国产航改燃气轮机受限于高温材料技术上的差距，存在空气量大、燃烧温度低、发电效率和余热品位低等问题。这为国产航改燃气轮机在分布式能源领域推广应用造成了很大的困难，如何提高基于国产航改燃机轮机的分布式能源系统总能效率亟待优化研究。分布式能源系统的功能是按照能量品位高低进行梯级利用，从总体上安排好功、热(冷)与物料内能等各种能量之间的匹配关系与转换使用,在系统高度上综合利用好各种能源,以取得更好的总效果,而不仅是着眼于单一生产设备或工艺的能源利用率或其他性能指标的提高[1]。可见，在国产燃机目前的技术状态下，开展分布式能源系统总能优化设计，通过提高其能效来实现较好的经济效益，是可行的选择之一[2-3]。

结合上海首个以国产航改燃机为核心机的分布式能源示范项目——上海老港工业区分布式能源项目，针对WJ6型国产航改燃气轮机的技术特点，开展有针对性的总能系统能效优化设计研究，有效提高国产航改燃机系统的总能利用效率，为国产航改燃气轮机在分布式能源领域的推广应用提供新思路。

1 分布式能源系统总能优化设计

国产涡桨6型航改燃气轮机在标准状态(环境温度15℃，大气压力101.3 kPa，相对湿度60%)下的主要技术性能参数如下：额定发电功率2 000 kW；机组热耗16.1 MJ/kWh；排气流量19.85 kg/s；排气温度400℃。

图1 传统总能系统工艺原理图

图2 优化后的总能系统工艺原理图

该型号航改燃机大量应用在国内焦化行业焦炉煤气等可燃废气回收利用领域，其传统总能系统工艺原理及热平衡如图1所示(饱和蒸汽压力为1.0 MPa)。

传统工艺系统的总能利用效率理论值为71.7%，实际运行数据存在低于分布式能源70%总能效率下限指标的可能性，同时对系统的运行经济性造成较大负面影响。

上海老港工业区分布式能源系统为上海首个以国产航改燃机为核心机的项目。该项目采用5台2 000 kW国产涡桨6型航改燃气轮机，机组在发电上网的同时通过余热锅炉输出蒸汽实现对整个工业区的蒸汽供应，另外还配置28 t/h燃气锅炉作为调峰使用，蒸汽冷凝水不回收。上海老港项目总能系统工艺优化的思路是在省煤器后增加给水加热器，将烟气温度降低到100℃，回收的热水优先用于余热锅炉给水，多余部分补充燃气锅炉给水，从而实现系统效率的提升。

经过优化后的总能系统工艺原理如图2所示。

由图2表明，优化后的给水加热器实现1 339 kW的低品位热量的回收，每小时将12.96 t软水从15℃加热到除氧器的设计温度104℃。其中，7.44 t用于燃机余热锅炉的给水，其余5.52 t用于燃气锅炉的给水。在优化前后，燃机总能系统的能效数据对比如表1所示。

由表1可知，优化后的工艺系统总能利用效率理论值为89.1%，效率提升24.3%。补充热量后的燃气锅炉单位蒸汽产量耗汽量从80 Nm3/t降低到65.7 Nm3/t。总体能效得到显著提升。

表1 优化前后燃机总能系统工艺数据对比表 kW

2 系统优化设计及验证

基于优化设计的原理开展了能源站的总能系统设计。优化后的总能系统图如图3所示。

图3 优化后的总能系统图

总能系统除氧器补水由给水加热器加热，另设一路直接补充作为调节手段。经过给水加热器加热后的给水温度通过温度控制达到除氧要求的技术指标后进入除氧器。除氧器蒸汽加热功能保留，作为系统调整使用。

取本项目实际运行数据显示，总能效率在80%以上，图4为2017年4月45个班次(12小时一班)的实际运行数据，平均总能效率为81.3%。达到了理论值的91.2%。

图4 总能效率实际运行数据表

3 结语

通过对国产航改燃气轮机性能深入分析，结合上海老港工业区分布式能源示范项目，开展了基于国产航改燃机分布式能源系统总能效率优化设计，实现了总能效大幅度提升的目标，进而提高了本项目运行的经济性。通过示范工程的设计优化与精益管理运营集成融合，可以为后期国产航改燃机在分布式能源领域推广应用提供了项目案例支撑。