分布式能源的燃氣供應研究

李樹海

(中石油昆侖燃氣有限公司規(guī)劃計劃部，北京 100101)

分布式能源的燃氣供應研究

李樹海

(中石油昆侖燃氣有限公司規(guī)劃計劃部，北京 100101)

闡述了分布式能源的相關概念，基于分布式能源的系統(tǒng)流程分析了一次能源需求特點和我國分布式能源的燃氣供應前景，提出了燃氣供應設施設計方案(涉及燃氣供應的參數(shù)要求)，在分析分布式能源的燃氣供應案例的基礎上，從燃氣公司對分布式能源的燃氣供應和長輸管道對分布式能源的燃氣直供2個方面就如何更好的為分布式能源提供一次能源供應以及優(yōu)化分布式能源供氣方案進行了探討。

分布式能源； 一次能源；燃氣輪機；燃氣供應

分布式能源也稱冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)，是能源梯級利用的一種。分布式能源具有代表性的表述主要有2種：一是指單個用戶的冷/熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式直接安裝在用戶端，可獨立為單個用戶輸出冷/熱電的系統(tǒng)；二是指區(qū)域化的冷/熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，它能滿足多用戶多種能源需求，實現(xiàn)能源的梯級利用，并能通過公用能源供應系統(tǒng)提供支持和補充，實現(xiàn)資源利用的最大化。

能源梯級利用是能源合理利用的一種方式，指能源按品位逐級加以利用，如高、中溫蒸汽用來發(fā)電，低溫余熱用來向住宅供熱。能源的梯級利用可以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，能夠有效地滿足各用戶的用能需要，并且不增加能源消耗，極大地提高了能源利用率，是節(jié)能的重要措施[1]。目前，分布式能源以其能源梯級利用、高環(huán)保性而受到投資人及政府監(jiān)管部門的極大關注。分布式能源的一次能源需求量巨大，對燃氣企業(yè)的燃氣供應提出了不小的挑戰(zhàn)。下面，筆者著重論述了分布式能源燃氣供應的參數(shù)要求，并就如何更好的為分布式能源提供一次能源供應以及優(yōu)化分布式能源供氣方案進行了探討。

1 分布式能源的燃氣供應需求

1.1 分布式能源的系統(tǒng)流程

圖1 生產(chǎn)冷熱電能源的分布式能源系統(tǒng)流程圖

圖2 余熱回收利用的分布式能源系統(tǒng)流程圖

一次能源為天然氣的分布式能源系統(tǒng)流程(見圖1)為：原動機以天然氣為燃料，產(chǎn)生電力，做功后的高溫煙氣進入煙氣余熱回收利用裝置，用于供熱或制冷；部分原動機還可以利用本體的散熱，通過機體冷卻水和外界換熱，產(chǎn)生熱水[2]。

在實際工程中，可根據(jù)用戶的電負荷及冷/熱負荷需求，確定分布式能源系統(tǒng)的冷/熱電容量，并據(jù)此選擇合適的原動機和余熱回收裝置。余熱用于供熱或者制冷或者同時供熱制冷，取決于用戶特點和用戶需要。當利用原動機的余熱產(chǎn)生的供冷/熱量不能達到系統(tǒng)供冷/熱容量要求時，可選用有補燃裝置的余熱回收裝置，即直接利用天然氣燃燒產(chǎn)生冷/熱量作為補充。其流程如圖2所示。

1.2 分布式能源的一次能源需求特點

基于前述系統(tǒng)流程，分布式能源對一次能源的需求大致如下：正常時，根據(jù)確定的冷、熱、電容量反算需要的天然氣供應量；當用戶需求變化時，會相應形成用氣不均勻[3]的特點。

分布式能源的原動機為燃氣輪機，其對入口的壓力穩(wěn)定性要求較高，一般要求穩(wěn)定在一個壓力值附近。

1.3 我國分布式能源的燃氣供應前景

2014年，全球天然氣消費量約為3.39×1012m3。2014年全球天然氣消費占全球一次能源消費總量的23.7%。美國是全球天然氣消費量最大的國家，其2014年消費的天然氣為7594×108m3，在全球中的占比達到22.7%。俄羅斯2014 年消費的天然氣僅次于美國，占比達到12%。中國2014年的天然氣消費量為1855×108m3，在全球中的占比為5.4%。2015年，美國天然氣發(fā)電占總發(fā)電量的30%；而我國同期天然氣發(fā)電占總發(fā)電量的4.71%。

圖3 電力與天然氣輸配至用戶的能效系統(tǒng)圖

圖4 傳統(tǒng)能源利用效率與CCHP能源利用效率對比圖

采用傳統(tǒng)方式發(fā)電，由電力輸配至用戶的能效約為30%，而將燃氣采用管道輸配至用戶的能效約為95%。電力與天然氣輸配至用戶的能效系統(tǒng)圖如圖3所示。

傳統(tǒng)電力能源利用效率為49%，而采用CCHP能源利用效率可達83%，傳統(tǒng)能源利用效率與CCHP能源利用效率對比圖如圖4所示。

由此可見，無論從天然氣消費占比，還是天然氣發(fā)電占比，我國都還有較大的增長空間，因此分布式能源的燃氣供應未來將有井噴式的增長。

2 燃氣供應設施設計方案

1)根據(jù)分布式能源站天然氣消耗量核算管輸最大小時量，天然氣消耗量最大小時量按機組裝機容量考慮一定的系數(shù)。

2)根據(jù)分布式能源站燃氣輪機進口壓力確定天然氣進入分布式能源站最低壓力。

3)進行方案比選，從可行性、技術方案、工程投資等多角度比選后確定接氣點、接氣壓力、輸氣量等。

4)根據(jù)明確的接氣點、接氣壓力、輸氣量確定布站方式。首先確定是否在燃氣輪機前設置穩(wěn)壓裝置或加壓裝置。一般來氣壓力低于燃氣輪機進口壓力時，需設置加壓裝置；來氣壓力高于燃氣輪機進口壓力時，需根據(jù)情況決定是否上穩(wěn)壓裝置；若不設置，則需保證進燃氣輪機的壓力穩(wěn)定在燃氣輪機需求范圍內(nèi)，此時對管輸?shù)囊筝^大，故一般都在燃氣輪機前設置穩(wěn)壓裝置。

5)確定輸氣管道設計壓力[4]。根據(jù)前述工況計算輸氣管道管徑并進行管徑選型，再根據(jù)選型的管徑采用水力計算軟件(如SPS)反算末點(分布式能源站進站)壓力。

6)根據(jù)輸氣管道壓力和管徑選擇路由。路由要和規(guī)劃結合，當路由與規(guī)劃或規(guī)定沖突時，重新選擇路由并重復步驟3)～5)。

7)根據(jù)確定的方案和路由進行設備選型和配套工程設計。

3 分布式能源的燃氣供應案例

3.1 華電武清分布式能源燃氣供應案例

根據(jù)天津華電武清燃氣分布式能源站項目資料，該分布式能源站建設2套(1+1+1)聯(lián)合循環(huán)供熱機組，每套含1臺PG9171E型燃氣輪機發(fā)電機組、1臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪發(fā)電機組。2套裝機容量約為360MW。分布式能源站供熱負荷為190MW；空調(diào)制冷負荷為175MW；生活熱水負荷為8MW[5]。

天然氣消耗量如下：1臺機組時耗氣量4×104Nm3，每日按20h計算，日耗氣量為80×104Nm3，年耗氣量2×108Nm3；2臺機組用量時耗氣量8×104Nm3，日耗氣量160×104Nm3，年耗氣量4×108Nm3/a。

燃氣供應來源于分布式能源站北側約10km處的永唐秦管線，永唐秦管線為國家重點工程陜京二線的支線工程，中石油永唐秦管線設計壓力10MPa。燃氣輪機燃氣進氣壓力要求為3.1MPa。在永唐秦管線武清分輸站新增供氣支路，設置計量調(diào)壓裝置，將壓力調(diào)至3.6MPa出分輸站，經(jīng)14km管線至分布式能源站，在燃氣輪機進氣前設置穩(wěn)壓裝置，將壓力穩(wěn)定在3.1MPa上下。

管線管徑根據(jù)時耗氣量(即小時高峰量)進行計算，到分布式能源站的壓力按不低于3.3MPa進行考慮，最終管徑選擇為DN400(mm)。

據(jù)選擇的管徑采用水力計算軟件(SPS)進行反算，分布式能源站進口壓力為3.46MPa。

3.2 其他分布式能源燃氣供應案例

某分布式能源站計劃設置4臺9F機組，裝機容量約為720MW[6]。時耗氣量16×104Nm3/h，擬從泰青威管線接氣，建設專用供氣管道約35km。

山東某分布式能源站計劃從燃氣門站接氣建設輸氣管道至分布式能源站，輸氣管道長度約為17km，設計壓力為4MPa，年耗氣量約2×108Nm3/h。

河北某分布式能源站計劃從燃氣門站接氣，接氣壓力為4MPa，輸氣管道長度約1km，年耗氣量約為2×108Nm3/h。

4 分布式能源燃氣供應方式

4.1 燃氣公司對分布式能源的燃氣供應

目前，部分分布式能源的燃氣是由燃氣公司供應的，燃氣公司管網(wǎng)大部分為中壓管網(wǎng)，部分有次高壓管網(wǎng)，個別有高壓管網(wǎng)。當采用中壓管網(wǎng)或者次高壓管網(wǎng)為分布式能源供應燃氣時，需要在分布式能源站增加壓縮機進行升壓；當采用高壓管網(wǎng)或敷設專供高壓管道為分布式能源站進行供氣時，應注意計算到達分布式能源站的壓力是否能滿足燃氣輪機進口壓力的要求。

燃氣公司對分布式能源供應燃氣有以下劣勢：分布式能源燃氣需求量一般較大，燃氣公司難有保障；燃氣公司一般氣源壓力不超過4MPa，大多數(shù)時候運行壓力在3MPa左右，經(jīng)過管道壓降之后難以保證燃氣輪機進口壓力的要求；燃氣公司一般會對燃氣進行加臭，加臭后的燃氣對燃氣輪機燃燒不利，也對環(huán)境保護不利。

4.2 長輸管道對分布式能源的燃氣直供

長輸管道氣源有保障，壓力高，可達10MPa甚至更高，敷設10MPa的管線至分布式能源站可以減小管徑，節(jié)省投資。

分布式能源站一般都在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，長輸管道對分布式能源直供面臨的主要問題是長輸管道進規(guī)劃區(qū)及區(qū)域內(nèi)燃氣企業(yè)潛在利益沖突問題。

輸氣管道工程設計規(guī)范提到，線路宜避開城鄉(xiāng)規(guī)劃區(qū)，當受條件限制，需要在城鄉(xiāng)規(guī)劃區(qū)通過時，應征得城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門的同意，并采取安全保護措施。

當長輸管道進規(guī)劃區(qū)報城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門時，經(jīng)常會遇到城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門以無規(guī)劃或以危險性較高為由給予否決。

5 結語

目前，分布式能源技術已經(jīng)成熟，因其對能源的高效利用，具有較強的環(huán)保性，將進入高速發(fā)展期，帶來的燃氣供應也將進入高增長期。針對具體的工程，進行充分的方案比選和方案優(yōu)化將為燃氣供應企業(yè)帶來豐厚的回報，也將會為社會帶來巨大的環(huán)保效益。

[1]尹余生，王小伍.從全方位評價看發(fā)展分布式能源站的必要性[J].工業(yè)工程, 2008,11(1):15～18.

[2]殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究(9)：“煤改氣”應首選燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)[J].暖通空調(diào), 2015，(3)：47～51.

[3]GB50028-2006，城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范[S].

[4]GB50251-2015，輸氣管道工程設計規(guī)范[S].

[5]中國電力工程顧問集團東北電力設計院.天津華電武清燃氣分布式能源站可行性研究報告[Z].2011.

[6]PG9171E型燃氣輪機發(fā)電機組運行規(guī)程[S].

[編輯] 洪云飛

2016-07-27

國家科技重大專項(2008ZX05048-005)。

李樹海(1968-)，男，政工師，現(xiàn)從事燃氣輸送規(guī)劃計劃管理方面的研究工作；E-mail:2447009852@qq.com。

TE863

A

1673-1409(2016)31-0050-04

[引著格式]李樹海.分布式能源的燃氣供應研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(31)：50～53.