犔犖犌燃气电厂三联产系统节能分析

书书书　第５９卷　第Ｓ２期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　　Ｖｏｌ．５９　Ｎｏ．Ｓ２　２００８年１２月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００８檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文犔犖犌燃气电厂三联产系统节能分析吴集迎，曹文胜，章少剑（集美大学机械工程学院，福建厦门３６１０２１）摘要：根据厦门燃气电厂实际情况，提出了一种ＬＮＧ热电冷三联产节能方案。在假设条件下，分析并计算了该方案下的系统能源利用率、运行经济性及节能潜力。结果表明：该节能方案冷电、热电系统能源利用率分别可达８９．２％和８２．８％，联产系统总能利用率超过８０％；而且供冷系统的运行费用较低，投资回收期小于５年，具有明显的经济效益和较大的节能潜力。关键词：ＬＮＧ；燃气电厂；热电冷联产；节能中图分类号：ＴＫ１２３　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８１１５７（２００８）Ｓ２－２４２－０４犈狀犲狉犵狔狊犪狏犻狀犵犪狀犪犾狔狊犲狊狅狀犔犖犌犆犆犎犘狊狔狊狋犲犿狅犳犪狀犪狋狌狉犪犾犵犪狊狆狅狑犲狉狆犾犪狀狋犠犝犑犻狔犻狀犵，犆犃犗犠犲狀狊犺犲狀犵，犣犎犃犖犌犛犺犪狅犼犻犪狀（犆狅犾犾犲犵犲狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犑犻犿犲犻犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犡犻犪犿犲狀３６１０２１，犉狌犼犻犪狀，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＡｎｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｔｈｅＬＮＧＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍｉｎＸｉａｍｅｎｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂａｓｉｃｄａｔａｏｆｔｈｉｓｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｒｉｍａｒｙｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｓｏｍｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｏｔａｌｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ８０％，ｗｉｔｈｔｈｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｏｌｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｕｐｔｏ８９．２％ａｎｄ８２．８％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｓｔｓｆｏｒｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｅｆｅｗｅｒａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｒｅｃｏｖｅｒｙｐｅｒｉｏｄｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＬＮＧＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｒｅａｔｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｔｉｅｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ；ｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ；ＣＣＨＰ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ引　言２００２年初国务院正式批准了福建ＬＮＧ总体项目，厦门是其中５个主要应用城市之一，项目预计将于２００９年进入商业运行。厦门燃气电厂是一座以即将接入厦门的ＬＮＧ为燃料、装机容量达到４×３５０ＭＷ的天然气发电厂。通过对其热电冷三联产节能方案的研究，实现ＬＮＧ燃气发电过程中能源的梯级利用，提高系统总能利用效率，将对福建省的能源结构改善产生积极影响。１　厦门燃气电厂热电冷联产系统方案设计１１　厦门燃气电厂概况厦门燃气电厂是福建ＬＮＧ总体项目下游用户　　２００８－１０－１３收到初稿，２００８－１０－２６收到修改稿。联系人及第一作者：吴集迎（１９６４—），男，教授。基金项目：福建省自然科学基金项目（Ｅ０６４００１３）；福建省教育厅Ａ类科技项目（ＪＡ０７１４１）。　　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００８—１０—１３．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＷＵＪｉｙｉｎｇ．犈—犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｅ０６４００１３）ａｎｄｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｉｎＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ（ＪＡ０７１４１）．　之一，占地面积１８．５４万平方米，项目总投资２８．７３亿元。一期工程计划建设２台３５０ＭＷ级燃气蒸汽联合循环发电机组，接入电压等级为２２０ｋＶ。燃料采用由印尼东固气田进口的ＬＮＧ，通过福建莆田秀屿的ＬＮＧ接收站经输气管线送至电厂［１］。目前，电厂一期工程的设计以及项目主机设备的招标工作已经完成。１２　主机设备组成与布置１．２．１　燃气电厂的主轴布置　一般而言，在Ｆ系列（功率２００ＭＷ以上）燃机联合循环电厂中，燃气轮机、蒸汽轮机、发电机３个主要设备有多种布置方案：①“１拖１”单轴；②“１拖１”双轴；③“２拖１”三轴；④多套并列的“１拖１”单轴［２］。厦门燃气电厂采用的是４套并列的单轴布置（一期工程两套，并预留了二期的主机位）。１．２．２　主轴布置对三联产系统的影响　单轴机组的启动时间较短，更适宜于每日启停的运行方式，多建为调峰电厂。由于热电冷三联产的电厂在供冷和供热时必须是连续的，而且负荷变化较少，最好是一个基本负荷电厂。而单轴布置的厦门燃气电厂，对三联产系统的供冷供热存在一定的影响。因此，本方案在设计区域供冷供热系统时，取扩容系数２０％，通过增大供冷供热量来满足实际的需求。１．２．３　主机设备　厦门燃气电厂选用上海电气集团和西门子公司联合生产的ＧＵＤ１Ｓ．９４．３Ａ机组。由Ｖ９４．３Ａ燃气轮机、９Ｆ燃机余热锅炉（设计蒸气量３００ｔ·ｈ－１）和凝汽式蒸汽轮机组成，燃气轮机与蒸汽轮机同轴驱动发电机。机组的各项技术参数见表１。表１　犌犝犇１犛９４３犃机组技术参数犜犪犫犾犲１　犜犲犮犺狀犻犮犪犾犱犪狋犪狅犳犌犝犇１犛９４３犃狋狌狉犫狅犵犲狀犲狉犪狋狅狉狌狀犻狋Ｐｏｗｅｒｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒ／ＭＷＭａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒ／ＭＷＥｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ／％Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ＨｚＳｔｅａｍｃｙｃｌｅＮｕｍｂｅｒｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅＮｕｍｂｅｒｏｆｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅＮｕｍｂｅｒｏｆｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ３５４３９８５７．２５０ｔｒｉｐｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｈｅａｔ１１１１３　供汽方式燃气蒸汽联合循环三联产系统的蒸汽来源主要是抽汽和乏汽。考虑到余热锅炉设计蒸汽量大，尾汽充足，只需利用乏汽即可满足冷热负荷的需求。同时，为了不影响电厂的发电效率，选择蒸汽轮机的乏汽为厦门燃气电厂三联产系统的蒸汽来源。１４　假设条件假设在电厂周边有一个建筑面积为２５万平方米的集中居住区。利用电厂蒸汽轮机的部分乏汽驱动溴化锂吸收式冷水机组，将产生的冷水作为居住区空调系统的冷媒。另一方面，因为厦门地区属夏热冬暖型气候，冬季采暖期为０，故仅需将蒸汽轮机的乏汽接入汽水换热器产生热水，就能满足居住区生活热水的需要。１５　平面布置根据厦门燃气电厂提供的平面图，综合考虑电厂的基建情况，将供冷供热机房布置在电厂南向一块宽５０ｍ、长２００ｍ的空地上。系统平面布置如图１所示。intakevalve(reservation)powerplantfacilitiesintakevalvepowerplantfacilitiesturbo-genera-torunitturbo-genera-torunitturbo-genera-torunit(reser-vation)turbo-genera-torunit(reser-vation)heatingsystemwaterroompumpwaterchillerroom图１　厦门燃气电厂热电冷联产系统平面布置图Ｆｉｇ．１　ＰｌａｎｅｆｉｇｕｒｅｏｆＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍｉｎＸｉａｍｅｎｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ　１６　冷水机组选型根据前面的假设条件，按９０Ｗ·ｍ－２的冷量需求计算，集中居住区需要的总冷负荷为２５×１０４ｍ２×９０Ｗ·ｍ－２＝２２．５ＭＷ，加上扩容系数·３４２·　第Ｓ２期　　吴集迎等：ＬＮＧ燃气电厂三联产系统节能分析２０％，则需要总冷负荷为２２．５ＭＷ×１２０％＝２７ＭＷ。考虑到冷量输送过程存在一定的损失，选择４台型号为ＳＸＺ８６９８ＤＨ２的双良Ｈ２系列双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组，单机名义制冷量６９８０ｋＷ，总制冷量２７．９２ＭＷ，可满足需要。该冷水机组能效比１．４３，气密性高，其主要性能参数见表２。为适应负荷的波动和变化，４台冷水机组采用并联布置。表２　犛犡犣８６９８犇犎２双效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组性能参数犜犪犫犾犲２　犜犲犮犺狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳犛犡犣８６９８犇犎２狊狋犲犪犿狅狆犲狉犪狋犲犱犱狅狌犫犾犲犲犳犳犲犮狋犾犻狋犺犻狌犿犫狉狅犿犻犱犲犪犫狊狅狉狆狋犻狅狀犮犺犻犾犾犲狉ＩｔｅｍＰａｒａｍｅｔｅｒＶａｌｕｅｒｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ／ｋＷ６９８０ｃｈｉｌｌｅｄｗａｔｅｒｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃１２—７ｆｌｏｗｒａｔｅ／ｍ３·ｈ－１１２００ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ／ＭＰａ０．０４ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ４００ｃｏｏｌｉｎｇｗａｔｅｒｉｎｌｅｔａｎｄｏｕｔｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃３２—３８ｆｌｏｗｒａｔｅ／ｍ３·ｈ－１１７００ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ／ＭＰａ０．１１ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ４５０ｓｔｅａｍｓｔｅａｍｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ／ｋｇ·ｈ－１７４４０ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃≤９５ｅｘｈａｕｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅ／ＭＰａ≤０．０５ｓｔｅａｍｐｉｐｅｌｉｎｅｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ１５０ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅｐｉｐｅｌｉｎｅｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ６５ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｖｏｌｔａｇｅ／Ｖ３８０ｃｕｒｒｅｎｔ／Ａ４９．４ｐｏｗｅｒ／ｋＷ１５１７　系统流程设计虽然燃气蒸汽联合循环的发电效率最高可达５７％，但仍然有４３％左右的能量损失。因此，如果把这些损失掉的低品位能量进行回收利用，将明显提高系统的总能利用效率。基于此，作者在厦门燃气电厂发电设备已确定的基础上，增加４台蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组和２组汽水换热器，进行ＬＮＧ三联产系统的节能方案设计。采用燃气蒸汽轮机联合循环加蒸汽型吸收式制冷系统，由燃气轮机和蒸汽轮机共同驱动发电机。其流程是：液化天然气经混合后在Ｖ９４．３Ａ燃气轮机内燃烧，排烟则进入９Ｆ余热锅炉中产生高、中、低压三级蒸汽，分别进入三级蒸汽轮机和燃气轮机共同驱动发电机发电。其中，在供冷部分，利用第三级蒸汽轮机的乏汽驱动蒸汽型吸收式冷水机组，提供７～１２℃的冷媒水，用于空调系统的风机盘管；而在供热部分，将乏汽接入汽水换热器加热介质水，提供５０～７０℃的生活热水。系统流程如图２所示。outletfluegasheatrecoverysteamgeneratorinletNGheatexchangergeneratorgasturbineinletairheatexchangerLiBr-waterabsorptionchillersteamturbin4.00bar271℃31.6bar320℃119bar500℃GTGHPIPLPST+图２　厦门燃气电厂热电冷联产系统流程Ｆｉｇ．２　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＣＣＨＰｓｙｓｔｅｍｉｎＸｉａｍｅｎｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ（１ｂａｒ＝１０５Ｐａ）　２　经济性分析２１　系统能源利用率根据上海电气集团提供的资料：西门子联合循环系统的能量损失中，份额最大的是蒸汽轮机