燃气轮机和内燃机发电机组经济性分析

夜勿眠

1　概述
燃气分布式能源系统(以下简称分布系统)是指布置在用户附近，以天然气为主要一次能源，采用发电机组发电，并利用发电余热进行供冷、供热的能源系统[。主要设备包括发电机组、余热利用装置等，作为动力设备的发电机组是分布系统的关键。
分布系统通常采用的发电机组为燃气轮机发电机组(以下简称燃气轮机组)、燃气内燃机发电机组(以下简称内燃机组)。燃气轮机组是以连续流动气体为工质，将热能转化为机械能的旋转式动力设备，包括压气机、燃烧室、透平、辅助设备等，具有结构紧凑、操作简便、稳定性好等优点。在分布系统中应用的主要是发电功率范围为25～20000kW的微型、小型燃气轮机组。
内燃机组是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入气缸内部燃烧并产生动力的设备，是一种将热能转化为机械能的热机，具有体积小、热效率高、启动性能好等优点，发电功率范围为5～18000kW。美国不同规模分布系统的发电机组发电功率见表1。
由表1可知，对于发电功率小于1MW的分布系统，内燃机组比例较大，这是由于发电功率在1MW以下时，燃气轮机组的发电效率较低，经济性较差，因此多选用内燃机组。对于发电功率范围为1～5MW的分布系统，燃气轮机组的数量约为内燃机组的50％。对于发电功率大于5MW的分布系统，燃气轮机组比例超过内燃机组，这是由于当发电功率较高时，燃气轮机组的发电效率较高，若进一步采用燃气轮机组一蒸汽联合循环，分布系统的发电效率、调节灵活性、经济效益都将进一步提高。
2　分布系统配置
分布系统一般包括动力设备(主要为发电机组)、余热利用设备(主要为带补燃的余热锅炉、换热设备、带补燃的吸收式冷热水机组等)、供配电设备(主要为电控设备等)、燃气供应设备、监控装置等，常规配置见图1。在实际设计中，应根据发电机组特性、用户需求(热电比、冷热负荷特性)等多方面因素合理配置分布系统，以实现能源的高效经济利用。
动力设备对分布系统的性能起着至关重要的作用，其排放的余热被下游的余热利用设备回收利用，成为分布系统的驱动源头。一般情况下，当负荷主要为冷热负荷时，余热利用设备宜采用吸收式冷热水机组；当负荷主要为蒸汽或热水负荷时，余热利用设备宜采用余热锅炉及换热设备。
3　发电机纽性能比较
①性能参数
燃气轮机组与内燃机组热电输出特性将影响分布系统的性能，两种品牌不同型号小型燃气轮机组与内燃机组的性能参数分别见表2、3。由表2、3可知，小型燃气轮机组适用于较大规模的分布系统，内燃机组适用于较小规模的分布系统。相近发电功率下，内燃机组的发电效率比小型燃气轮机组高，但前者的排烟温度较低。此外，与内燃机组相比，燃气轮机组性能受海拔和环境温度影响较大，但在确定厂址的前提下，负荷变化对两种发电机组性能的影响较为突出。
②变工况特性
在分布系统中，发电机组常运行在部分负荷状态下，其变工况特性对分布系统综合性能影响较大。以发电功率均为3MW的燃气轮机组、内燃机组为例，热效率、发电效率随负荷率的变化见图2。由图2可知，随着负荷率的降低，两种发电机组的发电效率均呈现下降趋势，但内燃机组的发电效率比燃气轮机组高10％(绝对值)左右。燃气轮机组的热效率明显高于内燃机组，前者的热效率随着负荷率的降低而降低，后者的热效率随着负荷率的降低有上升趋势。由以上分析可知，尽管两种发电机组在额定工况下具有大致相同的热电总效率(热效率与发电效率之和)，但内燃机组的变工况特性更优。
③余热特性
a．燃气轮机组

微型燃气轮机组的烟气温度较低，集中在300℃左右，主要用于制冷、供暖、制备生活热水，少数情况用于生产低压蒸汽。小型燃气轮机组的烟气温度较高，烟气温度在500℃以上的机组占68.5％，烟气温度在450℃以上的机组占93.8％，主要用于生产高压蒸汽，除直接利用及利用蒸汽型吸收式冷水机组制冷外，还可推动蒸汽轮机发电机组发电，组成燃气轮机组一蒸汽联合循环系统。
b．内燃机组
与燃气轮机组的余热全部体现在烟气不同，内燃机的余热分为两部分：一部分为缸套冷却水余热，是为保证燃气内燃机正常工作温度，通过冷却系统带走的热量，温度较低；另一部分为烟气余热，是燃料燃烧做功后烟气携带的热量，烟气温度基本介于微型与小型燃气轮机组之间。由于缸套冷却水温度较低，主要用于供热、制备生活热水，烟气可用于驱动吸收式冷水机组及生产蒸汽外输。
④燃气进气压力
一般情况下，发电机组燃气进气压力由低到高的顺序为：内燃机组，微型燃气轮机组，小型燃气轮机组。小型燃气轮机组进气压力比较大，一般为高压或次高压，因此需要增设燃气压缩机，而燃气压缩过程需要消耗大量能量，影响到小型燃气轮机的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗小型燃气轮机15％～20％的输出功率。内燃机组与微型燃气轮机组燃气进气压力较低，通常为低压或中压。
4　经济性
目前，相同发电功率的燃气轮机组、内燃机组的使用寿命、大修间隔时间基本相同，内燃机组的单位发电功率运行维护费用略高于燃气轮机组，但单位发电功率造价约为燃气轮机组的50％。此外，对于具体的分布系统，经济性还与全年负荷波动、当地能源价格以及环保要求等指标有关。
为避免补燃和余热排空现象的发生，一般根据用户需求选择发电机组类型和容量，从而获得较大的节能和经济效益。当建筑冷热负荷全年波动较大，导致不得不采用补燃或余热部分排空方式进行调节时，分布系统经济性势必受到一定影响。
左政等人以发电功率分别为1~3MW的燃气轮机、内燃机组分布系统作为研究对象，对两种分布系统在不同热电比下的一次能源消耗量进行比较。研究结果表明，对于发电功率为3MW的分布系统，若用户余热需求在两种发电机组最大可利用余热量之间变化时，内燃机组分布系统在大部分区域比燃气轮机组分布系统节能，只有当余热需求接近燃气轮机组最大可利用余热量时，燃气轮机组分布系统才比内燃机组分布系统节能。对于发电功率为1MW的分布系统，在任意情况下内燃机组分布系统均比燃气轮机组分布系统的整体性能优。
此外，还应考虑后期维护所需人工费用对运行费用的影响。以欧洲某品牌内燃机组为例，外派维修人工费用约700欧元／d。