港区天然气分布式能源系统集成优化技术研究

顾明+杜伟+刘磊磊

摘要：探讨了分布式能源系统国内外研究现状，根据分布式能源系统的特点，研究了3种天然气冷热电联供系统配置方案。基于中小型或者小型燃气轮机的三联供系统，分别对燃气轮机+直燃溴化锂吸收式空调机组方案、燃气轮机+余热锅炉+蒸汽溴化锂吸收式空调机组方案、燃气-蒸汽轮机联合循环+吸收式制冷机组方案进行了集成研究与分析。

关键词：分布式能源系统；配置方案；三联供系统

中图分类号：TM611

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0068-02

1 引言

分布式能源系统，是一种建立在冷热电联产技术基础上，实现能源需求侧能源梯级利用的能源设施。通过对能源需求侧进行合理分配能源等级，减小能源输送环节损耗，实现能源利用率最大化，其主导思想是“高能高用、低能低用，温度对口、梯级利用”。

天然气分布式能源系统是将小型发电系统分散地布置在用户周边，逐级利用天然气燃烧后产生的不同温度热量的烟气，分别在独立区域提供冷、热、电等多种终端能源，实现天然气的梯级、高效利用。王雁凌[1]通过建立了适用于天然气分布式能源站的综合价值分析模型，从自身、电力系统、用户、社会环境4个方面展开对天然气分布式能源站的价值分析研究，量化其综合价值水平，并通过算例验证综合价值模型的实用性和有效性。

2 国内外研究现状

2.1 国外应用现状

国外分布式能源系统在20世纪70年代就已开始发展，并得到了广泛的应用。美国能源部指出，2020年之前，美国50%的新建商业建筑、学校采用分布式能源系统，15%的已建商业建筑、学校采用分布式能源系统。

截止到2008年，欧盟27国的冷热电联供系统装机容量为100.2 GW，全年发电量为370.1 TW·h，占总发电量的11.0%，其中丹麦联供系统发电量占全国发电量最高（46.1%），而德国联供系统的装机容量是最高的，占欧盟总容量的21.9%。截止到2010年3月，日本冷热电联供项目总数已达8444个，装机容量达9440 MW，占电力总装机容量的近3.4%。与美国、欧盟相比，日本的联供系统主要以小型化为主，平均规模约1.1 MV，75%联供项目被应用在商业领域，包括医院、学校、商业建筑等公共设施。

2.2 国内应用现状

国家发改委在2011年下发的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中指出，天然气分布式能源在国际上发展迅速，但我国天然气分布式能源尚处于起步阶段。推动天然气分布式能源，具有重要的现实意义和战略意义。目前，我国天然气供应日趋增加，智能电网建设步伐加快，专业化服务公司方兴未艾，天然气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件。

我国首例公共建筑实施分布式供能系统是上海黄浦区中心医院冷热电联供系统，由于实际运行的情况与设计工况存在较大的差异，导致能源生产力过剩，运行成本高，现已处于停用整改状态。

广州大学城分布式能源站项目利用广东液化天然气项目的天然气资源，采用燃气一蒸汽联合循环作为动力源進行发电，同时乏汽通过管道送往大型制冷站进行区域供冷，系统综合热效率达80.9%，目前项目运行良好。北京次渠调压站三联供能源中心和燃气调度指挥大楼能源中心两个示范性项目，由于是参照常规暖通空调设计指标，导致设备容量配置过大，引起项目初投资高，投资回收年限超出项目可行性限制。

从现有国内项目案例看出，天然气冷热电联供项目对系统资源配置和运行优化具有较高的技术要求，才能充分发挥出天然气冷热电联供系统能源利用率高、清洁环保等优点。随着我国对能源环境问题日益关注，冷热电联供系统将具有广阔的发展前景，因此冷热电联供系统的合理配置和优化显得至关重要。

3 天然气冷热电联供系统配置方案

天然气分布式能源系统主要包括：发电设备系统（汽轮机、燃气内燃机、燃气轮机及配套的发电机），供热和制冷系统（余热锅炉、汽—水换热器、电制冷机、溴化锂吸收式冷热水机等），中央控制系统，冷热调节装置及与其配套的热力管网[2]，见图1。

天然气分布式能源系统的主要特点为能源利用率高、清洁环保。有关统计资料显示：每使用1万m3天然气，可减少消耗标煤12.7 t，减排二氧化碳33 t。三联供系统（Combined Cooling Heating and Power）是分布式能源系统中的典型代表，系统灵活、投资小、能量损耗低，成为未来分布式供能系统的发展趋势[3]。

天然气冷热电联供系统的尾气主要有两种处理方式：一种是利用高温烟气的热量进行二次换热，将热水或蒸汽输送至制冷机组中制冷；另一种是直接将高温烟气输送至烟气型制冷机组制冷，这种方式减少了中间二次换热过程。下面重点阐述其具体形式。

3.1 燃气轮机+直燃溴化锂吸收式空调机组方案

天然气在动力装置中燃烧后，产生的烟气温度通常达到400℃，且含氧量高。溴化锂制冷机组可以直接利用排气的热量进行制冷，或者将排气作为助燃空气和燃气一起进行二次燃烧，热回收效率达90%以上，具体流程如图2所示。

该系统方案由于减少了余热锅炉和蒸汽排泄系统等设备，提高了机组运行效率，制冷系数可达到1.27以上；在燃气轮机停止运行或没有足够热量的高温排气时，燃气可直接补燃溴化锂吸收式制冷机组，直燃运行。这种机组方案在燃气轮机电厂或自备电站的改造中应用比较广泛。

3.2 燃气轮机+余热锅炉+蒸汽溴化锂吸收式空调机组方案

燃气轮机发电后，烟气通常还具有较高的热量，如果直接排入大气中，不仅造成能量的浪费，也造成了环境污染。通常利用余热锅炉将这部分烟气回收利用，转换成蒸汽。冬季利用热交换器进行供暖，夏季则利用溴化锂吸收式制冷机组进行制冷。为了保障系统能够正常运行，通常另设置一台小型燃气备用锅炉，当燃气轮机排气的热量不足以满足供暖制冷负荷时，备用燃气锅炉燃烧燃料以供系统使用，其工艺流程如图3所示。

溴化锂制冷机组充分利用燃气轮机的乏汽余热进行制冷，提高了系统的能源综合利用率；系统综合制冷系数可达1.30，且制冷负荷能够灵活调节，能够合理匹配各类建筑物的不同负荷需求。同时溴化锂制冷机组产生的冷量能够冷却燃气轮机的进气。

3.3 燃气-蒸汽轮机联合循环+吸收式制冷机组方案

燃气轮机发电后产生的高温烟气，通过余热锅炉进行回收利用，转换为蒸汽，当这部分的蒸汽热量较高时，利用蒸汽轮机进行发电，发电后部分的乏汽或抽气，热量相对于燃气轮机的乏汽大大减小，一部分用于制冷机组制冷，一部分利用热交换器进行热水供暖，或者直接利用乏汽进行提供蒸汽负荷。系统流程如图4所示。

4 结语

本文主要针对中小型或者小型燃气轮机的三联供系统，研究了3种天然气冷热电联供系统配置方案，对不同方案的特点进行了分析。

参考文献：

[1]王雁凌，李 蓓，崔 航，等.天然气分布式能源站综合价值分析[J].电力系统自动化， 2016， 40（1）：136～142.

[2]何 忠. 天然气分布式能源系统的应用及探讨[J]. 能源与环境， 2011（4）： 11～16.

[3]马永贵， 钟史明. 发展小型分散热电联产的研究与探讨[J]. 能源工程， 2003（2）： 6～9.

[4]王雁凌，李 蓓，崔 航.天然气分布式能源综合站综合价值分析[J].电力系统自动化，2016（1）.

[5]刘满平.我国天然气分布能源发展制约因素及对策探讨[J].中外能源，2014（1）.

[6]王振铭.我国天然气分布式能源站的发展与建议[J].热电技术，2011（3）.

[7]冯江华.在中国发展天然气分布式能源的战略意义[J].城市燃气，2011（8）.