燃?xì)夥植际侥茉锤麟A段技術(shù)發(fā)展分析

石海洋, 別 舒, 倪 龍, 雷 鑫, 杜可心, 楊 蕭

(1.中國中元國際工程有限公司,北京 100089;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

燃?xì)夥植际侥茉吹募夹g(shù)路線基礎(chǔ)是天然氣分布式能源,隨著可再生能源利用技術(shù)的不斷提升以及碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出,低碳能源成為我國能源發(fā)展的必由之路。熱泵供能、可再生能源發(fā)電、化石能源的高效利用是碳減排的重要措施。

截至2020年,國內(nèi)燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目達(dá)到632個(gè),均為天然氣分布式能源項(xiàng)目。燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目裝機(jī)容量為22.74 GW,預(yù)計(jì)到2030年,裝機(jī)容量達(dá)到58.43 GW,到2060年裝機(jī)容量達(dá)到59.9 GW。2011年,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源指導(dǎo)意見》,使天然氣分布式能源得到了快速發(fā)展,在供熱和發(fā)電領(lǐng)域的作用更加明顯。倪龍等人[1]通過分析熱泵在中低溫?zé)崮苌a(chǎn)中的減碳效益,提出了熱泵供熱的碳減排優(yōu)勢。秦鋒等人[2]基于碳中和背景下氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景,指明了氫氣發(fā)電的技術(shù)方向。本文重點(diǎn)分析燃?xì)夥植际侥茉吹?個(gè)發(fā)展階段,結(jié)合實(shí)際案例對天然氣分布式能源、熱泵、氫氣分布式能源技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

2 燃?xì)夥植际侥茉?/h2>

燃?xì)夥植际侥茉词菍σ粋€(gè)或者多個(gè)用戶供電、供冷、供熱或供蒸汽的聯(lián)供系統(tǒng),不包括調(diào)峰設(shè)備,燃?xì)夥植际侥茉戳鞒桃妶D1[3]。與傳統(tǒng)的大型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和區(qū)域供熱、區(qū)域供冷系統(tǒng)相比,燃?xì)夥植际侥茉垂┠芤?guī)模較小,技術(shù)應(yīng)用方式多元化,適用于醫(yī)院、商業(yè)綜合體及工業(yè)園區(qū)等。

圖1 燃?xì)夥植际侥茉戳鞒?/p>

燃?xì)夥植际侥茉匆蕴烊粴?、氫氣、沼氣及工業(yè)余氣為燃料,通過燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組等發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電,發(fā)電效率為30%～50%,發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的余熱可用于供冷、供熱,其效率可達(dá)30%～50%[4],可實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用,年綜合利用效率在70%以上,并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)。

沼氣分布式能源主要利用餐廚、污水處理廠、垃圾填埋場等場所產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行發(fā)電,通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,余熱以熱水或工業(yè)蒸汽的形式就近利用。工業(yè)余氣分布式能源是利用化工廠或鋼廠產(chǎn)生的甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w,通過燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電,余熱以工業(yè)蒸汽形式就近利用。上述兩種分布式能源應(yīng)用案例較少,因此不進(jìn)行詳細(xì)論述。

本文重點(diǎn)論述天然氣分布式能源和氫氣分布式能源。燃?xì)夥植际侥茉捶譃閰^(qū)域型燃?xì)夥植际侥茉春蜆怯钚腿細(xì)夥植际侥茉磧煞N類型,其中區(qū)域型燃?xì)夥植际侥茉匆匀細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+余熱鍋爐為主要技術(shù)路線,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能由市政電網(wǎng)消納,排放的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐,余熱鍋爐吸收熱量產(chǎn)生蒸汽或熱水,蒸汽可以通過汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電或直接供工業(yè)用戶使用[5]。樓宇型燃?xì)夥植际侥茉匆匀細(xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組+煙氣熱水型溴化鋰?yán)?溫)水機(jī)組為主要技術(shù)路線,產(chǎn)生的電能與市政電網(wǎng)并網(wǎng)但不上網(wǎng),排放的煙氣和缸套水進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰?yán)?溫)水機(jī)組,從而產(chǎn)生冷水、熱水供用戶使用。

3 燃?xì)夥植际侥茉窗l(fā)展的3個(gè)階段

我國幅員遼闊,各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和資源稟賦不同,燃?xì)夥植际侥茉丛诟鞯氐陌l(fā)展水平和規(guī)模也不盡相同,因此燃?xì)夥植际侥茉锤鱾€(gè)階段的技術(shù)將長期共存。各階段在時(shí)間上存在重疊現(xiàn)象。

① 2010-2040年:傳統(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉措A段

天然氣分布式能源在2010年以后得到了政府、能源企業(yè)和用戶的廣泛關(guān)注,以天然氣分布式能源為主的分布式能源項(xiàng)目陸續(xù)投入使用,2010-2040年天然氣分布式能源在化石能源領(lǐng)域起到重要作用。

② 2020-2050年:低碳燃?xì)夥植际侥茉措A段

當(dāng)前,我國處于低碳燃?xì)夥植际侥茉纯焖侔l(fā)展階段,將建成更多的低碳燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目,將為低碳燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目的成本合理性和系統(tǒng)安全性提供一定的借鑒。在此期間,我國將陸續(xù)開始?xì)錃夤?yīng)技術(shù)、氫氣發(fā)電技術(shù)的研究,為廣泛利用氫氣創(chuàng)造條件。

③ 2030-2060年:零碳燃?xì)夥植际侥茉措A段

我國將在2030年迎來零碳燃?xì)夥植际侥茉纯焖侔l(fā)展階段,兩個(gè)標(biāo)志性的事件是氫氣分布式能源的廣泛應(yīng)用和完善的電力交易政策。2030-2060年氫氣將在經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面具備大規(guī)模利用的條件,同時(shí)將出臺能夠支持零碳燃?xì)夥植际侥茉催\(yùn)行和交易的政策。

預(yù)計(jì)到2040年底,在我國能源需求較集中的發(fā)達(dá)地區(qū),零碳燃?xì)夥植际侥茉磳⑹切略鋈細(xì)夥植际侥茉吹闹饕问健?/p>

4 傳統(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉措A段

傳統(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉吹募夹g(shù)路線以天然氣分布式能源為主,運(yùn)行時(shí)優(yōu)先使用天然氣分布式能源,在不能滿足需求的情況下,利用市政電網(wǎng)、天然氣鍋爐或電制冷設(shè)備進(jìn)行調(diào)峰。

北京清河醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉词莻鹘y(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉吹囊粋€(gè)案例,北京清河醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉凑鞠募竟├淞鞒桃妶D2。主要設(shè)備有2臺發(fā)電量834 kW天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺制冷量1.454 MW、制熱量1.150 MW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組和3臺制冷量1.257 MW電制冷機(jī)組。夏季通過天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的形式向用戶供電,余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組供冷,并與電制冷機(jī)組連接,當(dāng)天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修時(shí),市政電網(wǎng)供電、電制冷機(jī)組供冷,保證正常運(yùn)行。

圖2 北京清河醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉凑鞠募竟├淞鞒?/p>

北京清河醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉凑径竟崃鞒桃妶D3。主要設(shè)備有2臺發(fā)電量834 kW天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺制冷量1.454 MW、制熱量1.150 MW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組,2臺熱功率2.910 MW燃?xì)忮仩t。冬季通過天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,采用并網(wǎng)不上網(wǎng)形式向用戶供電,余熱通過煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組供熱,并與燃?xì)忮仩t連接,當(dāng)天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修時(shí),市政電網(wǎng)供電、燃?xì)忮仩t供熱。

圖3 北京清河醫(yī)院燃?xì)夥植际侥茉凑径竟崃鞒?/p>

傳統(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉吹慕?jīng)濟(jì)性受天然氣價(jià)格和機(jī)組發(fā)電時(shí)間的影響很大,未來分布式能源發(fā)展必須考慮不斷引入新的技術(shù)。

5 低碳燃?xì)夥植际侥茉措A段

低碳燃?xì)夥植际侥茉磳⒒茉?、可再生能源等多種能源組合利用。熱泵是實(shí)現(xiàn)低碳燃?xì)夥植际侥茉吹闹匾夹g(shù)手段,在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),熱泵供熱在碳減排方面將發(fā)揮主導(dǎo)作用。

5.1 低碳燃?xì)夥植际侥茉吹膯栴}

① 可再生能源發(fā)電比例偏低。低碳燃?xì)夥植际侥茉炊鄳?yīng)用在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且供電、供冷、供熱需求相對穩(wěn)定的地區(qū),這些地區(qū)一般不具備風(fēng)力發(fā)電和大面積光伏發(fā)電的條件,光伏分布式能源裝機(jī)容量偏小。

② 樓宇型燃?xì)夥植际侥茉囱b機(jī)容量減小或者項(xiàng)目延期。近年來天然氣價(jià)格持續(xù)高位、樓宇型燃?xì)夥植际侥茉催\(yùn)行和維護(hù)成本高、電力并網(wǎng)困難等導(dǎo)致樓宇型燃?xì)夥植际侥茉囱b機(jī)容量變小。

③ 區(qū)域型燃?xì)夥植际侥茉唇Y(jié)合可再生能源的能力受限。在燃?xì)夥植际侥茉粗?光伏分布式能源站發(fā)電能力比一般燃?xì)夥植际侥茉凑镜陌l(fā)電能力低,導(dǎo)致可再生能源所能發(fā)揮的作用受限。

在低碳燃?xì)夥植际侥茉礃?gòu)建中,熱泵表現(xiàn)出的可靠性和經(jīng)濟(jì)性被政府和用戶接受[6],冬季熱泵的供熱比例升高,更多的低碳燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目和綜合能源項(xiàng)目希望提高熱泵供熱的比例,以達(dá)到碳減排和經(jīng)濟(jì)性的平衡。

5.2 低碳燃?xì)夥植际侥茉窗咐?/h3>

北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程見圖4,主要設(shè)備有2臺發(fā)電量851 kW的天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺制冷量897 kW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、6臺制冷量1.443 MW地埋管地源熱泵機(jī)組(簡稱地埋管熱泵機(jī)組)和1座2×104m3蓄能水池。夏季時(shí)天然氣分布式能源、地埋管熱泵機(jī)組、蓄能水池供冷,2臺制冷量6.68 MW的電制冷機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰。天然氣分布式能源采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式向用戶供電,不足部分由市政電網(wǎng)提供。夜間用電低谷期,地埋管熱泵機(jī)組制取冷水并蓄能供白天使用。

圖4 北京城市副中心6#能源站夏季供冷流程

北京城市副中心6#能源站冬季供熱流程見圖5,主要設(shè)備有2臺發(fā)電量851 kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺制熱量897 kW煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、6臺制熱量1.443 MW地埋管熱泵機(jī)組、2臺熱功率4.2 MW燃?xì)忮仩t和1座2×104m3蓄能水池。冬季采用天然氣分布式能源、地埋管熱泵機(jī)組、蓄能水池供熱,燃?xì)忮仩t進(jìn)行供熱調(diào)峰。天然氣分布式能源采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式向用戶供電,不足部分由市政電網(wǎng)提供。夜間用電低谷期,地埋管熱泵機(jī)組制取熱水并利用蓄能水池儲存,供白天使用。

圖5 北京城市副中心6#能源站冬季供熱流程

6 零碳燃?xì)夥植际侥茉措A段

零碳燃?xì)夥植际侥茉纯梢酝ㄟ^2條路徑實(shí)現(xiàn),路徑1是購買碳排放權(quán),計(jì)算項(xiàng)目產(chǎn)生的碳排放量,通過碳交易支付相關(guān)費(fèi)用獲得碳排放資格,通過專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證,可明確項(xiàng)目零碳排放。路徑2是通過能源技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn),本文僅討論路徑2。

零碳燃?xì)夥植际侥茉赐ㄟ^氫氣分布式能源、熱泵供能、可再生能源發(fā)電、電力交易等技術(shù)路線解決供熱、供冷、供電等需求。氫氣分布式能源通過微電網(wǎng)交易把自用電以外的余電與市政電網(wǎng)進(jìn)行交易,抵消夜間低谷電和氫氣分布式能源站檢修時(shí)所消耗的市電對應(yīng)的碳排放量,由于氫氣燃燒不產(chǎn)生二氧化碳,最終碳排放量為零或?yàn)樨?fù)值。因此,氫氣分布式能源的碳減排作用是實(shí)現(xiàn)零碳燃?xì)夥植际侥茉吹年P(guān)鍵。

零碳燃?xì)夥植际侥茉凑玖鞒桃妶D6。分布式光伏發(fā)電電力接入微電網(wǎng),氫氣分布式能源電力接入微電網(wǎng)。微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)進(jìn)行電力交換,微電網(wǎng)發(fā)電能力不足時(shí)由市政電網(wǎng)供應(yīng),微電網(wǎng)發(fā)電能力富余時(shí)向市政電網(wǎng)供電。冬季,氫氣分布式能源與熱泵作為主要熱源,氫氣鍋爐作為調(diào)峰設(shè)備;夏季,氫氣分布式能源與熱泵作為主要冷源。冬季和夏季,微電網(wǎng)向用戶供電。

圖6 零碳燃?xì)夥植际侥茉凑玖鞒?/p>

零碳燃?xì)夥植际侥茉词窃诘吞既細(xì)夥植际侥茉吹幕A(chǔ)上,引入氫氣進(jìn)行發(fā)電、供熱、供冷,實(shí)現(xiàn)碳排放量為零或?yàn)樨?fù)值。實(shí)現(xiàn)零碳燃?xì)夥植际侥茉粗饕揽恳韵?個(gè)方面的進(jìn)步。

① 氫能的發(fā)展

國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》,到2025年,基本掌握核心技術(shù)和制造工藝,每年可再生能源制氫量達(dá)到10×104～20×104t。到2030年,形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系,有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。到2035年,形成氫能多元應(yīng)用生態(tài),可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比例明顯提升[7]。氫氣供電、供冷、供熱的成本將接近天然氣分布式能源,這為實(shí)現(xiàn)零碳供能提供了基礎(chǔ)保障。預(yù)計(jì)到2060年,氫氣需求量增至1.303×108t,其中發(fā)電用氫氣為600×104t[8]。

② 燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)更新

目前國內(nèi)外相繼展開氫氣分布式能源的試驗(yàn)工作,氫氣分布式能源的應(yīng)用需經(jīng)歷兩個(gè)階段,第1階段是氫氣與天然氣摻混形成混合氣用于燃燒發(fā)電,逐步提高摻氫比例;第2階段是實(shí)現(xiàn)氫氣和天然氣的互換。目前國內(nèi)的氫氣分布式能源發(fā)展處于第1階段,國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣內(nèi)燃機(jī)摻氫比例(混合氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù))能夠達(dá)到30%,燃?xì)廨啓C(jī)摻氫比例能夠達(dá)到40%,根據(jù)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組制造商的技術(shù)更新速度,到2025年,燃?xì)廨啓C(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)純氫運(yùn)行,通過設(shè)備改造后燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)也可實(shí)現(xiàn)純氫運(yùn)行。

摻氫比例過高會對在役天然氣管道造成腐蝕,目前摻氫比例不超過20%[9],供氣管道和燃燒設(shè)備的適用性不能忽視。

③ 電力交易政策逐步完善

預(yù)計(jì)到2030年,電力交易政策將得到完善,微電網(wǎng)能夠與市政電網(wǎng)進(jìn)行電力交易和電費(fèi)結(jié)算。在滿足微電網(wǎng)自身電負(fù)荷前提下,微電網(wǎng)可向市政電網(wǎng)供電[10],結(jié)合電網(wǎng)峰谷平電價(jià),實(shí)現(xiàn)理想的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

7 結(jié)束語

燃?xì)夥植际侥茉词菍?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要方式之一。我國分布式能源經(jīng)歷3個(gè)階段:第1階段2010-2040年,傳統(tǒng)燃?xì)夥植际侥茉措A段,以天然氣分布式能源為主。第2階段2020-2050年,低碳燃?xì)夥植际侥茉措A段,以可再生能源和天然氣分布式能源為主。第3階段2030-2060年,零碳燃?xì)夥植际侥茉措A段,以氫氣分布式能源和可再生能源為主。中國區(qū)域發(fā)展不平衡,燃?xì)夥植际侥茉锤麟A段技術(shù)形式將長期共存。