天然氣分布式能源系統(tǒng)在天然氣處理站的應(yīng)用

【摘要】本文以浙江某天然氣處理站的能源配置系統(tǒng)為例，分析天然氣分布式能源在天然氣處理站的應(yīng)用的技術(shù)可能性和經(jīng)濟(jì)可行性。并對(duì)天然氣分布式能源的適用環(huán)境以及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】分布式能源；天然氣；處理站

引言

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率達(dá)70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式[1]。國內(nèi)計(jì)劃在“十二五”初期啟動(dòng)一批天然氣分布式能源示范項(xiàng)目，“十二五”期間建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。

基于天然氣為主要燃料的分布式能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling Heating and Power， 簡(jiǎn)稱CCHP），是在負(fù)荷終端安裝燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、制冷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)給終端用戶供熱、供冷、供電，不僅清潔高效，而且作為獨(dú)立的電源可以擺脫電網(wǎng)的依賴，提高用電可靠性。目前國外已經(jīng)將天然氣CCHP作為提高用電安全性的重要手段之一大力推行[2]。

天然氣CCHP的發(fā)展有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源綜合效率、改善負(fù)荷中心的空氣質(zhì)量、保證電力供應(yīng)安全性和可靠性、實(shí)現(xiàn)天然氣和電力削峰填谷，平穩(wěn)運(yùn)行。目前國內(nèi)已建、在建項(xiàng)目主要有廣州大學(xué)城項(xiàng)目、長(zhǎng)沙黃花國際機(jī)場(chǎng)T3航站樓項(xiàng)目、北京燃?xì)饧瘓F(tuán)控制中心大樓項(xiàng)目、杭州燃?xì)馄弑せ仨?xiàng)目、重慶佳禾鈺茂香港城項(xiàng)目等，相對(duì)國外天然氣CCHP發(fā)展而言，國內(nèi)仍然處于發(fā)展初期，但國家層面近幾年也在不斷推出政策給予引導(dǎo)，促進(jìn)天然氣CCHP行業(yè)的發(fā)展。

一般而言，天然氣CCHP項(xiàng)目適用地區(qū)首先要有充分的天然氣資源，并有較高的熱電比，處于負(fù)荷中心區(qū)域，有較高的環(huán)保要求，供電可靠性高需求的地方。本文所探討的天然氣分布式能源系統(tǒng)在天然氣處理站的應(yīng)用，就基本滿足以上適用條件。

1、天然氣處理站介紹

天然氣處理站是石油天然氣生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)裝置，其主要任務(wù)是在一定的溫度、壓力下，將開采于井架的初級(jí)天然氣中的重組分分離并將多余其雜質(zhì)脫出，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)天然氣產(chǎn)品。其工藝中有高溫、低溫、高壓的氣體和液體。由于天然氣開采的工藝流程和難以大量?jī)?chǔ)備的原因，致使天然氣處理站需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，一般每年僅固定安排1個(gè)星期的設(shè)備檢修時(shí)間。因此對(duì)能源供應(yīng)的可靠性、穩(wěn)定性有很高的要求。

由于天然氣處理站工藝中會(huì)產(chǎn)生屬甲類易燃易爆氣體和液體，是危險(xiǎn)性較大的生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)場(chǎng)所，安全生產(chǎn)極其重要。一般布置在遠(yuǎn)離居民聚居區(qū)的地域或者工業(yè)集中區(qū)域，并單獨(dú)形成負(fù)荷集聚區(qū)。

在未考慮天然氣CCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，天然氣處理站除配置電氣裝置外，為了加熱、冷卻介質(zhì)，還配備足量的天然氣鍋爐和熱交換裝置，供能裝置單獨(dú)系統(tǒng)運(yùn)行，未能實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，其源綜合利用率不高。

本文研究對(duì)象是位于浙江某海島的天然氣處理站，該處理站設(shè)計(jì)每年處理來自海洋平臺(tái)的初級(jí)天然氣4億立方初級(jí)天然氣，產(chǎn)出3億立方國家二類標(biāo)準(zhǔn)天然氣。主要處理工藝是對(duì)初級(jí)天然氣進(jìn)行雜質(zhì)過濾；脫除二氧化碳（體積占比32.8%），再對(duì)其進(jìn)行精加工后對(duì)外輸送食品級(jí)的二氧化碳副產(chǎn)品；通過物理方式提取天然氣重組分（C3以上，體積占比3.3%），加工后二次銷售；剩余的為該處理站的主要產(chǎn)品天然氣（主要是甲烷，含有少量的乙烷和氮?dú)猓?/p>

天然氣處理站能源配置如下：

最大用電負(fù)荷8859kW，其中用于集中控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、消防系統(tǒng)負(fù)荷等為一級(jí)負(fù)荷189kW，天然氣工藝處理裝置區(qū)域生產(chǎn)負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷8292kW，辦公區(qū)及其它為三級(jí)負(fù)荷378kW，電力通過公用電網(wǎng)經(jīng)變壓器以及配電裝置對(duì)站內(nèi)提供。一級(jí)負(fù)荷由兩個(gè)電源供電，二級(jí)負(fù)荷由兩回線路供電。該處理站廠址處于海島，短期無法提供220kV或110kV電源，目前只能提供同桿兩回35kV電源（當(dāng)?shù)卦撾妷旱燃?jí)屬于農(nóng)業(yè)用電級(jí)別，供電可靠性低，維護(hù)情況難以估計(jì)），即使遠(yuǎn)期提供的110kV電源，考慮到電源廊道原因，需遠(yuǎn)距離從大陸通過沿海堤敷設(shè)，且只能提供同桿雙回架設(shè)，另該地區(qū)夏季處于臺(tái)風(fēng)高發(fā)生區(qū)域，電源可靠性受到較大影響，供電可靠性降低。

熱負(fù)荷主要由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：導(dǎo)熱油熱負(fù)荷2025kW，其中高溫?zé)嵊脩?062kW，低溫?zé)嵊脩?63kW，由燃?xì)鉄崦綘t提供；另外工藝用熱23t/h，最大總用量26.45t/h，由燃燒天然氣的蒸汽鍋爐提供。

2、天然氣CCHP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了更好優(yōu)化天然氣處理站的能源配置，且利用處理站本身的特點(diǎn)，提出了天然氣CCHP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)“以熱定電”的原則，將原來的功能體系改變?yōu)橐韵路绞剑褐饕O(shè)備選型如下：4600kW燃?xì)廨啓C(jī)2臺(tái)；12t/h余熱鍋爐（補(bǔ)燃最大負(fù)荷15t/h）2臺(tái)；15t/h燃?xì)忮仩t（備用）1臺(tái)；考慮到導(dǎo)熱油熱負(fù)荷要求參數(shù)較高，且已經(jīng)購置設(shè)備，方案考慮由原來2臺(tái)2600kW熱媒爐（一用一備）提供。

天然氣處理站CCHP系統(tǒng)組成包括了燃料系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及導(dǎo)熱油系統(tǒng)（原已配置），見圖1。

1）燃?xì)庀到y(tǒng)：該項(xiàng)目的燃料天然氣直接來自處理站經(jīng)處理后的天然氣，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)和計(jì)量裝置，將天然氣供應(yīng)給燃?xì)廨啓C(jī)、熱媒爐燃燒系統(tǒng)以及備用的天然氣鍋爐系統(tǒng)，必要時(shí)為余熱鍋爐提供補(bǔ)充燃料。

2）供電系統(tǒng)：在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電功率供應(yīng)天然氣處理站的電負(fù)荷。若燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)檢修、故障停運(yùn)以及所發(fā)電功率不能滿足用電負(fù)荷需求時(shí)，通過外部電網(wǎng)向天然氣處理站輸送電力；當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率在滿足天然氣處理站后有多余時(shí)，這部分少量電量可以送給外部電網(wǎng)。

3）煙氣系統(tǒng)：天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部燃燒后，排出的煙氣溫度大約為505℃，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐，經(jīng)過熱量交換后約以90℃排入大氣。

4）蒸汽系統(tǒng)：該項(xiàng)目的普通冷熱負(fù)荷的能源均來自蒸汽系統(tǒng)，分布式能源運(yùn)行的情況下，能源來自余熱鍋爐提供的飽和蒸汽，通過熱交換設(shè)備或者制冷設(shè)備為天然氣處理站提供熱負(fù)荷或冷負(fù)荷所需的能源來源。在當(dāng)CCHP系統(tǒng)其中一臺(tái)停運(yùn)或故障期間，由備用的天然氣鍋爐燃燒替代余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽。

5）鍋爐給水系統(tǒng)：蒸汽通過熱交換設(shè)備和制冷機(jī)（溴機(jī)）后產(chǎn)生的凝結(jié)水，通過回水系統(tǒng)進(jìn)入鍋爐循環(huán)利用。

6）導(dǎo)熱油系統(tǒng)：主要有熱媒爐、熱媒爐燃燒器以及導(dǎo)熱油組成，還包括高、低溫?zé)嵊脱h(huán)泵，膨脹罐，儲(chǔ)油罐，氮封裝置等輔助設(shè)備。導(dǎo)熱油經(jīng)過熱媒爐加熱升溫至330℃，以液相方式輸至工藝裝置用熱設(shè)備，以自身的顯熱與用熱設(shè)備進(jìn)行熱交換，循環(huán)使用。

3、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法分為靜態(tài)評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。靜態(tài)評(píng)價(jià)主要的方法是初期評(píng)估。年總費(fèi)用（Annual Total Cost， 簡(jiǎn)稱ATC）是一種動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方案，是將不同時(shí)間內(nèi)資金的流入、流出換成同一時(shí)間內(nèi)資金的價(jià)值，包括系統(tǒng)除投資費(fèi)用、年維護(hù)費(fèi)用以及年運(yùn)行費(fèi)用，其中年投資費(fèi)用和年維護(hù)費(fèi)用是把總設(shè)備投資費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用在使用壽命年限內(nèi)各年均攤[3]。靜態(tài)投資主要數(shù)據(jù)如表1。

通過上述分析，CCHP項(xiàng)目投運(yùn)后，可降低原天然氣處理站的運(yùn)行成本，最優(yōu)的投資可在不到7年收回成本，經(jīng)濟(jì)評(píng)估是可行的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在非夜間低谷期間，能源站通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，所發(fā)電力大部分項(xiàng)目自行消納，少量多余電量或者缺口電量從公用系統(tǒng)接入，供熱由余熱鍋爐（含補(bǔ)燃）提供；夜間低谷期間，采用電網(wǎng)輸電至天然氣處理站供電，啟動(dòng)天然氣鍋爐供熱。這樣可以實(shí)現(xiàn)電源的互為備用，削峰填谷，提高電源可靠性和綜合能源利用率。在電網(wǎng)緊急情況下，可作為地區(qū)的應(yīng)急保安電源，可以有效提高電網(wǎng)供電的可靠性。

與傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式能源系統(tǒng)具有能源轉(zhuǎn)換利用率高、清潔安全、削峰填谷（縮小電網(wǎng)峰谷差）、經(jīng)濟(jì)效益好、節(jié)能減排、增強(qiáng)電網(wǎng)應(yīng)急能力等優(yōu)點(diǎn)。其發(fā)展已經(jīng)受到政府的重視，目前國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)開始實(shí)行建設(shè)項(xiàng)目給予政府設(shè)備投資補(bǔ)貼、天然氣優(yōu)惠價(jià)格以及優(yōu)惠的財(cái)稅政策。我國分布式能源的發(fā)展相對(duì)國外發(fā)達(dá)國家，在政策、燃料、資源利用率、并網(wǎng)、環(huán)保和成本方便都有種種的制約因素，導(dǎo)致發(fā)展相對(duì)緩慢。但在能源負(fù)荷集中、環(huán)保壓力嚴(yán)峻的地區(qū)建設(shè)天然氣式的CCHP項(xiàng)目，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在投資基于天然氣發(fā)電的CCHP項(xiàng)目時(shí)，雖其有一系列獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，但是并非有電、熱、冷負(fù)荷的地方都能經(jīng)濟(jì)的、可靠的建設(shè)分布式能源。必須將投資和收益之間充分論證。通過本項(xiàng)目的論證，特別是重點(diǎn)關(guān)注了天然氣氣價(jià)、當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)、當(dāng)?shù)卣羝邮軆r(jià)格以及熱電比等高靈敏度因素分析后，得出該項(xiàng)目是可行的。

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