胡 瑛 湯 羹

上海市天然氣分布式供能技術(shù)簡介

胡 瑛 湯 羹

天然氣是世界主要的清潔能源之一，近年來，我國天然氣開發(fā)利用步伐明顯加快，天然氣的開發(fā)利用正在引領(lǐng)著我國能源結(jié)構(gòu)的變革。隨著技術(shù)發(fā)展，天然氣已從傳統(tǒng)燃料向分布式供能領(lǐng)域拓展，分布式供能系統(tǒng)已成為我國能源發(fā)展高效化、清潔化、低碳化的重要實現(xiàn)手段。

分布式供能系統(tǒng)，是指將燃料同時轉(zhuǎn)換成三種產(chǎn)品：電力、熱或蒸汽以及冷水。具體就是將小型化、模塊化的發(fā)電系統(tǒng)布置在用戶附近，利用城市管道天然氣為燃料發(fā)電供用戶使用，同時把發(fā)電過程中發(fā)電機組產(chǎn)生的冷卻水和排氣中的余熱用熱交換器回收生產(chǎn)熱水或蒸汽供用戶采暖、洗浴或制冷。通過對一次能源的多級利用，能源總利用率可達(dá)80%以上，節(jié)能效果明顯。同時還具備環(huán)保、建設(shè)周期短、回收快、保證用電可靠性等優(yōu)點。

分布式供能系統(tǒng)和傳統(tǒng)的供能方式相比，具有很高的綜合能源利用率，優(yōu)異的節(jié)能特性；能為用戶提供獨立的供電電源，避免因公用電網(wǎng)缺電停電對用戶造成的影響，解決用戶的用電安全問題；采用清潔的天然氣發(fā)電，可大大降低污染氣體和溫室氣體的排放，有很強的環(huán)保效應(yīng)。

1 背景

1.1 上海市天然氣氣源情況

截止2015年底，上海市已構(gòu)建了特大型城市發(fā)展需要的天然氣綜合保障供應(yīng)體系，形成東氣、西氣（一線、二線）、進口液化天然氣（LNG）、川氣等多氣源供應(yīng)格局，2015年天然氣供應(yīng)規(guī)模達(dá)74.3億m3，滿足上海城市民用用戶、大工業(yè)用戶及燃?xì)怆姀S等各種用戶的供氣需求?！笆濉逼陂g，上海加快完成了LNG接收站建設(shè)工程及LNG應(yīng)急儲備站的擴建工程，加大進口LNG的采購及儲備，使得天然氣供應(yīng)由階段性緊缺轉(zhuǎn)為階段性富裕，為上海在環(huán)境治理、減少顆粒物排放做了充足的準(zhǔn)備。

1.2 天然氣的環(huán)保效益

天然氣素有綠色能源之稱，具有經(jīng)濟高效、節(jié)能環(huán)保、靈活方便、安全可靠等優(yōu)點，從而成為全球能源市場發(fā)展最快的燃料，也將發(fā)展成為我國未來清潔能源增量的主體之一。

以天然氣為能源有利于保護環(huán)境，可減少溫室氣體排放。天然氣中氮、硫含量低，與柴油、汽油相比，硫化物排放基本為零，顆粒物排放接近零，氮化物減少80～90%，炭排放減少22%，表1分析了天然氣作為替代能源的溫室氣體減排量。其次，在發(fā)生泄漏的情況下，天然氣會迅速汽化擴散，不會對土壤或水體造成污染。

表1 天然氣能源CO2減排量

2 分布式供能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)介紹

天然氣分布式供能系統(tǒng)是指小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可將燃料同時轉(zhuǎn)化成電力、熱水或蒸汽以及冷水的高效能源供應(yīng)系統(tǒng)。

天然氣分布式供能系統(tǒng)通過冷、熱、電三聯(lián)供的方式，采用能量梯級利用原理，燃料燃燒后發(fā)電，再利用發(fā)電余熱供熱、供冷，實現(xiàn)能源從高品位到低品位的優(yōu)化利用，系統(tǒng)貼近用戶，可以實現(xiàn)就近供能。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)備及應(yīng)用

典型的天然氣分布式供能系統(tǒng)一般包括：動力設(shè)備、余熱利用設(shè)備、控制系統(tǒng)等。動力設(shè)備主要包括：燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機和微燃機等，不同動力機組的性能對比如表2所示。主要余熱利用設(shè)備包括：余熱鍋爐、預(yù)熱吸收式冷溫水機組、換熱器等。燃?xì)廨啓C系統(tǒng)及燃?xì)鈨?nèi)燃機系統(tǒng)的組成如圖1所示。

分布式供能系統(tǒng)主要適用于賓館、酒店、醫(yī)院、工廠、集中商業(yè)中心、工業(yè)園區(qū)等有穩(wěn)定冷、熱、電負(fù)荷需求的單位或區(qū)域。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

分布式供能系統(tǒng)能源綜合利用率高，具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟性高、安全可靠等優(yōu)點。

表2 動力設(shè)備性能對比

圖1 系統(tǒng)組成圖

1）節(jié)能減排

分布式供能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級利用，根據(jù)燃料燃燒后不同溫度時做功能力的不同，產(chǎn)生不同品位的能量，分布式供能系統(tǒng)能源總利用率可達(dá)75～90% 。分布式供能系統(tǒng)的節(jié)能率達(dá)20%以上，溫室氣體減排率達(dá)40%以上。

2）經(jīng)濟可行

分布式供能系統(tǒng)消耗1 m3天然氣可產(chǎn)生3～4 kW電能和4～6 kW的熱（冷）量。滿足用戶同樣的能源需求，與傳統(tǒng)的供能方式相比，分布式供能系統(tǒng)所消耗的一次能源更少。

3）能源安全

分布式供能系統(tǒng)貼近用戶、運行靈活，不但可以大幅度降低能源輸送的損失和成本，并且可以作為大電網(wǎng)的有效補充，降低電力需求負(fù)荷對大電網(wǎng)的影響以及天然氣需求負(fù)荷對城市氣網(wǎng)的影響，保障能源網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4）“削”峰“填”谷

分布式供能系統(tǒng)對燃?xì)夂碗娏τ须p重“削”峰“填”谷作用。主要體現(xiàn)在兩方面。一是體現(xiàn)在天然氣和電力的季節(jié)峰谷差。電力高峰出現(xiàn)在夏季，燃?xì)庑枨蟾叻迤谠诙?。分布式供能系統(tǒng)可在夏季利用天然氣發(fā)電、供冷，在增加電力供給的同時減少電力制冷設(shè)備的電負(fù)荷，不僅可以降低電網(wǎng)的供電壓力，也可增加天然氣消費，緩解夏季燃?xì)膺^剩的問題。二是體現(xiàn)在晝夜電力峰谷。天然氣分布式供能系統(tǒng)運行靈活，啟停方便等特點。系統(tǒng)可在白天發(fā)電緩解供電壓力，夜間少發(fā)電或不發(fā)電，為電網(wǎng)“削”峰“填”谷，也可通過電網(wǎng)峰谷電價獲得經(jīng)濟效益。

5）布置靈活

分布式供能系統(tǒng)配置靈活，體量小，可布置在地下室和屋頂，大幅度減少了城市能源系統(tǒng)的土地占用。

3 分布式供能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

上海是國內(nèi)最早發(fā)展分布式供能系統(tǒng)的城市之一，建成了一批極具代表性的項目，總結(jié)其發(fā)展歷程，分為3個階段。

3.1 探索期（2004年前）

項目數(shù)量較少、規(guī)模有限，系統(tǒng)設(shè)計及運行管理均出于摸索階段。

3.2 過渡期（2005～2010年）

總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計，選型注重與冷熱電需求匹配，采用中小功率原動機，拓展賓館、學(xué)校和工業(yè)等類型用戶，該階段引入了政府補貼和優(yōu)惠氣價，發(fā)展逐漸走向正軌。

3.3 成熟期（2011～2015年）

設(shè)計成熟，供氣穩(wěn)定，項目向區(qū)域型、規(guī)?；l(fā)展，涌現(xiàn)了虹橋、世博和莘莊等一批大型區(qū)域集中供能項目，以及上汽大眾、迪士尼等特大型工、商業(yè)項目。

2016年以來，天然氣分布式供能項目仍在不斷發(fā)展壯大，并繼續(xù)重點發(fā)展區(qū)域型、規(guī)?；膱@區(qū)及大型單體用戶（如西虹橋區(qū)域能源站和騰訊數(shù)據(jù)中心），通過大型項目引領(lǐng)，帶動系統(tǒng)數(shù)量和用氣量的同步增長，更大程度地發(fā)揮高效節(jié)能及環(huán)保減排的作用。

表3為個發(fā)展階段的典型項目。

4 分布式供能系統(tǒng)典型案例

表3 各發(fā)展階段的典型項目

實施分布式供能系統(tǒng)不僅可為用戶減少能源支出、獲得較好的經(jīng)濟效益，還能提高企業(yè)節(jié)能減排的社會效益。分布式供能系統(tǒng)在進行設(shè)計時，最重要的是系統(tǒng)的熱、電負(fù)荷是否與用戶的實際用能負(fù)荷相匹配，達(dá)到熱電平衡。針對不同用戶的用能方式，系統(tǒng)具有不同的配置及運行效果，以下對3類典型用戶及其配置進行介紹。

（1）大型工業(yè)企業(yè)

工業(yè)企業(yè)的用能負(fù)荷較為穩(wěn)定，全年波動性較小，一般工廠的用電量較高，且有穩(wěn)定的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、蒸汽需求，適合采用分布式供能系統(tǒng)。進行系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)工廠實際的用能情況，確定熱電平衡的設(shè)計原則。

以某制造業(yè)工廠為例，工廠常年有較大電負(fù)荷及較穩(wěn)定的蒸汽負(fù)荷需求，根據(jù)工廠逐時用能負(fù)荷情況分析，采用“滿足常用電力負(fù)荷及部分蒸汽負(fù)荷，以熱定電，熱電平衡”的設(shè)計原則，系統(tǒng)配置4臺6.7 MW燃?xì)廨啓C和4臺余熱鍋爐，發(fā)電自用，全年蒸汽供熱，項目年節(jié)約標(biāo)煤約1.6萬t/a，二氧化碳減排量約5萬t/a，為工業(yè)企業(yè)高效供能改造樹立了典范。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)詳見表4所示。

（2）大型商業(yè)園區(qū)

商業(yè)園區(qū)分布式供能系統(tǒng)通常采用區(qū)域能源中心形式，向區(qū)域范圍內(nèi)的用戶供能。一般商業(yè)園區(qū)用戶有大量電負(fù)荷、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷及生活熱水需求，但用能負(fù)荷隨季節(jié)有一定的波動性。進行系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)商業(yè)園區(qū)實際的用能情況，確定熱電平衡的設(shè)計原則。

表4 工業(yè)企業(yè)分布式供能系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

以某商業(yè)園區(qū)為例，園區(qū)設(shè)置集中式能源中心集中供應(yīng)冷、熱和電力。系統(tǒng)配置5臺4 400 kW燃?xì)鈨?nèi)燃機及煙氣熱水型溴化鋰機組，機組24 h運行，發(fā)電量除能源中心設(shè)備自用外，其余全部上網(wǎng)，吸收式機組同時供冷水與熱水。系統(tǒng)一次能源綜合利用效率可高達(dá)80%以上，節(jié)能效果明顯，運行經(jīng)濟性較好，同時分布式供能系統(tǒng)可以保證園區(qū)內(nèi)運營期間不斷電，加強地區(qū)供電的可靠性。

表5為園區(qū)分布式供能系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。

表5 商業(yè)園區(qū)分布式供能系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

（3）綜合性醫(yī)院

綜合性醫(yī)院的用能負(fù)荷較為復(fù)雜，季節(jié)性變化大，一般醫(yī)院的負(fù)荷變化分為3種工況，分別為冬季工況、過渡季工況和夏季工況。冬季的用能需求為電負(fù)荷、采暖負(fù)荷及熱水負(fù)荷；夏季的用能需求為電負(fù)荷、制冷負(fù)荷及熱水負(fù)荷；過渡季可根據(jù)在冷熱負(fù)荷的需求選擇冬季工況或夏季工況。進行系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)醫(yī)院的實際用能情況，采用熱電平衡的設(shè)計原則。

以某綜合性醫(yī)院為例，因其冷熱能耗存在季節(jié)和逐時波動，夏季和冬季的熱負(fù)荷需求較大，過渡季的熱負(fù)荷需求較小，為提高系統(tǒng)用能效率，分布式供能系統(tǒng)配置機組的規(guī)格不宜過大。系統(tǒng)配置2臺232 kW燃?xì)鈨?nèi)燃機，1臺燃?xì)饪照{(diào)和多臺熱交換器，滿足醫(yī)院部分電熱電負(fù)荷，系統(tǒng)節(jié)能率可達(dá)23%，二氧化碳減排量超過45%。

表6為醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)。

表6 醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語

隨著我國對環(huán)境保護要求的提高以及天然氣能源利用技術(shù)水平的提高，天然氣分布式供能系統(tǒng)作為清潔能源高效利用的途徑，將成為實現(xiàn)能源領(lǐng)域低碳、環(huán)保的重要手段。

發(fā)展天然氣分布式供能系統(tǒng)，為實現(xiàn)我國短期內(nèi)大幅度降低能源消耗，減少環(huán)境污染，加強能源安全，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)起到積極作用，是我國實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路，是解決我國能源與環(huán)境問題宏偉目標(biāo)實現(xiàn)的重要技術(shù)途徑。

通過上述案例的介紹，可以得知分布式供能系統(tǒng)的設(shè)計重點在于根據(jù)用戶的實際用能需求，進行分布式供能系統(tǒng)機組的匹配，實現(xiàn)系統(tǒng)的熱電平衡，提高系統(tǒng)用能效率，達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟效益及環(huán)保效益。分布式供能系統(tǒng)涉及較多設(shè)備機組的匹配，還包含工藝、配電、控制等系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計工作較為復(fù)雜，因此需要根據(jù)項目的實際情況進行機組配型及系統(tǒng)設(shè)計。

Brief Introduction on Shanghai Natural Gas Distributed Energy Supply Technology

Hu Ying, Tang Geng