分布式能源的燃气供应研究

李树海

(中石油昆仑燃气有限公司规划计划部，北京 100101)

分布式能源的燃气供应研究

李树海

(中石油昆仑燃气有限公司规划计划部，北京 100101)

阐述了分布式能源的相关概念，基于分布式能源的系统流程分析了一次能源需求特点和我国分布式能源的燃气供应前景，提出了燃气供应设施设计方案(涉及燃气供应的参数要求)，在分析分布式能源的燃气供应案例的基础上，从燃气公司对分布式能源的燃气供应和长输管道对分布式能源的燃气直供2个方面就如何更好的为分布式能源提供一次能源供应以及优化分布式能源供气方案进行了探讨。

分布式能源； 一次能源；燃气轮机；燃气供应

分布式能源也称冷热电联产系统(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)，是能源梯级利用的一种。分布式能源具有代表性的表述主要有2种：一是指单个用户的冷/热电联产系统，该系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式直接安装在用户端，可独立为单个用户输出冷/热电的系统；二是指区域化的冷/热电联产系统，它能满足多用户多种能源需求，实现能源的梯级利用，并能通过公用能源供应系统提供支持和补充，实现资源利用的最大化。

能源梯级利用是能源合理利用的一种方式，指能源按品位逐级加以利用，如高、中温蒸汽用来发电，低温余热用来向住宅供热。能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，能够有效地满足各用户的用能需要，并且不增加能源消耗，极大地提高了能源利用率，是节能的重要措施[1]。目前，分布式能源以其能源梯级利用、高环保性而受到投资人及政府监管部门的极大关注。分布式能源的一次能源需求量巨大，对燃气企业的燃气供应提出了不小的挑战。下面，笔者着重论述了分布式能源燃气供应的参数要求，并就如何更好的为分布式能源提供一次能源供应以及优化分布式能源供气方案进行了探讨。

1 分布式能源的燃气供应需求

1.1 分布式能源的系统流程

图1 生产冷热电能源的分布式能源系统流程图

图2 余热回收利用的分布式能源系统流程图

一次能源为天然气的分布式能源系统流程(见图1)为：原动机以天然气为燃料，产生电力，做功后的高温烟气进入烟气余热回收利用装置，用于供热或制冷；部分原动机还可以利用本体的散热，通过机体冷却水和外界换热，产生热水[2]。

在实际工程中，可根据用户的电负荷及冷/热负荷需求，确定分布式能源系统的冷/热电容量，并据此选择合适的原动机和余热回收装置。余热用于供热或者制冷或者同时供热制冷，取决于用户特点和用户需要。当利用原动机的余热产生的供冷/热量不能达到系统供冷/热容量要求时，可选用有补燃装置的余热回收装置，即直接利用天然气燃烧产生冷/热量作为补充。其流程如图2所示。

1.2 分布式能源的一次能源需求特点

基于前述系统流程，分布式能源对一次能源的需求大致如下：正常时，根据确定的冷、热、电容量反算需要的天然气供应量；当用户需求变化时，会相应形成用气不均匀[3]的特点。

分布式能源的原动机为燃气轮机，其对入口的压力稳定性要求较高，一般要求稳定在一个压力值附近。

1.3 我国分布式能源的燃气供应前景

2014年，全球天然气消费量约为3.39×1012m3。2014年全球天然气消费占全球一次能源消费总量的23.7%。美国是全球天然气消费量最大的国家，其2014年消费的天然气为7594×108m3，在全球中的占比达到22.7%。俄罗斯2014 年消费的天然气仅次于美国，占比达到12%。中国2014年的天然气消费量为1855×108m3，在全球中的占比为5.4%。2015年，美国天然气发电占总发电量的30%；而我国同期天然气发电占总发电量的4.71%。

图3 电力与天然气输配至用户的能效系统图

图4 传统能源利用效率与CCHP能源利用效率对比图

采用传统方式发电，由电力输配至用户的能效约为30%，而将燃气采用管道输配至用户的能效约为95%。电力与天然气输配至用户的能效系统图如图3所示。

传统电力能源利用效率为49%，而采用CCHP能源利用效率可达83%，传统能源利用效率与CCHP能源利用效率对比图如图4所示。

由此可见，无论从天然气消费占比，还是天然气发电占比，我国都还有较大的增长空间，因此分布式能源的燃气供应未来将有井喷式的增长。

2 燃气供应设施设计方案

1)根据分布式能源站天然气消耗量核算管输最大小时量，天然气消耗量最大小时量按机组装机容量考虑一定的系数。

2)根据分布式能源站燃气轮机进口压力确定天然气进入分布式能源站最低压力。

3)进行方案比选，从可行性、技术方案、工程投资等多角度比选后确定接气点、接气压力、输气量等。

4)根据明确的接气点、接气压力、输气量确定布站方式。首先确定是否在燃气轮机前设置稳压装置或加压装置。一般来气压力低于燃气轮机进口压力时，需设置加压装置；来气压力高于燃气轮机进口压力时，需根据情况决定是否上稳压装置；若不设置，则需保证进燃气轮机的压力稳定在燃气轮机需求范围内，此时对管输的要求较大，故一般都在燃气轮机前设置稳压装置。

5)确定输气管道设计压力[4]。根据前述工况计算输气管道管径并进行管径选型，再根据选型的管径采用水力计算软件(如SPS)反算末点(分布式能源站进站)压力。

6)根据输气管道压力和管径选择路由。路由要和规划结合，当路由与规划或规定冲突时，重新选择路由并重复步骤3)～5)。

7)根据确定的方案和路由进行设备选型和配套工程设计。

3 分布式能源的燃气供应案例

3.1 华电武清分布式能源燃气供应案例

根据天津华电武清燃气分布式能源站项目资料，该分布式能源站建设2套(1+1+1)联合循环供热机组，每套含1台PG9171E型燃气轮机发电机组、1台余热锅炉和1台蒸汽轮发电机组。2套装机容量约为360MW。分布式能源站供热负荷为190MW；空调制冷负荷为175MW；生活热水负荷为8MW[5]。

天然气消耗量如下：1台机组时耗气量4×104Nm3，每日按20h计算，日耗气量为80×104Nm3，年耗气量2×108Nm3；2台机组用量时耗气量8×104Nm3，日耗气量160×104Nm3，年耗气量4×108Nm3/a。

燃气供应来源于分布式能源站北侧约10km处的永唐秦管线，永唐秦管线为国家重点工程陕京二线的支线工程，中石油永唐秦管线设计压力10MPa。燃气轮机燃气进气压力要求为3.1MPa。在永唐秦管线武清分输站新增供气支路，设置计量调压装置，将压力调至3.6MPa出分输站，经14km管线至分布式能源站，在燃气轮机进气前设置稳压装置，将压力稳定在3.1MPa上下。

管线管径根据时耗气量(即小时高峰量)进行计算，到分布式能源站的压力按不低于3.3MPa进行考虑，最终管径选择为DN400(mm)。

据选择的管径采用水力计算软件(SPS)进行反算，分布式能源站进口压力为3.46MPa。

3.2 其他分布式能源燃气供应案例

某分布式能源站计划设置4台9F机组，装机容量约为720MW[6]。时耗气量16×104Nm3/h，拟从泰青威管线接气，建设专用供气管道约35km。

山东某分布式能源站计划从燃气门站接气建设输气管道至分布式能源站，输气管道长度约为17km，设计压力为4MPa，年耗气量约2×108Nm3/h。

河北某分布式能源站计划从燃气门站接气，接气压力为4MPa，输气管道长度约1km，年耗气量约为2×108Nm3/h。

4 分布式能源燃气供应方式

4.1 燃气公司对分布式能源的燃气供应

目前，部分分布式能源的燃气是由燃气公司供应的，燃气公司管网大部分为中压管网，部分有次高压管网，个别有高压管网。当采用中压管网或者次高压管网为分布式能源供应燃气时，需要在分布式能源站增加压缩机进行升压；当采用高压管网或敷设专供高压管道为分布式能源站进行供气时，应注意计算到达分布式能源站的压力是否能满足燃气轮机进口压力的要求。

燃气公司对分布式能源供应燃气有以下劣势：分布式能源燃气需求量一般较大，燃气公司难有保障；燃气公司一般气源压力不超过4MPa，大多数时候运行压力在3MPa左右，经过管道压降之后难以保证燃气轮机进口压力的要求；燃气公司一般会对燃气进行加臭，加臭后的燃气对燃气轮机燃烧不利，也对环境保护不利。

4.2 长输管道对分布式能源的燃气直供

长输管道气源有保障，压力高，可达10MPa甚至更高，敷设10MPa的管线至分布式能源站可以减小管径，节省投资。

分布式能源站一般都在城市规划区内，长输管道对分布式能源直供面临的主要问题是长输管道进规划区及区域内燃气企业潜在利益冲突问题。

输气管道工程设计规范提到，线路宜避开城乡规划区，当受条件限制，需要在城乡规划区通过时，应征得城乡规划主管部门的同意，并采取安全保护措施。

当长输管道进规划区报城乡规划主管部门时，经常会遇到城乡规划主管部门以无规划或以危险性较高为由给予否决。

5 结语

目前，分布式能源技术已经成熟，因其对能源的高效利用，具有较强的环保性，将进入高速发展期，带来的燃气供应也将进入高增长期。针对具体的工程，进行充分的方案比选和方案优化将为燃气供应企业带来丰厚的回报，也将会为社会带来巨大的环保效益。

[1]尹余生，王小伍.从全方位评价看发展分布式能源站的必要性[J].工业工程, 2008,11(1):15～18.

[2]殷平.冷热电三联供系统研究(9)：“煤改气”应首选燃气冷热电三联供系统[J].暖通空调, 2015，(3)：47～51.

[3]GB50028-2006，城镇燃气设计规范[S].

[4]GB50251-2015，输气管道工程设计规范[S].

[5]中国电力工程顾问集团东北电力设计院.天津华电武清燃气分布式能源站可行性研究报告[Z].2011.

[6]PG9171E型燃气轮机发电机组运行规程[S].

[编辑] 洪云飞

2016-07-27

国家科技重大专项(2008ZX05048-005)。

李树海(1968-)，男，政工师，现从事燃气输送规划计划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]李树海.分布式能源的燃气供应研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(31)：50～53.