淺談天然氣分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用

郭立軍

摘要：本文簡要介紹了天然氣分布式能源系統(tǒng)實例應(yīng)用，以提高天然氣能源的綜合利用，從系統(tǒng)的設(shè)計原則、系統(tǒng)工作原理及特點和實際應(yīng)用三個方面對天然氣分布式能源做了分析。

關(guān)鍵詞：天然氣分布式能源 應(yīng)用分析

0 引言

近年來，我國天然氣供給能力迅速增強，天然氣供給多渠道供應(yīng)：一是國內(nèi)氣田開采，二是國內(nèi)煤層氣開采、三是國內(nèi)頁巖氣開采、四是國外管道氣進口，五是國外液化天然氣進口。為未來天然氣充足供應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。加快非煤能源發(fā)展、努力降低煤炭占一次能源的比例，是當前和今后一個時期國家能源戰(zhàn)略的重要目標。

天然氣是公認清潔能源，燃燒排放的二氧化硫、硝基化合物等污染物幾乎為零，改善空氣質(zhì)量，提升居民生活品質(zhì)。天然氣分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供能源綜合能源利用率可達70%以上，遠高于燃氣輪機簡單循環(huán)發(fā)電和超臨界燃煤純凝機組的能源利用率。

下面就天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)計原則、系統(tǒng)工作原理及特點和實際應(yīng)用三個方面進行探討。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

當前綠色節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)設(shè)計的理念里，對于一個區(qū)域的供能方式已經(jīng)相比傳統(tǒng)發(fā)生了較大的變化，根據(jù)各種用能單位的不同需求情況，采用組合能源系統(tǒng)形式進行供能，以適宜不同功能區(qū)域的用能特點，充分發(fā)揮每一種能源供應(yīng)方式的優(yōu)勢。

針對分布式能源系統(tǒng)，我們采用以下設(shè)計原則：

①綠色低碳原則。分布式能源系統(tǒng)定位是保證用能單位內(nèi)部的低碳實現(xiàn)。因此，能源系統(tǒng)需選用能源效率高、CO2和NOx排放低的環(huán)境友好型系統(tǒng)和設(shè)備。

②平穩(wěn)用電原則。傳統(tǒng)采用電空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)電力負荷是通常用電負荷的兩到三倍；因此，采用分布式能源系統(tǒng)提供自用電，減少市電的容量申請。

③智能供能原則。區(qū)域供能可通過采用先進高效的供能技術(shù)，利用區(qū)域內(nèi)不同用能規(guī)律的互補性，實現(xiàn)用能智能調(diào)度，降低供能系統(tǒng)投資和土地占用，提高能源利用效率。

④分布式能源系統(tǒng)站為核心原則。分布式能源系統(tǒng)站是多個分布式能源系統(tǒng)形成智能電網(wǎng)，相對傳統(tǒng)的單獨供能方式，具有以下優(yōu)點：

a經(jīng)濟性。若要滿足用戶3.5度電和0.1噸熱水的需求，采用分布式能源需要消耗1立方天然氣，采用電網(wǎng)供電和鍋爐供熱時，需要購電3.5度和消耗0.55立方天然氣。

b安全性。分布式能源系統(tǒng)具有備用電源的功能，可與大電網(wǎng)構(gòu)成電力智能補充，改善供電系統(tǒng)的安全性，在意外災(zāi)害、市電故障、電力檢修等情況下，為用戶提供獨立、安全可靠地電力供應(yīng)，對于醫(yī)院、高等級賓館和重要政府部門等用戶，尤其需要。

c節(jié)能性。與傳統(tǒng)的單獨供能方式相比，要滿足用戶同樣的能源需求，分布式能源系統(tǒng)所消耗的一次能源更少。

以供熱工況為例，用戶需要的電力為35能源單位，熱量為50能源單位，當采用分布式能源系統(tǒng)為用戶供能時，一次能源輸入為100能源單位；當采用電網(wǎng)、鍋爐單獨為用戶供能時，一次能源輸入為155.5能源單位，因此，分布式能源系統(tǒng)比傳統(tǒng)單獨供能節(jié)約55.5能源單位，節(jié)能約35%。

d環(huán)保性。與傳統(tǒng)的單獨供能方式相比，要滿足用戶同樣的能源需求，分布式能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的CO2更少，同樣為用戶提供1kWh電和1.2kWh熱，采用天然氣分布式能源系統(tǒng)排放的CO2為560克，采用電網(wǎng)和燃氣鍋爐供能排放的CO2為1147克，因此，天然氣分布式能源系統(tǒng)大大減少了溫室氣體排放。

e燃氣和電力雙重“削峰填谷”。分布式能源系統(tǒng)對燃氣和電力有雙重削峰填谷作用。一般而言，電力高峰和燃氣低谷同時出現(xiàn)在夏季，采用分布式能源系統(tǒng)后，燃燒天然氣發(fā)電和制冷，增加夏季的燃氣使用量，減少夏季電空調(diào)的電負荷，同時降低區(qū)域電網(wǎng)的供電壓力。

2 系統(tǒng)工作原理

天然氣冷熱電聯(lián)供能源的生產(chǎn)流程：天然氣經(jīng)過氣輪機組燃燒發(fā)電后，利用余熱鍋爐、煙氣型換熱器、溴化鋰吸收式制冷機等回收機組排煙熱量用于供熱、制冷、發(fā)電，實現(xiàn)熱電冷三聯(lián)供，同時還可回收燃氣機組的缸套冷卻熱量加熱給水，作為生活用水或空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源，大幅提高能源利用效率。聯(lián)供能源綜合能源利用效率可達70%以上。

3 系統(tǒng)實際案例分析

3.1 生態(tài)科技園區(qū)。生態(tài)科技園區(qū)屬于重點用電園區(qū)，用電量較高。園區(qū)有夏季冷/冬季熱空調(diào)的需求，同時部分區(qū)域（如：酒店）還有生活熱水的需求。其周邊已計劃敷設(shè)燃氣管道，市政基礎(chǔ)設(shè)施完善。

根據(jù)“以基本電負荷定容量、熱電平衡”的設(shè)計原則，按照園區(qū)低碳、生態(tài)的設(shè)計理念，以各區(qū)域分布式能源系統(tǒng)組成分布式能源系統(tǒng)站，滿足園區(qū)的基本電負荷、部分冷熱需求。此種設(shè)計可避免分布式能源系統(tǒng)電力上網(wǎng)，且保證系統(tǒng)整體運行時間和運行效率，減少初投資和占地。

設(shè)計方案

辦公管理區(qū)域的分布式能源系統(tǒng)，以內(nèi)燃機發(fā)電機組為主設(shè)備，供應(yīng)電力和冷/熱空調(diào)。

旅游休閑區(qū)域分布式能源系統(tǒng)，以微燃機發(fā)電機組為主設(shè)備，供應(yīng)電力和生活熱水，設(shè)計采用兩臺C65微型燃氣輪機熱電聯(lián)供一體機。

發(fā)電模式：為保證園區(qū)的用電可靠性，發(fā)電機組具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行的雙模式功能。

余熱模式：內(nèi)燃機發(fā)電機組的余熱（煙氣和熱水）通過煙氣熱水型溴化鋰空調(diào)機組制冷/制熱，供園區(qū)使用；微燃機機組的煙氣余熱則通過余熱回收裝置產(chǎn)生生活熱水，僅供酒店使用。

分布式能源系統(tǒng)運行時，園區(qū)的電力和冷熱負荷均優(yōu)先由分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)。分布式能源系統(tǒng)具有即用即開的功能，可隨時根據(jù)需要啟動/停止。

3.2 工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。企業(yè)變電站容量8500kVA，年用電量3000萬kWh，估算平均小時用電負荷在4000kW左右。工廠年用量20萬噸蒸汽，蒸汽壓力10-11公斤壓力。

綜合廠區(qū)熱電需求情況，采用“以熱定電，熱電平衡”的原則，即根據(jù)企業(yè)電力需求配置合適的裝機容量，再利用發(fā)電機組余熱，通過余熱蒸汽鍋爐來制備企業(yè)需要的蒸汽，不足電力通過大電網(wǎng)補充，不足蒸汽需求通過燃氣蒸汽鍋爐補充。endprint

設(shè)計天然氣分布式能源系統(tǒng)容量為4000kW，采用兩臺小型燃氣輪機發(fā)電機組（發(fā)電量2000kW/臺）和余熱蒸汽鍋爐組成；系統(tǒng)所發(fā)電力接入變電站，滿足廠區(qū)電力需求；余熱所產(chǎn)蒸汽，接入分汽缸，滿足廠區(qū)常用蒸汽需求。

發(fā)電模式：按照全年運行360天、16小時運行，為保證企業(yè)的用電可靠性，發(fā)電機組具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行的雙模式功能。

余熱模式：內(nèi)燃機發(fā)電機組的余熱（煙氣和熱水）通過余熱蒸汽鍋爐，供企業(yè)使用。

分布式能源系統(tǒng)運行時，電力和蒸汽負荷優(yōu)先由分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)。

3.3 小型公司。公司廠區(qū)占地面積100畝，空調(diào)制冷面積5000平方米，采暖面積2萬平方米，主要有辦公樓、廠房、食堂、浴室、保健室、宿舍等設(shè)施。

公司用能情況

①電力。除用電負荷波動較大的設(shè)施外，其他用電設(shè)施用電平穩(wěn)。根據(jù)公司用電情況，平穩(wěn)用電設(shè)施每天24小時運行，白天160kW，夜間120kW。因此，可計算最低用電負荷為130kW。分布式能源系統(tǒng)每天運行按18小時。

②采暖與生活熱水。采暖：公司內(nèi)是通過燃煤鍋爐采暖。公司內(nèi)主要是浴池有生活熱水需求，供值班和倒班的員工使用，每天供熱水時間3～4小時。

根據(jù)公司用能特點，本次分布式供能系統(tǒng)采用“以電定熱，熱電平衡”的原則設(shè)計，采用2臺C65微燃機，為基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)部分電力，在采暖期解決采暖需求，不夠采暖負荷通過燃氣熱水鍋爐補充。在非采暖期為生產(chǎn)生活熱水。

生產(chǎn)采暖熱水系統(tǒng)流程圖見下圖。

系統(tǒng)運行方式

①微燃機發(fā)電機組采用并網(wǎng)不上網(wǎng)/孤網(wǎng)雙模式運行，與大電網(wǎng)互為補充滿足公司電負荷需求；另外，當大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可啟動燃氣發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先滿足公司緊急電需求。系統(tǒng)設(shè)計每天運行24小時，主要解決公司辦公照明、廠房、食堂、浴室、保健室、宿舍等設(shè)施，設(shè)計運行330天，運行時段不足電力以及不運行時段所需電力由大電網(wǎng)供應(yīng)。

②燃氣鍋爐設(shè)計運行365天，其中采暖季節(jié)高負荷運行，每天運行24小時，主要為補充分布式能源系統(tǒng)不運行時段的采暖需求；非采暖季節(jié)低負荷運行，每天運行4小時滿足生活熱水需求。

4 結(jié)論

將分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)科技園區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)、小型公司采暖和生活熱水具有以下優(yōu)勢：

①具有良好的經(jīng)濟效益

系統(tǒng)實現(xiàn)了余熱梯級利用，年平均能源綜合利用率可達70%以上。

②電力品質(zhì)有保障

燃氣發(fā)電機組具性能卓越，可以與大電網(wǎng)互為補充滿足廠區(qū)電力需求，大大提高供電可靠性。并通過CHP智能控制系統(tǒng)，隨時隨刻滿足用電需求。

③清潔環(huán)保

采用天然氣清潔能源，降低環(huán)境污染物的排放，通過初步測算知：分布式能源系統(tǒng)年節(jié)約標準煤和年可實現(xiàn)CO2減排量比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著。

因此，分布式能源系統(tǒng)方案可充分體現(xiàn)綠色節(jié)能的理念，兼顧了分布式能源系統(tǒng)的先進性、可靠性和安全性，完全滿足用戶對電力的要求，具有一定的示范作用。

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