天然氣分布式能源技術(shù)在國(guó)家會(huì)展中心(上海)的應(yīng)用

林文非

華電平潭投資發(fā)展有限公司

1 前言

分布式能源是一種建在用戶(hù)端的能源供應(yīng)方式，可獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行，是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量的系統(tǒng)，將用戶(hù)多種能源需求，以及資源配置狀況進(jìn)行系統(tǒng)整合優(yōu)化，是相對(duì)于集中供能的分布式供能方式。

天然氣分布式能源是以天然氣為燃料，利用燃?xì)獍l(fā)電以后產(chǎn)生的煙氣余熱，實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱和一年四季供應(yīng)生活熱水，通過(guò)冷、熱、電三聯(lián)供的方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的一種高效供能方式，能節(jié)約大量空調(diào)用電，減少或避免能源輸送環(huán)節(jié)和再次轉(zhuǎn)換過(guò)程的損失，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)條件，綜合能源利用效率在80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他利用形式，是高效利用一次能源的重要方式。

天然氣分布式能源技術(shù)，核心問(wèn)題在于能量的綜合梯級(jí)利用，即按能量品位的高低，“高能高用，低能低用”，進(jìn)行梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供，大幅度提高能源利用率，減少碳排放，改善城市環(huán)境，從而得到社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、能源利用率和碳排放等多方面都比較滿(mǎn)意的一體化能源利用系統(tǒng)。

國(guó)家會(huì)展中心(上海)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)展中心)是商務(wù)部和上海市政府合作建設(shè)的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的一流會(huì)展中心，國(guó)展中心總建筑面積為147萬(wàn)平方米，其中地上建筑面積127萬(wàn)平方米，地下建筑面積20萬(wàn)平方米，建筑高度43米。國(guó)展中心是一個(gè)集展覽館、鉆石交易中心和知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易中心、辦公、酒店和配套商業(yè)等組成的綜合體，是目前世界上最大的單體建筑，空調(diào)負(fù)荷和電負(fù)荷等綜合用能集中、用量大，整體規(guī)模適合采用集中供能體系。

天然氣分布式能源技術(shù)在國(guó)展中心的應(yīng)用能充分體現(xiàn)國(guó)展中心“使用經(jīng)濟(jì)高效，運(yùn)行綠色生態(tài)”的設(shè)計(jì)理念，天然氣分布式能源技術(shù)的應(yīng)用能充分體現(xiàn)低耗節(jié)能、集約用地、發(fā)展新興能源的國(guó)家策略，符合低能耗、低污染、低排放的綠色經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 天然氣分布式能源技術(shù)工作原理

國(guó)展中心天然氣分布式能源系統(tǒng)是以天然氣為一次能源的分布式冷、熱和電(Combined Cooling Heat and Power)三聯(lián)供系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CCHP系統(tǒng))，是以能量的梯級(jí)利用為基礎(chǔ)，能同時(shí)為國(guó)展中心提供冷、熱和電的一種分布式能源系統(tǒng)。

國(guó)展中心天然氣CCHP系統(tǒng)的熱動(dòng)力設(shè)備是6套GE顏巴赫J(rèn)MS 624 GS-N.L型4MW級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，一對(duì)一配置6臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組。調(diào)峰設(shè)備采用10臺(tái)7032kW(2000RT)離心式冷水機(jī)組，2臺(tái)7MW燃?xì)鉄崴仩t。蓄能設(shè)備采用2座12000m3蓄能罐?；玖鞒淌窍葘⑻烊粴馊紵a(chǎn)生的1000℃以上高溫燃?xì)庥靡则?qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)做功、發(fā)電，再利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電做功后的300～500℃的高溫余熱及內(nèi)燃機(jī)缸套水在夏季用于驅(qū)動(dòng)吸收式溴化鋰制冷機(jī)組制冷，對(duì)外提供6℃左右的冷水，供國(guó)展中心夏季用冷；在冬季則驅(qū)動(dòng)吸收式溴化鋰機(jī)組制熱并對(duì)外提供65℃的熱水供國(guó)展中心供暖，從而實(shí)現(xiàn)能源的綜合梯級(jí)利用。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)其工作原理是將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點(diǎn)火引發(fā)其爆燃做功，推動(dòng)活塞運(yùn)行，通過(guò)氣缸連桿和曲軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。400℃左右的內(nèi)燃機(jī)排氣和100℃左右的汽缸套冷卻水，作為吸收式制冷(熱)機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源。內(nèi)燃機(jī)——余熱煙氣型吸收式分布式能源流程如下圖。

內(nèi)燃機(jī)—余熱煙氣型吸收式分布式能源流程圖

國(guó)展中心天然氣分布式能源冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)采用以冷/熱定電、冷/熱電平衡的原則，最大限度利用發(fā)電余熱制冷制熱，確保整個(gè)供能系統(tǒng)的效率最高，因此，綜合能源利用效率可達(dá)到84%左右。

考慮到展館用能負(fù)荷特點(diǎn)是用能負(fù)荷不穩(wěn)定且尖峰負(fù)荷特別大，能源站設(shè)計(jì)的原則是以余熱利用系統(tǒng)供能為主，同時(shí)通過(guò)余熱利用系統(tǒng)結(jié)合調(diào)峰設(shè)備以滿(mǎn)足所有負(fù)荷需求。根據(jù)以往會(huì)展中心的能耗數(shù)據(jù)和用能設(shè)備的運(yùn)行記錄，計(jì)算并繪制出該會(huì)展綜合體集中供冷和供熱系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式曲線(xiàn)(圖1和圖2)如下。

圖1 供冷系統(tǒng)100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式曲線(xiàn)

圖2 供熱系統(tǒng)100%負(fù)荷設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式曲線(xiàn)

3 國(guó)展中心采用分布式供能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足

國(guó)展中心采用天然氣分布式供能系統(tǒng)具有其它供能源系統(tǒng)不可替代的諸多優(yōu)勢(shì)，歸納總結(jié)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)能源利用率高，經(jīng)濟(jì)效益巨大

天然氣分布式能源系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，充分利用發(fā)電余熱，就地供熱、供電，可減少電力與熱力長(zhǎng)距離輸送的損耗，能源綜合利用率在80%以上，超過(guò)大型煤電發(fā)電機(jī)組一倍；同時(shí)節(jié)約電網(wǎng)、熱力管網(wǎng)輸送環(huán)節(jié)的投資費(fèi)用，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本應(yīng)用除了設(shè)備、工藝方面的節(jié)能外，更重要的是整個(gè)供能系統(tǒng)的節(jié)能。因?yàn)楣┠芟到y(tǒng)建在國(guó)展中心的東南角，靠近負(fù)荷中心，這樣就地供熱、供電減少了能源長(zhǎng)距離輸送中的損耗；同時(shí)，還應(yīng)用了能量梯級(jí)利用原理，利用余熱直接向國(guó)展中心供應(yīng)冷、熱空調(diào)負(fù)荷，減少了能源轉(zhuǎn)換過(guò)程的損失，使能源綜合利用效率大幅度提高。傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)電廠，煤燃燒發(fā)電的能源利用率全國(guó)平均是40%左右，即使是目前世界上運(yùn)行能耗指標(biāo)最好的上海外高橋第三發(fā)電廠的超超臨界燃煤機(jī)組的綜合能源利用率也不超過(guò)50%，但國(guó)展中心天然氣分布式能源站的能源利用效率可達(dá)到84%，比上海國(guó)際旅游度假區(qū)核心區(qū)天然氣分布式能源站年平均能源綜合利用率83.41%略高，也比目前正在運(yùn)行的全國(guó)最大的分布式能源站廣州大學(xué)城分布式能源站的能源綜合利用率(78%)高出6%。

(2)大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充，提高能源供應(yīng)安全性

由于能源站建在國(guó)展中心旁，有力地彌補(bǔ)了大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面可能存在的不足，有效提高了國(guó)展中心的供電安全性。尤其是在電網(wǎng)崩潰或意外災(zāi)害(地震、暴風(fēng)雪、嚴(yán)重冰凍、戰(zhàn)爭(zhēng)、人為破壞等)情況下，如2008年南方冰雪災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失1516.5億元，大部分是電網(wǎng)癱瘓?jiān)斐?。適度的發(fā)展分布式電源可提高地區(qū)能源供應(yīng)安全性。

采用天然氣分布式供能系統(tǒng)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)可不依靠外部電源直接啟動(dòng)，并快捷地帶上負(fù)荷，因此本系統(tǒng)可以作為應(yīng)急保安電源繼續(xù)為中心或電網(wǎng)供電，大幅提高了國(guó)展中心的供電可靠性、供電質(zhì)量和供電、用電的安全性。

(3)環(huán)境保護(hù)效益

采用清潔一次性能源的分布式功能系統(tǒng)，可大幅度減少煙塵、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳等污染物排放。“十二五規(guī)劃”預(yù)計(jì)的天然氣分布式能源裝機(jī)5000萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于可以減少1億千瓦燃煤裝機(jī)，相當(dāng)于減少消耗2億噸煤炭，減排4億噸二氧化碳。

本分布式能源站采用的是天然氣清潔燃料，由于其綜合利用率的提高，實(shí)際上也起到了減排的效果，經(jīng)測(cè)算本能源站投入使用后與目前的燃煤電廠平均指標(biāo)相比每年可節(jié)約標(biāo)煤24257噸，僅此每年可減少碳排放量85447噸，相當(dāng)于種樹(shù)4272350棵，節(jié)能和減排的效果十分顯著，從而達(dá)到能源的高效利用和減少排放等環(huán)保效應(yīng)。

(4)降低天然氣以及電力調(diào)峰壓力，能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

天然氣分布式能源項(xiàng)目可成為可中斷、可調(diào)節(jié)的發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)天然氣和電力具有雙重“削峰填谷”作用。有效地緩解天然氣冬夏季峰谷差，提高夏季燃?xì)庠O(shè)施的利用效率，增強(qiáng)供氣系統(tǒng)安全性。同時(shí)減少電力設(shè)備的峰值裝機(jī)容量以及天然氣儲(chǔ)氣設(shè)施的投資，有效降低電網(wǎng)以及天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行成本。

本供能系統(tǒng)具有削峰填谷的功能優(yōu)勢(shì)，上海夏季多采用電制冷，冬季用燃?xì)忮仩t供熱，電力及燃?xì)夤?yīng)存在很大的季節(jié)性峰谷差，采用三聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)，發(fā)電余熱可用于供熱和制冷，既能減小電空調(diào)造成的供電高峰，又填補(bǔ)了燃?xì)夤?yīng)在夏季的低谷，緩解了各自的峰谷差。國(guó)展中心夏天若全部用電空調(diào)直接供冷，將增加電網(wǎng)調(diào)峰電功率74.6MW，而采用天然氣分布式能源供能則可減少電網(wǎng)調(diào)峰電功率74.6MW，同時(shí)每天可消耗15.84萬(wàn)m3的天然氣，有效地緩解了各自的峰谷差。

(5)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

同時(shí)考慮分布式能源以上節(jié)能、減排、環(huán)保、安全以及削峰填谷優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)勢(shì)，天然氣分布式能源系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)低排放，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，國(guó)展中心采用天然氣分布式供能系統(tǒng)既符合國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的分布式能源政策，其建設(shè)又有利于提高能源效率，降低系統(tǒng)網(wǎng)損，加強(qiáng)地區(qū)供電的可靠性等優(yōu)勢(shì)。

由于種種原因，本系統(tǒng)還不是完美的供能系統(tǒng)，分布式能源供能技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)沒(méi)有全部得到體現(xiàn)，還存在以下幾點(diǎn)需改善的地方。

一是本能源站建在國(guó)展中心的東南角處，致使供能管網(wǎng)較長(zhǎng)，不但增加了管網(wǎng)的投資，也增加了供能過(guò)程的輸送損失，本能源站的最佳位置應(yīng)該是建在國(guó)展中心圓樓的地下室，這樣可大幅降低供能管網(wǎng)的投資和供能輸送過(guò)程的不必要的能源損失，提高供能效率。國(guó)展中心能源站建在國(guó)展中心東南角處雖不是最佳選擇，但已大大優(yōu)于其他周邊能源站向其供能的方案。

二是由于國(guó)家政策所限，本能源站所發(fā)電量無(wú)法實(shí)現(xiàn)就近向國(guó)展中心直供電，沒(méi)有就地消耗，而是通過(guò)升壓后輸送給電網(wǎng)，由電網(wǎng)降壓后再供給相關(guān)用戶(hù)，增加了電力輸送環(huán)節(jié)的無(wú)謂損失。

4 天然氣分布式能源技術(shù)的發(fā)展有待解決的問(wèn)題

由于天然氣分布式能源投資大，天然氣價(jià)格高，天然氣分布能源的發(fā)展受到很大的制約，要大力發(fā)展天然氣分布式能源技術(shù)需要解決的問(wèn)題如下。

一是政策支持?，F(xiàn)行的電力體制是阻礙天然氣分布式能源發(fā)展的最主要的問(wèn)題。根據(jù)我國(guó)電力法規(guī)定“一個(gè)供電營(yíng)業(yè)區(qū)內(nèi)只設(shè)一個(gè)供電營(yíng)業(yè)機(jī)構(gòu)”限制了分布式能源項(xiàng)目業(yè)主將多余電力就近銷(xiāo)售給其他用戶(hù)，分布式發(fā)電無(wú)法與電力終端用戶(hù)直接“見(jiàn)面”，無(wú)法充分調(diào)動(dòng)企業(yè)和用戶(hù)的積極性，阻礙了分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。

二是天然氣價(jià)格高。缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)天然氣資源分布不均，大量的天然氣通過(guò)長(zhǎng)輸管道從資源地輸送到上海地區(qū)，氣價(jià)較高，用它作分布式能源裝置的燃料，成本必然會(huì)高，在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

三是環(huán)保成本沒(méi)有得到合理的分?jǐn)?。雖然以煤為燃料的供能企業(yè)自身燃料成本低，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力相對(duì)較強(qiáng)，但帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題使國(guó)家和普通百姓無(wú)形之中被動(dòng)地分擔(dān)了大量的社會(huì)成本，國(guó)家每年亦需花費(fèi)大量的投資用于改善大氣質(zhì)量。而分布式能源技術(shù)能源利用效率的提高(是普通燃煤電廠的兩倍多)及輸送環(huán)節(jié)的成本節(jié)約，可以部分彌補(bǔ)因燃料成本高所帶來(lái)的效益損失，但它的節(jié)能環(huán)保成本沒(méi)有得到合理的分?jǐn)?，制約了它的發(fā)展。

四是稅收支持。天然氣分布式能源項(xiàng)目總體經(jīng)營(yíng)成本高，應(yīng)給予天然氣分布式能源項(xiàng)目合理的稅收優(yōu)惠，并允許其縮短資產(chǎn)的折舊年限。

5 小結(jié)

天然氣分布式能源技術(shù)已成為世界能源技術(shù)的發(fā)展潮流，符合事物發(fā)展的客觀規(guī)律，當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但發(fā)展過(guò)程中遇到的環(huán)保、電力緊缺及負(fù)荷峰谷差大的問(wèn)題日益突出。在這種情況下，天然氣分布式能源技術(shù)必將發(fā)揮積極作用。

國(guó)家會(huì)展中心(上海)使用天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)電、制冷(空調(diào))、供熱(采暖加熱水)，由于一次能源利用率的提高，必然大量減少溫室氣體和其他污染氣體的排放，既保護(hù)環(huán)境，又提供了好的生態(tài)環(huán)境，利國(guó)利民。

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