天然气分布式多联供技术的应用研究

陈飞飞　郑立军　俞聪

摘  要：天然气分布式多联供技术具有能源利用效率高，能源供应类型多，污染物排放少，负荷响应快等优点。文章以某工业园区为例，对多联供系统的设计方法进行了研究。从系统的能源利用率、经济效益、环保效果等方面进行分析，结论显示天然气分布式多联供技术节能效果显著，经济效益可观，有利于环境保护。发展天然气分布式多联供技术，符合我国低碳经济的发展要求，具有推广意义。

关键词：低碳能源;分布式系统;多联供技术;效益分析

中图分类号：F426         文献标志码：A 文章编号：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

随着中国经济的快速增长，低碳经济的发展模式逐渐被政府和社会重视起来，提升社会整体的节能水准、降低单位能源碳排放量是行之有效的方式。在化石能源中，煤的碳强度最高，而天然气的碳强度则相对较低，因此使用天然气代替煤是一种切实有效的降低碳排放的措施，符合国家的政策要求。分布式多联供技术是在热电联产技术的基础上发展起来的一种能源供应技术，能够以小型化的机组实现向用户供冷、供热、供电，相比传统的分散供能方式，更易实现能源的梯级利用，极大提高能源的利用效率，符合国家低碳经济的发展目标，因此受到国家政策法规的鼓励推广应用。

2 分布式能源的国内外发展现状

目前美国已经拥有包括天然气多联供技术在内的各类分布式能源站6000余座[1]，根据统计2010年全美分布式能源总装机容量约为9.2×107kW，占美国年发电量的14%，其中天然气多联供系统占据着主导地位。根据美国政府的规划，预计到2020年将新增热电联产机组装机4×107kW，同时大力发展冷热电三联供技术，确保到2020年时有一半以上的商业建筑使用冷热电三联供技术，15%以上既有建筑改用冷热电三联供技术。在政策引导方面，美国政府确保公共电网必须为分布式用户提供用电保障，多余的电量可以按市场价格向电网出售，到2012年初，美国已有43个州及哥伦比亚特区和波多黎各实施双向计量净电表政策[2]，同时美国政府还有各种类型的税收减免及财政补贴政策。

德国目前约有7.5×107kW的分布式能源装机量[3]，根据德国政府提出的能源转型方案，到2050年将实现以可再生能源为主的能源供应系统，其中绝大部分属于可再生能源利用方式属于分布式能源范畴，2050年德国可再生能源占终端能源消费比重将上升至60%，可再生能源占电力总消费量比重将上升至80%。德国政府目前仍在为分布式能源提供各类补贴，同时德国政府从2011年开始提出要建设一个以分布式能源技术为基础的新型电网，这将有助于实现分布式能源消费占据德国能源消费的主体地位。

日本的分布式发电以热电联产和分布式光伏电站为主要组成部分，总装机容量约为3.6×107kW，占全国发电机装机容量13.4%[1]，其中天然气分布式能源的装机容量已超过5×106kW。日本政府规划在2030年前将分布式能源的发电量占比提高到20%以上，为此日本政府也推出了一系列的减免税收和财政补贴政策，并减免了1000kW规模以下机组的并网费用。特别是在福岛核电站危机发生后，日本的小型天然气多联供技术得到进一步的推广，随着日本改变依靠核能的能源战略，微型分布式能源将成为其重要的能源战略发展方向。

我国的分布式能源发展起步较晚，受制于天然气供应不足的问题，发展速度也比较缓慢，截止2015年，天然气发电装机规模为6603万千瓦，仅为火电装机量的13.6%。我们国家的分布式供能的市场潜力还是比较大的，据保守估计，仅用于宾馆、医院的燃气热电联供的市场容量就超过1000亿元，每年可节省1000万吨标准煤，减排二氧化碳约2500万吨[4]。为了适应低碳发展的要求，我国计划“十三五”期间实现天然气消费比重上升至10%，这为天然气分布式能源的发展提供了有力的政策引导。在能源供应方面，我国将继续扩大油气输配管路的里程数，大力兴建LNG供气站点，可以有效缓解天然气供应不足的问題，目前我国页岩气探明储量世界第一，这也为天然气分布式能源的持续发展提供了可靠的能源保障。

3 分布式能源的技术简介

3.1 天然气分布式多联供的主要特点

天然气分布式多联供技术是一种以燃气作为能源，可同时向用户提供蒸汽、热水、冷水和电力的新型能源供应技术。总的来说，天然气分布式能源技术具有以下特点：

（1）可实现能量的梯级利用，提高能源利用效率。

（2）天然气分布式多联供系统集成了数种能源供应方式，克服了单一能源供应系统不能兼顾的弊端，系统能够按需供应且可靠运行。

（3）天然气分布式多联供系统能够实现气网和电网的峰谷负荷互补。

（4）环境效益显著，经济效益明显。

3.2 天然气分布式多联供系统原理及类别

天然气分布式多联供系统能够利用天然气供应多种能源，根据使用的动力装置的不同，可将天然气分布式多联供系统分为：燃气轮机分布式多联供系统和内燃机分布式多联供系统，系统的具体组成包括原动机组、发电机、余热回收装置以及一系列辅助生产设备。

分布式多联供常用的燃气轮机发电效率约为20%～38%，机组发电容量在500～25000kW之间，可以提供250～650℃的烟气，烟气既可以供给余热锅炉产生蒸汽，又可以直接供烟气型溴化锂吸收式机组，利用完的烟气可以用来预热燃烧用的空气或者加热生活热，余热锅炉生产的蒸汽可以直接用来驱动蒸汽型溴化锂机组制备冷热水，也可以通过热交换器进行冬季供暖或者提供生活热水。燃气轮机分布式多联供系统示意图如下：

分布式多联供常用的内燃机发电效率约为25%～45%，容量在2～10000kW之间，可以提供400～600℃的烟气、80～110℃的缸套水和40～65℃的润滑油冷却水，烟气可以直接用来驱动烟气型溴化锂吸收式机组制备冷热水，或者通过热交换器制备高温热水，再由热水驱动热水型溴化锂吸收式机组制备冷热水，内燃机产生的缸套水和润滑油冷却水直接通过热交换器与用热介质进行热交换，系统适合冷热电负荷较小的用户使用。内燃机分布式多聯供系统示意图如下：

无论是燃气轮机分布式系统还是内燃机分布式系统，其生产的电力都直接供用户使用，电能不足的部分可以从市网购买，系统的供电可靠性很高。当吸收式机组的制冷能力不能满足用户需求时，系统还可以加装电驱动压缩式机组，保障用户供冷需求。

4 分布式能源在工业园区的应用

天然气分布式多联供系统应用范围较广，可以在大型商场、商业中心、大学校园、宾馆、医院、大型交通枢纽、数据中心、工业园区、产业园区、偏远居住区等各类型场所使用。本节以江苏某工业园区为例，对园区的多联供可行性进行分析，并给出相应的系统设计方案。

4.1 工业园区多联供可行性分析

（1）采用集中区域供冷，可节约单元式空调机组的能耗，供冷水出口水温一般在7℃左右，满足绝大部分用户的冷负荷需求。经调研分析，工业园区内居住生活建筑、办公场所、生产辅助场所等有稳定的供冷负荷需求。（2）集中供暖适合有大面积稳定采暖需求的地区，可提供燃料利用效率，降低大气污染，增加经济效益。经调研，当地冬季供暖平均温度-1℃左右，符合集中供暖的需求。园区内的居住生活建筑和办公场所存在冬季供暖的热负荷需求，目前使用单元式空调热泵机组实现供暖。（3）集中供应生活热水，可以节省热水生产设备的初投资，方便运行维护，有余热可供利用的情况下，经济效益显著。园区内建有多个公共浴室，在浴室实际经营中均采取外购热水的方式提供洗澡用水。（4）集中供应蒸汽，可以使设备的燃料使用效率提高，降低单位蒸汽耗量初投资，有利于提升企业的经济效益。园区内有部分企业生产工艺需要用到蒸汽，因为园区内暂时还没有统一的蒸汽供应来源，所以现阶段都采用电锅炉制备蒸汽的方式运行。（5）发电机孤网运行的方式，适合远离市网的地区使用，但对用电负荷稳定性有一定的要求，并网运行的方式可以克服用电负荷需求不稳的情况，多余电力并入市网，不足部分由电网补充，可能充分发挥机组的调峰作用。目前园区已经接入了市网，由国家电网提供电源保障。（6）多联供系统要求外部存在稳定的冷热负荷，电力负荷与冷热负荷的使用规律要匹配，系统整体的能源利用效率宜达到70%以上，机组的发电容量也宜控制在15MW以下，全年运转时间控制在3500小时以上。经调研，园区内办公区域、居住建筑入住率较高，使用蒸汽的设备开工率也较高，冷热电汽负荷均有可观的规模。（7）多联供系统并网运行时需要靠近供电区域的主配电室，机组需要充足稳定的天然气，系统应该选在靠近负荷中心的区域，合理控制供能半径，减少输送能耗和不必要的损失。经调研，园区的主配电室位于园区中心位置，主配电室附件也有足够的地方新建多联供机组，且大部分用能单位均在选址区域的合理半径内，园区已经接入了市政燃气管道，气源有可靠保障。

4.2 系统设计方法

针对以上的调研可知，推荐分布式多联供能源站的配置如下：（1）动力系统可以采用燃气轮机+内燃机的方式，燃气轮机负责基本负荷，内燃机负荷峰值负荷和低谷负荷，燃气轮机为5000kW，内燃机为400kW。（2）烟气采用余热锅炉回收烟气的废热，余热锅炉利用后的烟气可以通过烟气热交换器制备热水，多余的烟气则排空，余热锅炉蒸发量为4000kW，烟气热交换器为300kW换热量。（3）余热锅炉产生的蒸汽在夏季驱动蒸汽型溴化锂吸收式机组制冷，其余时间则向园区用户提供蒸汽，蒸汽型溴化锂机组制冷量为4500kW。（4）内燃机的缸套水和润滑油冷却水可以通过热交换器制备热水，多余热量通过冷却装置排出，余热水热交换器为100kW。（5）机组发出的电能供园区使用，园区用电负荷较大，完全能够消化机组提供的电力，不足的部分由市网提供。

系统的流程图如下：

5 效益分析

上节分析了某工业园区的负荷特点，针对性的设计了一套天然气分布式多联供系统，下面将从能源消耗、运行费用、环境和社会效益等三个方面对分布式多联供系统进行综合评价。

5.1 节能分析

分布式多联供系统燃气轮机作为基本负荷，每天运行10个小时，一年开机260天，内燃机作为调峰负荷，夏季和冬季各开启60天，每天运行6个小时，同时冬季晚上作为值班供暖运行18小时，蒸汽进行制冷110天，其余时间供应蒸汽，生活热水全年260天均需要使用，两个热交换器平均每天当量满负荷运行时间为4小时。

表1中分布式多联供系统燃气轮机效率按40%，内燃机效率按45%;单独供能系统供应热水和蒸汽按热效率90%计算，冷水由电压缩机组提供，电能按相应系数折算成一次能源消耗。由上表可知采用分布式多联供系统，相比传统的方式，全年可节省大约33%的能耗，节能效果显著。

5.2 节约运行费用分析

独立供能系统的热水和蒸汽采用燃煤制备，冷水消耗电力获得，如果按天然气3元/m3，标煤600元/t、电费1.0元/kW·h来计算，在提供同等电力的情况下，独立供能系统总计能源费用约为1437万元，分布式多联供系統能源费用约1026万元，每年可节省四百余万能源费用。此外，分布式多联供系统相比分散式独立供能系统而言，易于运行管理，系统维护难度低，维护效果好，还能省下一笔可观的运行维护成本。

5.3 环境和社会效益

使用天然气作为燃料，不会排放烟尘，空气质量不会受到影响，不会排放二氧化硫、氮氧化物，对大气环境没有不良影响，系统每年能减排二氧化硫147吨，氮氧化物43吨，减少烟尘排放至少30多吨。同时，系统能够对电网起到一定程度的削峰作用，减少火电机组的装机容量，有利于引导资本投放到更有意义的领域;减少因用电高峰时负荷波动对电网产生的冲击，提高电网输送效率;火电机组装机容量的减少可以提高现有发电机组的负荷率，发电机组的年运行小时数得到保障，机组效率较高，单位发电能耗降低，进一步减少了污染物的排放。

6 结论

天然气分布式多联供技术符合国家的低碳经济发展要求，有着明显的社会效益和可观的经济收益。天然气碳排放强度低，几乎不排放硫化物和氮氧化物，有利于减少酸雨和光化学污染，同时零粉尘排放的特性，切合了现今社会的环保要求，对减少雾霭有积极作用。系统能够进行能源的梯级利用，以文中某工业园区为例，相比传统方式降低能耗33%，每年可节约能源费用四百余万元。在国家政策的引导下，相信天然气分布式多联供技术会在我国得到长足的发展。

参考文献：

[1]冉娜.国内外分布式能源系统发展现状研究[J].经济论坛，2013（10）：174-176.

[2]蒋惠琴.美国分布式能源发展及政策分析[J].科技管理研究，2014（12）：19-22.

[3]许争.发展分布式能源还需政策支撑——专访中国资源综合利用协会可再生能源专委会秘书长李俊峰[N].亮报，2013-04-08.

[4]金东寒.中国分布式能源发展现状及展望[J].环球市场信息导报，2014（5）：58-62.