智慧能源：燃气轮机分布式能源节能新技术

近些年来，我国经济飞速发展，经济大幅度提升的同时也带来了能源和环境等多方面的诸多问题，一时间，节能减排成为全国乃至世界共同关注的重要话题。但纵观国内目前的节能减排工程，大多是治标不治本，并未从根本解决实际问题。就电力领域而言，2008年就出现过全国几个省电网瘫痪的事件。当前国内普遍使用的大电网以火力发电为主，其损耗率在8%左右，发电效率低、污染严重，而欧美倡导并广泛使用的，以天然气发电为主的分布式能源小电网，却有着效率高、污染低等优点。

目前，我国分布式能源在上海得到有效推行，基于上海的成功经验，国家五部委于2011年11月14日联合下发了《关于推广天然气分布式能源的指导意见》的文件，明确提出在“十二五”期间，全国要开展1000个分布式能源示范工程，以及10个大型区域示范工程。笔者认为目前国家大力倡导民生工程，建设智慧城市，而最能体现城市智慧的既是分布式能源，在未来随着国家一系列政策的出台将会加速整个节能减排行业的发展。

1 分布式能源系统

为了与传统能源供应体系形成互补体系，在保证安全可靠供能的基础上尽可能降低传统能源的比例，实现能源利用效能的最大化，打造智慧能源系统需要依托燃气或燃煤的冷热电分布式能源技术、小水电、余热利用、蓄能、热泵、太阳能、风能等新型能源技术和可再生能源技术等，利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，一般综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是分布式能源应用的主要方式，其主要产能设备是燃气轮发电机。通过采用燃气轮机进气冷却及燃气轮机尾气再用两项技术应用，可将天然气分布式能源系统的综合能源利用效率提高至85%左右。其特点是能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好。

2 燃气轮机应用原理

燃气轮机发电机组在国外已被广泛使用，尤其以中东、北美、欧洲和东南亚较多。燃气轮机发电已经占全球发电的20%。发达国家准备在2020年左右推出燃气氢能的燃气轮机，其进气初温将从目前的1400℃升到1700℃，联合循环的效率也将达到65%，堪称是发电机设备中效率最高的。我国发展燃气轮机发电技术的起步很早，但限于我国工业技术、技术能力及能源政策等诸多因素的影响，这种高难度、大型设备的研发速度一直很慢，自改革开放以来，随着国民经济发展和电力供应紧张形势加剧，越来越显示出发展燃气轮机发电的重要性，目前我国北方多以汽轮机火力发电为主，而长三角和珠三角燃气轮机发电发展较快。

燃气轮机发电机组具有效率高、简单循环燃气轮机的净效率为37%一43%；前置循环热电联产时的总效率一般均超过80%；启停速度快，可以很好地配合电网大幅度频繁调峰；排污治标低，排放的体积分数NOx小于9x10^-6，柴油发电机是其数百倍。此外，还具有设备维护少、安装简单、自动化程度高等优点。

燃气轮机的工作循环是一种所谓的“白雷登循环”，循环过程在温熵（T-S）图上的表示方法如图1所示。从温熵图上不难看出，面积1234就是1kg空气在燃机中完成一次循环后，输出的功，即通常所说的比功或出力。显然这个面积越大，意味着比功或出力越大。要想增加这个面积，一种方法是提高燃气初温（T3），如b图所示；一种方法是降低燃机的进气温度（T1），如c图所示。采用提高燃气初温的方法通常适用于燃机制造商，有条件投入大量的人力物力研制出耐热性能更好的材料，结果是使燃机不断更新换代，成为一个个产品系列（如E级、F级燃机）；采用降低进气温度的方式则适用于燃机用户，这种方法对技术力量要求相对较低，实施难度不高，可作为技术改造项目予以实施，且得到的收益更大。

3 燃气轮机技术应用

天然气发电要想在汽轮机上节能，能够实现的办法是改变汽轮机的进气温度和基于尾气的利用。

燃气轮机进气冷却技术

燃气轮机进气冷却技术包括直接接触式冷却技术（包含湿膜发冷却技术、喷雾冷却技术）和间接接触式冷却技术（包含压缩制冷冷却技术、蓄冷冷却技术、余热制冷冷却技术、LNG冷能利用技术）两种。其具有安全可靠、不改变原发电工艺和设备、提高效率的显著特点，并能提高发电效率10%—15%，最高可达35%。同时，使机组常年在设计工况下运行，提高机组的实际使用寿命，以及具有经济型好、投资小、施工简单、便于使用方实施、可以短期回收成本等特点。

直接接触式冷却技术其原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和空气与水接触时，两者之间便会发生传热、传质过程。结果是空气的显热变为水蒸发时所吸收的潜热，从而使其温度降低。理论上可将这一过程近似看作对空气的绝热加湿过程（如图2所示）。其技术特性最大的优点是初期投资少。燃气轮机出力和热耗的影响与当地空气的相对湿度密切相关，其较适宜在干燥炎热的地区使用。当进气湿度较大时，可在燃气轮机进气道内逆进气方向喷入除盐水，利用水雾蒸发降低湿空气温度，后面要有水分分离器或收集器，除去进气中的水分，使其达到设备厂商允许的携水率，保证机组性能免受影响。进气直接接触的水必须保证足够的洁净度和酸碱值，因为微量的杂质就会引起燃气轮机叶片的腐蚀。

间接接触式冷却是在燃气轮机压气机进口处设置一翅片式表面换热器，空气在管外翅片侧流动，冷源在管内流动。与常规管翅式换热器不同，这种换热器要考虑空气中冷凝水的分离、收集与排放。如图3所示，a点表示环境条件，c点表示进气状态。随着空气通过表面式换热器把显热传给冷源，空气的相对湿度增加，空气温度逐渐降低到露点温度（b点）。如果要把空气温度降低到露点温度以下，除了这部分显热外，还需要空气中水蒸汽凝结时的潜热。从b点到c点空气中的水蒸汽开始凝结，使得c点的湿度达到100%（处于饱和状态）。a—b和b-c分别表示显热和潜热。由于采用表面式冷却故不受环境空气相对湿度的影响，因此在潮湿炎热的地区采用这种冷却方式的较多。

目前，燃气轮机进气冷却技术在国内外已有广泛应用，如新疆塔里木油条轮南燃气轮机电站使用蒸发式降温、江苏无锡华达电厂使用压缩式降温、深圳金钢电力有限公司使用余热吸收式降温、印度拉贾斯坦乌代尔电站使用蓄冷式降温等。

燃气轮机尾气再利用技术

燃气轮机尾气再利用技术的特点是由于天然气单位热量含碳量比燃煤低50%，CO₂排放量也低56%；与燃煤相比，NO_x减少60%，SO₂几乎可忽略，无烟尘排放。其技术主要利用方式是：燃气轮机+排气回收型溴化锂吸收式冷温水机；燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂冷温水机；燃气轮机+排气再燃型溴化锂吸收式冷温水机和燃气轮机+排气余热利用和补燃型溴化锂吸收式冷温水机。目前在北京中关村软件园使用是的1200KW燃气轮机、3489KW余热直燃机和3489KW标准直燃机。

4 结束语

利用燃气轮机节能工程打造的分布式能源技术，随着智慧城市的火热建设和国家基于分布式能源的推广力度，未来定会在全国规模性发展。建设智慧城市必要打造全国的分布式能源，这对于节能、减排、高效率发电以及在电网领域体现城市的智慧起着不可磨灭的作用。

2012年11月在上海召开的“CSST节能减排创新技术应用研讨会”中，笔者对CSST在节能减排领域的领先技术与智慧城市战略布局的强强联合表示认同和赞许。相信在未来，随着国家一系列政策的出台，CSST也将会结合自身的优势，打造出专有的分布式能源节能技术，与业界共同推进整个行业的发展。