MGT6000燃气轮机发电机组在某造纸企业分布式能源站的应用研究

严胜德 王 楠 孙 滨

曼恩机械有限公司

0 前言

自2010年以来，由于中国人口的增加以及经济的高速增长，带动了国内消费以及国外出口市场的同步增长，对于日常消费产品和工业产品的需求也屡创新高，而作为支撑经济发展、消费增长以及需求增加的重要前提条件，清洁能源供给在人们的日常生活以及工业生产中，将会发挥日益重要的作用。

根据“双碳”目标，中国力争于2030年前实现CO2排放达峰，单位国内生产总值CO2排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上，力争于2060年前实现碳中和。但在中国目前的能源供给结构中，煤电装机10亿kW，占全国总装机53%，使用煤炭产生的CO2占全社会总碳排放量的80%，其中煤电燃烧排放占到总排放量的43%，是我国碳排放的主要来源。截至2020年底，我国风电、光伏装机容量5．3亿kW，为实现“双碳”目标，未来十年风电、光伏累计需要完成装机容量12亿kW的目标，2060年我国陆上风电、光伏两者装机容量占全国总装机容量比例将达到约60%，发电量占全国总发电量比例将达到45%。但是，新能源在中国能源结构的占比大幅增加，将会给电力系统带来一系列新的问题和挑战。例如，风光的随机性、波动性、间歇性，无法使得高比例可再生能源在需要时稳定、灵活的供给，同时，可再生能源供给侧高比例的电力电子设备导致系统转动惯量持续下降，调频、调压能力缺乏。而在需求侧，能源峰谷特征愈加明显、差距不断扩大，急需要具有低碳排放、大规模、响应迅速的传统机组来调节和补充。

在此背景下，通过梳理目前能源供给侧的多种能源供给方式，只有天然气具备相应的优势。天然气作为传统化石能源，具有比较于煤电的低碳排放、热值高、基础设施完善、获取渠道众多等特点，完全可以作为可再生能源的调峰、调频补充，也可以作为长期碳中和目标下从煤电到可再生能源的重要过渡。对于“双碳”目标下的重点领域，工业能源供给不仅仅完成从煤电到绿电的转换，更重要的是需要有清洁的热能供给方案。而以燃气轮机发电机组作为动力源的天然气分布式能源项目，将在工业能源供给转型过程中提供有力支撑，可以作为一定时期内的过渡电源和热源。工业分布式能源站可以实现用户侧多能供应，大幅提高能源利用效率、布局灵活、运营高效，通过能源的合理梯级利用，采用发电后的废热进行制冷和供热，可将传统化石燃料的能源利用效率由35%~40%提升至70%~90%[2]。通过在负荷中心就近提供多种能源供应，大幅减少输配电和输热损耗，具有良好的经济、环保及社会效益。工业分布式能源站适合建在工业企业、园区、数据中心、商业综合体、医院等对多种能源均有稳定需求的场景开展综合能源服务。

1 MGT6000燃气轮机发电机组

MGT6000燃气轮机发电机组是曼恩能源方案有限公司基于在透平机械和发动机领域超过260年的研发、生产以及应用经验，于2013年推向市场的一款全新工业重型燃气轮机产品。此系列燃气轮机有单轴和双轴两种型号，均采用经验证过的成熟技术，分别应用于发电和工业驱动领域。MGT6000燃气轮机发电机组采用最新的设计标准和准则，拥有同类产品不可比拟的优异性能和紧凑结构，其性能参数和结构布置分别见表1和图1。

图1 MGT6000燃气轮机发电机组结构布置

表1 MGT6000燃气轮机发电机组性能参数

2 某造纸企业分布式能源站

2.1 项目概况

某造纸企业位于中国山东省，主导产品为高档装饰原纸，现有PM1、PM2、PM3三条生产线，年产装饰原纸12万t。截止到目前，企业现有三条生产线的用电全部来自市电网、蒸汽来自于燃煤锅炉。

近年来，随着山东省以及寿光市对绿色能源和排放的要求日益严格，尤其是2020年10月28日山东省生态环境厅等七部门联合发布《关于做好非传输通道城市35蒸吨/小时以下燃煤锅炉淘汰工作的通知》，要求2021年10月底前，青岛、枣庄、东营、烟台、潍坊、泰安、威海、日照、临沂9个非传输通道城市35 t/h（蒸吨）以下燃煤锅炉（高效煤粉炉除外）全部淘汰，全省不再新建35 t/h（蒸吨）以下各种类型燃煤锅炉。在此背景下，某造纸企业决定采用更绿色环保的天然气分布式能源系统，计划分两期建设，能源站一期满足现有PM1、PM2、PM3生产线的电力和蒸汽需求，能源站二期满足新建PM4、PM5生产线的电力和蒸汽需求。两期天然气分布式能源站均采用管线高压天然气或LNG，经燃气轮机、余热锅炉和调峰锅炉燃烧后，向生产线提供电力、蒸汽以及制冷等用能需求，整套工艺系统将全部取代目前的燃煤锅炉蒸汽和部分市电供应，从而实现工厂的绿色用能及超低排放，适应山东省政府关于造纸行业高质量绿色发展的客观要求。

某造纸企业现有厂区内西南角，厂区周边道路均已建成，交通十分便利。区域周边已建有完善的给排水、供电、供热管网及通信网络，项目可就近接入供电、供水、排水及消防管网，能够保证项目的正常需要。

根据当地环境监测站对某造纸企业的环境空气质量的监测结果，采用《环境空气质量标准》中二级标准，SO2、NOx小时平均浓度、日均浓度均不超标。

根据监测数据，该区域的声环境较好，各监测点昼间、夜间噪声监测值均不超标，能够达到《城市区域环境噪声标准》(GB3096-1993)中的2类标准——昼间60 d B(A)、夜间50 d B(A)的要求。

项目现场海拔28 m，年平均气温12．7℃，相对湿度63%，年平均风速3．1 m/s，厂址区域地震基本烈度为7度。

2.2 项目用能需求分析

根据某造纸企业先期的统计，各生产线（包括建成及计划建设）的电/热负荷如表2。

表2 1#-5#生产线电/热负荷

截至目前，某造纸企业已建成1#、2#、3#生产线，电负荷需求12 500 kW，蒸汽负荷需求30 t/h；将来，4#、5#生产线建成后，电负荷需求25 200 kW，蒸汽负荷需求60 t/h。

2.3 项目生产线运行方式分析

根据目前某造纸企业的供能模式，电能来自电网，蒸汽来自燃煤锅炉，因此生产线运行方式不太会对供能方产生很大的影响。但如果采用单独的天然气分布式能源站后，生产线运行方式将在很大程度上影响天然气分布式能源站的运行方式，并且天然气能源站的负荷波动也会很大程度上影响生产线的运行，因此，电/热负荷的匹配以及主要设备的选型，对于生产线的稳定运行及良好的经济效益至关重要。

基于某造纸企业已建成和计划新建的生产线以及电/热负荷需求，可以得出：

1)已投入运行的1#、2#、3#生产线，生产和用能需求相对独立；

2)计划新建的4#和5#生产线，生产和用能需求相对独立；

3)1#-5#生产线每个月有一次计划检修，但时间上不重叠，不会产生线间的相互影响；

4)1#、2#、3#生产线的用能负荷需求差别不大；

5)用能负荷需求1#+2#+3#生产线=4#生产线=5#生产线，1#+2#生产线=3#生产线。

为了尽可能满足和匹配各条生产线的用能负荷要求，提高各生产线的生产效率及调度灵活性，降低能源站停车及低负荷消耗，增加整个能源站的利用率和经济效益，建议能源站设计如下：

1)1#和2#生产线单独新建并共用分布式能源系统，提供6 200 kW电能和15 t/h蒸汽；

2)3#生产线单独新建分布式能源系统，提供6 300 kW电能和15 t/h蒸汽；

3)4#生产线单独新建分布式能源系统，提供12 600 kW电能和30 t/h蒸汽；

4)5#生产线单独新建分布式能源系统，提供12 600 kW电能和30 t/h蒸汽；

5)生产线计划检修方案1#和2#生产线，3#生产线，4#生产线，5#生产线。

2.4 分布式能源站机组设备选型

从实现热电联供的功能来说，热电联供能源站中的主要设备由发电设备、余热利用设备及调峰设备构成。其中，发电机组包括燃气内燃机发电机组和燃气轮机发电机组两大类；余热利用设备主要是余热锅炉和溴冷机。调峰设备包括电制冷机、直燃机、锅炉、换热器等。

目前，在中国市场上，工业用户普遍采用燃气内燃机发电机组或燃气轮机发电机组作为热电联供能源站的主要设备。通常，基本选择原则是定义电热比，如电负荷需求和价格高，则采用发电效率较高的燃气内燃机发电机组，如热负荷需求高和价格高，则采用产热效率高的燃气轮机发电机组[3]。

依据某造纸企业的电/热负荷需求、价格以及应用场景，可以发现：

1)项目用能热负荷为主，电负荷为辅，且负荷需求非常稳定；

2)项目用能蒸汽价格高，电价低；

3)项目附近有高压天然气管道，与本项目站址距离约6 km，天然气供给安全稳定；

4)项目现场场地空间有限，不适合大尺寸设备布置；

5)项目所在地有NOx最低排放要求，宜采用低排放设备。

综上，本项目天然气分布式能源站设备配置选型建议采用燃气轮机发电机组+低压余热锅炉。

根据本项目1#-5#生产线具体的用能负荷需求，结合具体的电、热、天然气价格，综合考虑利用已有共用设施、运营方式、检维修、电网接入等因素，对于燃气轮机发电机组，我们选取了曼恩能源方案有限公司的两款燃气轮机发电机组进行方案对比，分别 是MGT6000（6．63 MW）和THM1304-12N（11．52 MW），功率参数均为ISO工况下，对于余热锅炉，采用国内生产的低压余热蒸汽锅炉。

2.5 分布式能源站机组方案对比

根据本项目1#-5#生产线具体的用能负荷需求，采用如下两种燃气轮机发电机组配置方案。

方案一：

能源站一期2套MGT6000燃气轮机发电机组（6．63 MW）+2套低压余热蒸汽锅炉（15 t/h-1MPa/184℃）；

能源站二期4套MGT6000燃气轮机发电机组（6．63 MW）+4套低压余热蒸汽锅炉（15 t/h-1MPa/184℃）。

方案二：

能源站一期2套MGT6000燃气轮机发电机组（6．63 MW）+2套低压余热蒸汽锅炉（15 t/h-1MPa/184℃）；

能源站二期2套THM1304-12N燃气轮机发电机组（11．52 MW）+2套低压余热蒸汽锅炉（30 t/h-1 MPa/184℃）。

针对1#-5#生产线具体的用能负荷需求，具体配置如表3。

表3 1#~5#生产线具体的用能负荷需求

1）按照机组方案分析之一

（1）1#生产线和2#生产线共用1套MGT6000燃气轮机发电机组，100%满足两条生产线的用电和蒸汽负荷需求，即使在实际现场工况下，1套MGT6000燃气轮机+1套低压余热蒸汽锅炉仍可100%满足用电和蒸汽负荷需求。考虑分配多余的蒸汽需要增加蒸汽管道等共用设施、多余的电能无法完成上网销售，因此在100%满足两条生产线的蒸汽需求后，MGT6000的发电量约等于两条生产线6 200 kW的要求，匹配用能负荷要求。

（2）3#生产线单独采用1套MGT6000燃气轮机发电机组，在实际现场工况下，1套MGT6000燃气轮机+1套低压余热蒸汽锅炉仍可100%满足用电和蒸汽负荷需求。其中，蒸汽产量为15 t/h，发电量约等于6 300 kW,匹配用能负荷要求。

（3）4#生产线单独采用2套MGT6000燃气轮机发电机组，在实际现场工况下，2套MGT6000燃气轮机+2套低压余热蒸汽锅炉可100%满足蒸汽负荷需求。其中，蒸汽产量为30 t/h，发电量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用电可采购市电网，匹配用能负荷要求。

（4）5#生产线单独采用2套MGT6000燃气轮机发电机组，在实际现场工况下，2套MGT6000燃气轮机+2套低压余热蒸汽锅炉可100%满足蒸汽负荷需求。其中，蒸汽产量为30 t/h，发电量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用电可采购市电网，匹配用能负荷要求。

通过以上分析得出，采用机组方案一可以100%满足1#-5#生产线的蒸汽负荷要求，发电部分需要少量从市电网采购。同时，1#和2#生产线共用1套MGT6000燃气轮机发电机组，在生产线检修时，可将燃气轮机降负荷运行，以匹配负荷的变化。4#和5#生产线均单独采用2套MGT6000燃气轮机发电机组，可以灵活地适应生产线负荷的变化，同时不降低机组的效率。综上，该方案完全满足项目蒸汽负荷需求，需求少量电可从市电网采购，保持每条生产线用能的独立性，不产生线间影响，所有机组为同一型号，非常有利于售后维护，为主要推荐方案。

2）按照机组方案分析之二

（1）1#生产线和2#生产线共用1套MGT6000燃气轮机发电机组，100%满足两条生产线的用电和蒸汽负荷需求，即使在实际现场工况下，1套MGT6000燃气轮机+1套低压余热蒸汽锅炉仍可100%满足用电和蒸汽负荷需求。考虑分配多余的蒸汽需要增加蒸汽管道等共用设施、多余的电能无法完成上网销售，因此在100%满足两条生产线的蒸汽需求后，MGT6000的发电量约等于两条生产线6 200 kW的要求，匹配用能负荷要求。

（2）3#生产线单独采用用1套MGT6000燃气轮机发电机组，在实际现场工况下，1套MGT6000燃气轮机+1套低压余热蒸汽锅炉仍可100%满足用电和蒸汽负荷需求。其中，蒸汽产量为15 t/h，发电量约等于6 300 kW,匹配用能负荷要求。

（3）4#生产线单独采用1套THM1304-12N燃气轮机发电机组，蒸汽产量为30 t/h，发电量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用电可采购市电网，匹配用能负荷要求。

（4）5#生产线单独采用1套THM1304-12N燃气轮机发电机组，蒸汽产量为30 t/h，发电量稍稍低于12 600 kW，缺少的部分用电可采购市电网，匹配用能负荷要求。

通过以上分析，采用该方案可以100%满足1#-5#生产线的蒸汽负荷要求，发电部分需要少量从市电网采购。同时，1#和2#生产线共用1套MGT6000燃气轮机发电机组，在生产线检修时，可将燃气轮机降负荷运行，以匹配负荷的变化。4#和5#生产线均单独采用1套THM1304-12N燃气轮机发电机组，大大减少了设备数量和占地面积。综上所述，机组方案二可完全满足项目蒸汽负荷需求，少量电可从市电网采购，保持每条生产线用能的独立性，不产生线间影响，但机组型号为两种，不利于备件以及售后维护，为次要推荐方案。

两种机组方案下分布式能源站性能参数对比如表4。

表4 两种机组方案下分布式能源站性能参数

通过性能参数对比，MGT6000的发电效率最高32．2%，THM1304-12N的发电效率为29．8%，但热电联产效率THM1304-12N最高，达到86%，MGT6000为83．1%。两种型号机组的性能差异主要在于，MGT6000在发电和蒸汽产量上更加平衡，既满足较高的电价优势，也可以兼顾较高的产汽优势，适合于电价和蒸汽价格都能获得稳定收益的客户。THM1304-12N的发电效率平均，但产汽方面远远优于同类型的其它机组，非常适合于发电收益少、持平甚至微亏，但蒸汽收益大且稳定的客户。结合本项目的实际电/热负荷需求，两种方案均可满足。

2.6 分布式能源站机组方案初步静态经济性分析

分布式能源站机组方案初步静态经济性分析见表5。

表5 两种机组方案初步静态经济性分析

通过以上分析比较，根据项目1#-5#生产线的用能负荷需求、电/蒸汽/天然气价格，机组方案一在各方面优于机组方案二，更加符合本项目的实际需要。同时，机组方案选型还要综合考虑[4]机组的技术先进性是否为落后技术、国产化配套程度是否全部为进口、同类型机组的国内运行业绩及运行情况、国内的备品备件情况、国内是否能够进行售后服务、供货周期是否满足项目需要、现场布置及占地面积是否符合要求、运行以及成套技术是否可以分享、是否满足国家环保政策等，综合考虑项目实际情况和各种因素，推荐采用方案一，即能源站一期2套MGT6000燃气轮机发电机组（6．63 MW）+2套低压余热蒸汽锅炉（15 t/h-1 MPa/184℃）、能源站二期4套MGT6000燃气轮机发电机组（6．63 MW）+4套低压余热蒸汽锅炉（15 t/h-1 MPa/184℃）。

3 结束语

在目前的“双碳”目标下，企业从高碳低效的煤电转向低碳清洁的新能源已成为必然。对于大多数工业企业而言，在考虑能源供给替代方案时，一方面需要符合国家以及企业所在地的环保政策，另一方面也需要综合考虑替代方案的经济性，以保证企业的竞争力以及未来发展的可持续性。

通过对某造纸企业分布式能源站用能需求、运行方式的分析，从而选择匹配的燃气轮机发电机组方案，并对不同方案下的性能参数、初步静态经济性进行分析，最后得出符合企业分布式能源站的最佳机组配置方案，为企业的未来项目建设实施提供建议参考，也为同类型工业企业的分布式能源项目建设提供了研究思路和选型方法。