(投稿)天然气分布式能源利用技术

天然气分布式能源利用技术 投资发展部 杜小虎 天然气分布式能源利用是以天然气为一次能源用于发电，并利用发电余热 制冷、供热，向用户输出电能、热（冷）能的分布式能源供应系统。天然气分 布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点， 是天然气高效利用的最好途径。 天然气“十二五”规划和关于发展天然 气分布式能源的指导意见都明确提出：到2015年建设1000个左右天然气分布 式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。 一、概述 天然气分布式能源系统是一种对天然气进行梯级利用的系统, 天然气能量 梯级利用途径表： 温度区域 适用设备 适用场所 1500 发动机 电力 1100 燃气轮机 电力 700 燃气轮机电力 动力 300 蒸气 热利用(工厂) 100 高温水 制冷、采暖、生活热水 (建筑物) 80 低温水 制冷、采暖(建筑物) 天然气的 化学能 50 冷温水 卫生热水(建筑物) 应用范围分为区域冷热电联产和楼宇冷热电联产两种。按照功能可分五个 部分：驱动系统、发电系统、供热系统、制冷系统和控制系统。适用于医院、 大学、机关、宾馆、饭店、商业中心、高档写字楼、社区和工厂等能源消费量 大且集中的地区，以及对供电安全要求较高的单位。年平均能源综合利用率一 般在70%-85%。一次能源（燃气）由发电机组产生30%-40%的高品位能源（电 能），发电余再产生50%左右的低品位能源（热能）。 二、国内外发展情况 分布式能源是从20世纪70年代末开始最先在美国发展起来的。30多年来， 分布式能源在很多国家如美国、日本、丹麦、荷兰等得到大力发展和推广。目 前美国已经有6000多座分布式能源站，仅大学校园就有200多个采用了分布式 能源站。美国政府计划到2020年，一半以上的新建办公或商用建筑采用分布式 热电冷三联产。同时有15的现有建筑改用热电冷三联产。日本到2008年就有 多达7800个总能系统投入运行，并计划在2010年分布式能源供能达1000万千瓦。 丹麦分布式能源的占有率在整个能源系统中已经接近60%，荷兰也超过40%。 我国北京、上海、广东等地已有大批分布式能源工程投入运行，取得明显 的经济效益、环保效益和社会效益。上海分布式能源系统发展已有十几年历史。 上海已建成浦东国际机场一期工程、闵行中心医院、711研究所莘庄研发基地、 航天能源飞奥基地、老港垃圾场（沼气）等15个项目。北京燃气集团生产调度 指挥中心大楼是北京市天然气管网监控和调度的中心。该项目是国内第一个成 功运行的楼宇型三联供项目，于 2004 年 8 月调试成功。广州大学城分布式 能源项目是目前全国最大的分布式能源站。本省还有广东铝业集团 、广东东 莞鞋厂 、广州某药业集团等项目均已投入运行。 三、天然气分布式能源的特点 作为新一代的供能模式，天然气分布式能源是集中式供能系统的有力补充。 它具有分布式能源系统的所有特点。 3.1 能源损失少、输送成本低、供电安全 天然气分布式能源作为服务于当地的能量供应中心，直接面对当地用户的 需求，就布置在用户附近，于是便简化了系统提供用户能量的输送环节，从而 减少了能量输送过程的能量损失与输送成本。根据国际分布式能源联盟提供的 数据，目前有相当数量的发电量损耗在输配电过程中；若从用户端计算，集中 式供电的一次能源利用率尚不足三分之一。而天然气分布式能源的一次能源利 用率超过70%，甚至可高达90%。直接安置在用户近旁的天然气分布式能源与大 电网相互配合，有力地弥补了大电网在安全稳定性方面的可能不足，可有效提 高用户的供电安全性。尤其是在电网崩溃或意外灾害(如地震、暴风雪、严重 冰冻、战争、人为破坏等)情况下，仍可确保对重要用户的安全供电。 3.2 装机容量多为中小容量，灵活性大，调控简便 天然气分布式能源与用户的需求紧密结合，系统规模灵活性大，天然气分 布式能源往往便于调节，系统性能亦有所改善，节能减排优势凸显。与传统供 能系统相比，每100万kW的电力装机容量，每年个可节省78万吨以上标准煤， 减少排放208万吨的CO2和约3万吨的SO2。 3.3 多能源输入，多功能输出 随着经济、技术的发展，特别是可再生能源的积极推广应用，用户的能量 需求趋向多元、目标各异。特别是可再生能源技术渐趋成熟，可供选择的技术 也日益增多。天然气分布式能源作为一种开放性的能源系统已显现出多功能发 展趋势，既可包容多种能源输入，又可同时满足用户的多种能量需求和其他性 能要求。 3.4 系统集成呈现多领域、多学科交叉协同特征 天然气分布式能源系统集成技术与时俱进，呈现多领域、多学科交叉协同 特征，专业广、层次深；对流程设计、产品性能、运行模式、工程经验等有较 高要求。因此针对用户具体需求(高效、可靠、经济、环保、可持续发展等)的 集成方式多种多样，层出不穷，具有很明显的个性特点，复制性比较差。新型 的天然气分布式能源通过选用合适的技术，经过系统优化和整合，可以更好地 同时实现多个功能目标，满足用户的特殊需求。 四、天然气分布式能源技术的应用 天然气分布式能源是分布式能源系统的核心技术和最主要的组成部分，它 主要用于建筑和工业领域。按系统的规模划分，主要有楼宇型、区域型两种。 它们各有特点，要求不同，相应的系统集成原则也有较大差别。 4.1楼宇型天然气分布式能源 楼宇型天然气分布式能源面对的是某一建筑(如医院、学校、大型超市、 公共设施、宾馆、娱乐中心等)的能量需求，其系统规模较小，由于在同一建 筑内不同用户的需求差异不会很大，而且负荷变化方向又往往趋同，供需之间 的缓冲空间不大，回旋余地就比较小；这就要求系统必须对用户的能量需求变 化作出即时快速反应。为此，联产系统的运行需要紧随负荷变化，运行工况必 然要随时进行调整，始终处于被动状态；因此对系统的全工况性能要求就比较 高。按系统集成原则，宜采用输出能量比例可调、蓄能调节，同时考虑部分常 规分产系统与联产系统优化整合，以及与网电配合的优化运行模式等集成措施 予以协调。 楼宇型冷热电联产系统的特点是系统布置相对简单，通常采用燃气轮机+ 余热吸收型冷热电联供系统。由于燃气轮机的功率范围较宽，可从几kW到200 多MW，适用于各种容量规模的天然气分布式能源；其中又以20 MW 以下容量的 机组应用得最为普遍。燃气轮机+余热吸收式冷热电联产系统，按热力循环不 同，主要有两种类型，一种是简单循环型，其系统简单、易于维护，但发电效 率较低、多在24%-30%之间，适合那些对电需求不高，但对冷热量需求较大的 建筑用户；其热电比高达1.5-2.5；这在容量1000kW以下的系统中应用相当广 泛。另一种是回热循环型，适用于热电比较低的场合，通常为1.0-1.5，此时 热能用于发电的比例相对较高。 近年来，楼宇型天然气分布式能源还出现了一个值得重视的新动向：以燃 用天然气的微小型燃气轮机为核心动力的分布式能源异军突起，或将在别墅、 庄园得到广泛应用。 4.2区域型分布式冷热电联供系统 区域型分布式冷热电联供系统面对的是一定区域内若干建筑共同构成的一 片建筑群。与单一建筑相比，建筑群的能量需求规模扩大，且由于不同建筑的 功能通常不同，相应的能量需求及其变化也会有所不同；因此不同用户的负荷 变化很少同步，通常不会同时出现高峰或低谷的情况。因此，联产系统运行时 需要考虑负荷的“同时使用系数” ，这将加大供应与需求之间的回旋余地，从 而降低了对联产系统的全工况性能要求。因此，当规模适当大时，就可以引进 高效的燃气轮机汽轮机发电机组(=35%-45%)，实现燃气、蒸汽、电力、 冷气、热水的最佳匹配，进一步提高一次能源利用率。如，由华电集团建造的 目前全国最大的广州大学城区域能源站一期，就是以47.8 MW燃气一蒸汽联 合循环机组为基础的天然气冷热电三联供系统。燃气能的38%先经燃气轮机转 换为电能，50 左右的烟气在余热锅炉产生4.0 MPa蒸汽，然后进抽凝式汽轮 机进一步作功发电；可以抽出部分0.5 MPa蒸汽供给第一制冷站的溴化锂吸收 制冷机，余热锅炉排出的50-100 烟气用于加热、供应60 生活用水，不 足热量用蒸汽透平冷凝潜热补充；燃气能源利用效率达到78%以上(传统的火力 发电厂，煤燃烧发电的利用率仅是35%左右，用煤做燃料发电并供热的热电厂， 能源利用率也仅在45%左右)。能源站已于2009年成功运行可为大学城内10所大 学及周边20万用户提供全部电力、生活热水和空调制冷。 在可能条件下，还可以考虑由若干个相对独立的中小型分布式能源联合， 共同构成一个能源供应网络，从而实现不同建筑物之间、企业之间的能量联接 和资源共享，以便根据不同的负荷情况，灵活启、停部分机组，使运行的机组 始终处在设计工况附近运行，以利于机组的运行控制。内燃机吸收式制冷 的天然气分布式能源，发电效率较高，且内燃机价格也比较便宜，在区域型天 然气分布式能源中应用也相当普遍。 我国人口众多、居住密集；发展区域天然气分布式能源十分符合我国国情。 在目前城市建设快速发展、推进城镇化和现有公用建筑能量系统改造中，都可 以采用规模为50 MW 左右甚至规模更大的机组，与几万冷吨(1 冷吨等于3.51 kW。指24小时1吨的0水变成0冰所需的制冷量)的区域供冷系统或几百万平 方米的供暖系统结合，建设区域型冷热电联供系统。 五、展望 在当前形势下，燃气企业未雨稠绸，了解天然气分布式能源新技术及其发 展趋势，把握国家政策走向，抓住机