天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)的應用研究

陳飛飛　鄭立軍　俞聰

摘? 要：天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)具有能源利用效率高，能源供應類型多，污染物排放少，負荷響應快等優(yōu)點。文章以某工業(yè)園區(qū)為例，對多聯(lián)供系統(tǒng)的設計方法進行了研究。從系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟效益、環(huán)保效果等方面進行分析，結(jié)論顯示天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，有利于環(huán)境保護。發(fā)展天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)，符合我國低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求，具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：低碳能源;分布式系統(tǒng);多聯(lián)供技術(shù);效益分析

中圖分類號：F426? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）29-0179-03

Abstract： The technology of distributed multi-supply of natural gas has the advantages of high energy utilization efficiency， many types of energy supply， less pollutant emission， fast load response and so on. Taking an industrial park as an example， this paper studies the design method of multi-supply system. From the analysis of the energy utilization rate， economic benefit and environmental protection effect of the system， the conclusion shows that the distributed multi-supply technology of natural gas has remarkable energy saving effect， considerable economic benefit， thus beneficial to environmental protection. The development of natural gas distributed multi-supply technology is in line with the requirements of the development of low-carbon economy in China.

Keywords： low carbon energy; distributed system; multi-supply technology; benefit analysis

1 概述

隨著中國經(jīng)濟的快速增長，低碳經(jīng)濟的發(fā)展模式逐漸被政府和社會重視起來，提升社會整體的節(jié)能水準、降低單位能源碳排放量是行之有效的方式。在化石能源中，煤的碳強度最高，而天然氣的碳強度則相對較低，因此使用天然氣代替煤是一種切實有效的降低碳排放的措施，符合國家的政策要求。分布式多聯(lián)供技術(shù)是在熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能源供應技術(shù)，能夠以小型化的機組實現(xiàn)向用戶供冷、供熱、供電，相比傳統(tǒng)的分散供能方式，更易實現(xiàn)能源的梯級利用，極大提高能源的利用效率，符合國家低碳經(jīng)濟的發(fā)展目標，因此受到國家政策法規(guī)的鼓勵推廣應用。

2 分布式能源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國已經(jīng)擁有包括天然氣多聯(lián)供技術(shù)在內(nèi)的各類分布式能源站6000余座[1]，根據(jù)統(tǒng)計2010年全美分布式能源總裝機容量約為9.2×107kW，占美國年發(fā)電量的14%，其中天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)占據(jù)著主導地位。根據(jù)美國政府的規(guī)劃，預計到2020年將新增熱電聯(lián)產(chǎn)機組裝機4×107kW，同時大力發(fā)展冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，確保到2020年時有一半以上的商業(yè)建筑使用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，15%以上既有建筑改用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)。在政策引導方面，美國政府確保公共電網(wǎng)必須為分布式用戶提供用電保障，多余的電量可以按市場價格向電網(wǎng)出售，到2012年初，美國已有43個州及哥倫比亞特區(qū)和波多黎各實施雙向計量凈電表政策[2]，同時美國政府還有各種類型的稅收減免及財政補貼政策。

德國目前約有7.5×107kW的分布式能源裝機量[3]，根據(jù)德國政府提出的能源轉(zhuǎn)型方案，到2050年將實現(xiàn)以可再生能源為主的能源供應系統(tǒng)，其中絕大部分屬于可再生能源利用方式屬于分布式能源范疇，2050年德國可再生能源占終端能源消費比重將上升至60%，可再生能源占電力總消費量比重將上升至80%。德國政府目前仍在為分布式能源提供各類補貼，同時德國政府從2011年開始提出要建設一個以分布式能源技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電網(wǎng)，這將有助于實現(xiàn)分布式能源消費占據(jù)德國能源消費的主體地位。

日本的分布式發(fā)電以熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式光伏電站為主要組成部分，總裝機容量約為3.6×107kW，占全國發(fā)電機裝機容量13.4%[1]，其中天然氣分布式能源的裝機容量已超過5×106kW。日本政府規(guī)劃在2030年前將分布式能源的發(fā)電量占比提高到20%以上，為此日本政府也推出了一系列的減免稅收和財政補貼政策，并減免了1000kW規(guī)模以下機組的并網(wǎng)費用。特別是在福島核電站危機發(fā)生后，日本的小型天然氣多聯(lián)供技術(shù)得到進一步的推廣，隨著日本改變依靠核能的能源戰(zhàn)略，微型分布式能源將成為其重要的能源戰(zhàn)略發(fā)展方向。

我國的分布式能源發(fā)展起步較晚，受制于天然氣供應不足的問題，發(fā)展速度也比較緩慢，截止2015年，天然氣發(fā)電裝機規(guī)模為6603萬千瓦，僅為火電裝機量的13.6%。我們國家的分布式供能的市場潛力還是比較大的，據(jù)保守估計，僅用于賓館、醫(yī)院的燃氣熱電聯(lián)供的市場容量就超過1000億元，每年可節(jié)省1000萬噸標準煤，減排二氧化碳約2500萬噸[4]。為了適應低碳發(fā)展的要求，我國計劃“十三五”期間實現(xiàn)天然氣消費比重上升至10%，這為天然氣分布式能源的發(fā)展提供了有力的政策引導。在能源供應方面，我國將繼續(xù)擴大油氣輸配管路的里程數(shù)，大力興建LNG供氣站點，可以有效緩解天然氣供應不足的問題，目前我國頁巖氣探明儲量世界第一，這也為天然氣分布式能源的持續(xù)發(fā)展提供了可靠的能源保障。

3 分布式能源的技術(shù)簡介

3.1 天然氣分布式多聯(lián)供的主要特點

天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)是一種以燃氣作為能源，可同時向用戶提供蒸汽、熱水、冷水和電力的新型能源供應技術(shù)?？偟膩碚f，天然氣分布式能源技術(shù)具有以下特點：

（1）可實現(xiàn)能量的梯級利用，提高能源利用效率。

（2）天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)集成了數(shù)種能源供應方式，克服了單一能源供應系統(tǒng)不能兼顧的弊端，系統(tǒng)能夠按需供應且可靠運行。

（3）天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氣網(wǎng)和電網(wǎng)的峰谷負荷互補。

（4）環(huán)境效益顯著，經(jīng)濟效益明顯。

3.2 天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)原理及類別

天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能夠利用天然氣供應多種能源，根據(jù)使用的動力裝置的不同，可將天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)分為：燃氣輪機分布式多聯(lián)供系統(tǒng)和內(nèi)燃機分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體組成包括原動機組、發(fā)電機、余熱回收裝置以及一系列輔助生產(chǎn)設備。

分布式多聯(lián)供常用的燃氣輪機發(fā)電效率約為20%～38%，機組發(fā)電容量在500～25000kW之間，可以提供250～650℃的煙氣，煙氣既可以供給余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，又可以直接供煙氣型溴化鋰吸收式機組，利用完的煙氣可以用來預熱燃燒用的空氣或者加熱生活熱，余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽可以直接用來驅(qū)動蒸汽型溴化鋰機組制備冷熱水，也可以通過熱交換器進行冬季供暖或者提供生活熱水。燃氣輪機分布式多聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如下：

分布式多聯(lián)供常用的內(nèi)燃機發(fā)電效率約為25%～45%，容量在2～10000kW之間，可以提供400～600℃的煙氣、80～110℃的缸套水和40～65℃的潤滑油冷卻水，煙氣可以直接用來驅(qū)動煙氣型溴化鋰吸收式機組制備冷熱水，或者通過熱交換器制備高溫熱水，再由熱水驅(qū)動熱水型溴化鋰吸收式機組制備冷熱水，內(nèi)燃機產(chǎn)生的缸套水和潤滑油冷卻水直接通過熱交換器與用熱介質(zhì)進行熱交換，系統(tǒng)適合冷熱電負荷較小的用戶使用。內(nèi)燃機分布式多聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如下：

無論是燃氣輪機分布式系統(tǒng)還是內(nèi)燃機分布式系統(tǒng)，其生產(chǎn)的電力都直接供用戶使用，電能不足的部分可以從市網(wǎng)購買，系統(tǒng)的供電可靠性很高。當吸收式機組的制冷能力不能滿足用戶需求時，系統(tǒng)還可以加裝電驅(qū)動壓縮式機組，保障用戶供冷需求。

4 分布式能源在工業(yè)園區(qū)的應用

天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)應用范圍較廣，可以在大型商場、商業(yè)中心、大學校園、賓館、醫(yī)院、大型交通樞紐、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、偏遠居住區(qū)等各類型場所使用。本節(jié)以江蘇某工業(yè)園區(qū)為例，對園區(qū)的多聯(lián)供可行性進行分析，并給出相應的系統(tǒng)設計方案。

4.1 工業(yè)園區(qū)多聯(lián)供可行性分析

（1）采用集中區(qū)域供冷，可節(jié)約單元式空調(diào)機組的能耗，供冷水出口水溫一般在7℃左右，滿足絕大部分用戶的冷負荷需求。經(jīng)調(diào)研分析，工業(yè)園區(qū)內(nèi)居住生活建筑、辦公場所、生產(chǎn)輔助場所等有穩(wěn)定的供冷負荷需求。（2）集中供暖適合有大面積穩(wěn)定采暖需求的地區(qū)，可提供燃料利用效率，降低大氣污染，增加經(jīng)濟效益。經(jīng)調(diào)研，當?shù)囟竟┡骄鶞囟?1℃左右，符合集中供暖的需求。園區(qū)內(nèi)的居住生活建筑和辦公場所存在冬季供暖的熱負荷需求，目前使用單元式空調(diào)熱泵機組實現(xiàn)供暖。（3）集中供應生活熱水，可以節(jié)省熱水生產(chǎn)設備的初投資，方便運行維護，有余熱可供利用的情況下，經(jīng)濟效益顯著。園區(qū)內(nèi)建有多個公共浴室，在浴室實際經(jīng)營中均采取外購熱水的方式提供洗澡用水。（4）集中供應蒸汽，可以使設備的燃料使用效率提高，降低單位蒸汽耗量初投資，有利于提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。園區(qū)內(nèi)有部分企業(yè)生產(chǎn)工藝需要用到蒸汽，因為園區(qū)內(nèi)暫時還沒有統(tǒng)一的蒸汽供應來源，所以現(xiàn)階段都采用電鍋爐制備蒸汽的方式運行。（5）發(fā)電機孤網(wǎng)運行的方式，適合遠離市網(wǎng)的地區(qū)使用，但對用電負荷穩(wěn)定性有一定的要求，并網(wǎng)運行的方式可以克服用電負荷需求不穩(wěn)的情況，多余電力并入市網(wǎng)，不足部分由電網(wǎng)補充，可能充分發(fā)揮機組的調(diào)峰作用。目前園區(qū)已經(jīng)接入了市網(wǎng)，由國家電網(wǎng)提供電源保障。（6）多聯(lián)供系統(tǒng)要求外部存在穩(wěn)定的冷熱負荷，電力負荷與冷熱負荷的使用規(guī)律要匹配，系統(tǒng)整體的能源利用效率宜達到70%以上，機組的發(fā)電容量也宜控制在15MW以下，全年運轉(zhuǎn)時間控制在3500小時以上。經(jīng)調(diào)研，園區(qū)內(nèi)辦公區(qū)域、居住建筑入住率較高，使用蒸汽的設備開工率也較高，冷熱電汽負荷均有可觀的規(guī)模。（7）多聯(lián)供系統(tǒng)并網(wǎng)運行時需要靠近供電區(qū)域的主配電室，機組需要充足穩(wěn)定的天然氣，系統(tǒng)應該選在靠近負荷中心的區(qū)域，合理控制供能半徑，減少輸送能耗和不必要的損失。經(jīng)調(diào)研，園區(qū)的主配電室位于園區(qū)中心位置，主配電室附件也有足夠的地方新建多聯(lián)供機組，且大部分用能單位均在選址區(qū)域的合理半徑內(nèi)，園區(qū)已經(jīng)接入了市政燃氣管道，氣源有可靠保障。

4.2 系統(tǒng)設計方法

針對以上的調(diào)研可知，推薦分布式多聯(lián)供能源站的配置如下：（1）動力系統(tǒng)可以采用燃氣輪機+內(nèi)燃機的方式，燃氣輪機負責基本負荷，內(nèi)燃機負荷峰值負荷和低谷負荷，燃氣輪機為5000kW，內(nèi)燃機為400kW。（2）煙氣采用余熱鍋爐回收煙氣的廢熱，余熱鍋爐利用后的煙氣可以通過煙氣熱交換器制備熱水，多余的煙氣則排空，余熱鍋爐蒸發(fā)量為4000kW，煙氣熱交換器為300kW換熱量。（3）余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在夏季驅(qū)動蒸汽型溴化鋰吸收式機組制冷，其余時間則向園區(qū)用戶提供蒸汽，蒸汽型溴化鋰機組制冷量為4500kW。（4）內(nèi)燃機的缸套水和潤滑油冷卻水可以通過熱交換器制備熱水，多余熱量通過冷卻裝置排出，余熱水熱交換器為100kW。（5）機組發(fā)出的電能供園區(qū)使用，園區(qū)用電負荷較大，完全能夠消化機組提供的電力，不足的部分由市網(wǎng)提供。

系統(tǒng)的流程圖如下：

5 效益分析

上節(jié)分析了某工業(yè)園區(qū)的負荷特點，針對性的設計了一套天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，下面將從能源消耗、運行費用、環(huán)境和社會效益等三個方面對分布式多聯(lián)供系統(tǒng)進行綜合評價。

5.1 節(jié)能分析

分布式多聯(lián)供系統(tǒng)燃氣輪機作為基本負荷，每天運行10個小時，一年開機260天，內(nèi)燃機作為調(diào)峰負荷，夏季和冬季各開啟60天，每天運行6個小時，同時冬季晚上作為值班供暖運行18小時，蒸汽進行制冷110天，其余時間供應蒸汽，生活熱水全年260天均需要使用，兩個熱交換器平均每天當量滿負荷運行時間為4小時。

表1中分布式多聯(lián)供系統(tǒng)燃氣輪機效率按40%，內(nèi)燃機效率按45%;單獨供能系統(tǒng)供應熱水和蒸汽按熱效率90%計算，冷水由電壓縮機組提供，電能按相應系數(shù)折算成一次能源消耗。由上表可知采用分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的方式，全年可節(jié)省大約33%的能耗，節(jié)能效果顯著。

5.2 節(jié)約運行費用分析

獨立供能系統(tǒng)的熱水和蒸汽采用燃煤制備，冷水消耗電力獲得，如果按天然氣3元/m3，標煤600元/t、電費1.0元/kW·h來計算，在提供同等電力的情況下，獨立供能系統(tǒng)總計能源費用約為1437萬元，分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能源費用約1026萬元，每年可節(jié)省四百余萬能源費用。此外，分布式多聯(lián)供系統(tǒng)相比分散式獨立供能系統(tǒng)而言，易于運行管理，系統(tǒng)維護難度低，維護效果好，還能省下一筆可觀的運行維護成本。

5.3 環(huán)境和社會效益

使用天然氣作為燃料，不會排放煙塵，空氣質(zhì)量不會受到影響，不會排放二氧化硫、氮氧化物，對大氣環(huán)境沒有不良影響，系統(tǒng)每年能減排二氧化硫147噸，氮氧化物43噸，減少煙塵排放至少30多噸。同時，系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)起到一定程度的削峰作用，減少火電機組的裝機容量，有利于引導資本投放到更有意義的領(lǐng)域;減少因用電高峰時負荷波動對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，提高電網(wǎng)輸送效率;火電機組裝機容量的減少可以提高現(xiàn)有發(fā)電機組的負荷率，發(fā)電機組的年運行小時數(shù)得到保障，機組效率較高，單位發(fā)電能耗降低，進一步減少了污染物的排放。

6 結(jié)論

天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)符合國家的低碳經(jīng)濟發(fā)展要求，有著明顯的社會效益和可觀的經(jīng)濟收益。天然氣碳排放強度低，幾乎不排放硫化物和氮氧化物，有利于減少酸雨和光化學污染，同時零粉塵排放的特性，切合了現(xiàn)今社會的環(huán)保要求，對減少霧靄有積極作用。系統(tǒng)能夠進行能源的梯級利用，以文中某工業(yè)園區(qū)為例，相比傳統(tǒng)方式降低能耗33%，每年可節(jié)約能源費用四百余萬元。在國家政策的引導下，相信天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)會在我國得到長足的發(fā)展。

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