郭立軍

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了天然氣分布式能源系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用，以提高天然氣能源的綜合利用，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)天然氣分布式能源做了分析。

關(guān)鍵詞：天然氣分布式能源 應(yīng)用分析

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)天然氣供給能力迅速增強(qiáng)，天然氣供給多渠道供應(yīng)：一是國(guó)內(nèi)氣田開采，二是國(guó)內(nèi)煤層氣開采、三是國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開采、四是國(guó)外管道氣進(jìn)口，五是國(guó)外液化天然氣進(jìn)口。為未來(lái)天然氣充足供應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。加快非煤能源發(fā)展、努力降低煤炭占一次能源的比例，是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。

天然氣是公認(rèn)清潔能源，燃燒排放的二氧化硫、硝基化合物等污染物幾乎為零，改善空氣質(zhì)量，提升居民生活品質(zhì)。天然氣分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供能源綜合能源利用率可達(dá)70%以上，遠(yuǎn)高于燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)電和超臨界燃煤純凝機(jī)組的能源利用率。

下面就天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

當(dāng)前綠色節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念里，對(duì)于一個(gè)區(qū)域的供能方式已經(jīng)相比傳統(tǒng)發(fā)生了較大的變化，根據(jù)各種用能單位的不同需求情況，采用組合能源系統(tǒng)形式進(jìn)行供能，以適宜不同功能區(qū)域的用能特點(diǎn)，充分發(fā)揮每一種能源供應(yīng)方式的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)分布式能源系統(tǒng)，我們采用以下設(shè)計(jì)原則：

①綠色低碳原則。分布式能源系統(tǒng)定位是保證用能單位內(nèi)部的低碳實(shí)現(xiàn)。因此，能源系統(tǒng)需選用能源效率高、CO2和NOx排放低的環(huán)境友好型系統(tǒng)和設(shè)備。

②平穩(wěn)用電原則。傳統(tǒng)采用電空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)電力負(fù)荷是通常用電負(fù)荷的兩到三倍；因此，采用分布式能源系統(tǒng)提供自用電，減少市電的容量申請(qǐng)。

③智能供能原則。區(qū)域供能可通過(guò)采用先進(jìn)高效的供能技術(shù)，利用區(qū)域內(nèi)不同用能規(guī)律的互補(bǔ)性，實(shí)現(xiàn)用能智能調(diào)度，降低供能系統(tǒng)投資和土地占用，提高能源利用效率。

④分布式能源系統(tǒng)站為核心原則。分布式能源系統(tǒng)站是多個(gè)分布式能源系統(tǒng)形成智能電網(wǎng)，相對(duì)傳統(tǒng)的單獨(dú)供能方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a經(jīng)濟(jì)性。若要滿足用戶3.5度電和0.1噸熱水的需求，采用分布式能源需要消耗1立方天然氣，采用電網(wǎng)供電和鍋爐供熱時(shí)，需要購(gòu)電3.5度和消耗0.55立方天然氣。

b安全性。分布式能源系統(tǒng)具有備用電源的功能，可與大電網(wǎng)構(gòu)成電力智能補(bǔ)充，改善供電系統(tǒng)的安全性，在意外災(zāi)害、市電故障、電力檢修等情況下，為用戶提供獨(dú)立、安全可靠地電力供應(yīng)，對(duì)于醫(yī)院、高等級(jí)賓館和重要政府部門等用戶，尤其需要。

c節(jié)能性。與傳統(tǒng)的單獨(dú)供能方式相比，要滿足用戶同樣的能源需求，分布式能源系統(tǒng)所消耗的一次能源更少。

以供熱工況為例，用戶需要的電力為35能源單位，熱量為50能源單位，當(dāng)采用分布式能源系統(tǒng)為用戶供能時(shí)，一次能源輸入為100能源單位；當(dāng)采用電網(wǎng)、鍋爐單獨(dú)為用戶供能時(shí)，一次能源輸入為155.5能源單位，因此，分布式能源系統(tǒng)比傳統(tǒng)單獨(dú)供能節(jié)約55.5能源單位，節(jié)能約35%。

d環(huán)保性。與傳統(tǒng)的單獨(dú)供能方式相比，要滿足用戶同樣的能源需求，分布式能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的CO2更少，同樣為用戶提供1kWh電和1.2kWh熱，采用天然氣分布式能源系統(tǒng)排放的CO2為560克，采用電網(wǎng)和燃?xì)忮仩t供能排放的CO2為1147克，因此，天然氣分布式能源系統(tǒng)大大減少了溫室氣體排放。

e燃?xì)夂碗娏﹄p重“削峰填谷”。分布式能源系統(tǒng)對(duì)燃?xì)夂碗娏τ须p重削峰填谷作用。一般而言，電力高峰和燃?xì)獾凸韧瑫r(shí)出現(xiàn)在夏季，采用分布式能源系統(tǒng)后，燃燒天然氣發(fā)電和制冷，增加夏季的燃?xì)馐褂昧?，減少夏季電空調(diào)的電負(fù)荷，同時(shí)降低區(qū)域電網(wǎng)的供電壓力。

2 系統(tǒng)工作原理

天然氣冷熱電聯(lián)供能源的生產(chǎn)流程：天然氣經(jīng)過(guò)氣輪機(jī)組燃燒發(fā)電后，利用余熱鍋爐、煙氣型換熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)等回收機(jī)組排煙熱量用于供熱、制冷、發(fā)電，實(shí)現(xiàn)熱電冷三聯(lián)供，同時(shí)還可回收燃?xì)鈾C(jī)組的缸套冷卻熱量加熱給水，作為生活用水或空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，大幅提高能源利用效率。聯(lián)供能源綜合能源利用效率可達(dá)70%以上。

3 系統(tǒng)實(shí)際案例分析

3.1 生態(tài)科技園區(qū)。生態(tài)科技園區(qū)屬于重點(diǎn)用電園區(qū)，用電量較高。園區(qū)有夏季冷/冬季熱空調(diào)的需求，同時(shí)部分區(qū)域（如：酒店）還有生活熱水的需求。其周邊已計(jì)劃敷設(shè)燃?xì)夤艿?，市政基礎(chǔ)設(shè)施完善。

根據(jù)“以基本電負(fù)荷定容量、熱電平衡”的設(shè)計(jì)原則，按照?qǐng)@區(qū)低碳、生態(tài)的設(shè)計(jì)理念，以各區(qū)域分布式能源系統(tǒng)組成分布式能源系統(tǒng)站，滿足園區(qū)的基本電負(fù)荷、部分冷熱需求。此種設(shè)計(jì)可避免分布式能源系統(tǒng)電力上網(wǎng)，且保證系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行效率，減少初投資和占地。

設(shè)計(jì)方案

辦公管理區(qū)域的分布式能源系統(tǒng)，以內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組為主設(shè)備，供應(yīng)電力和冷/熱空調(diào)。

旅游休閑區(qū)域分布式能源系統(tǒng)，以微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組為主設(shè)備，供應(yīng)電力和生活熱水，設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)C65微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供一體機(jī)。

發(fā)電模式：為保證園區(qū)的用電可靠性，發(fā)電機(jī)組具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行的雙模式功能。

余熱模式：內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的余熱（煙氣和熱水）通過(guò)煙氣熱水型溴化鋰空調(diào)機(jī)組制冷/制熱，供園區(qū)使用；微燃機(jī)機(jī)組的煙氣余熱則通過(guò)余熱回收裝置產(chǎn)生生活熱水，僅供酒店使用。

分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，園區(qū)的電力和冷熱負(fù)荷均優(yōu)先由分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)。分布式能源系統(tǒng)具有即用即開的功能，可隨時(shí)根據(jù)需要啟動(dòng)/停止。

3.2 工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。企業(yè)變電站容量8500kVA，年用電量3000萬(wàn)kWh，估算平均小時(shí)用電負(fù)荷在4000kW左右。工廠年用量20萬(wàn)噸蒸汽，蒸汽壓力10-11公斤壓力。

綜合廠區(qū)熱電需求情況，采用“以熱定電，熱電平衡”的原則，即根據(jù)企業(yè)電力需求配置合適的裝機(jī)容量，再利用發(fā)電機(jī)組余熱，通過(guò)余熱蒸汽鍋爐來(lái)制備企業(yè)需要的蒸汽，不足電力通過(guò)大電網(wǎng)補(bǔ)充，不足蒸汽需求通過(guò)燃?xì)庹羝仩t補(bǔ)充。endprint

設(shè)計(jì)天然氣分布式能源系統(tǒng)容量為4000kW，采用兩臺(tái)小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組（發(fā)電量2000kW/臺(tái)）和余熱蒸汽鍋爐組成；系統(tǒng)所發(fā)電力接入變電站，滿足廠區(qū)電力需求；余熱所產(chǎn)蒸汽，接入分汽缸，滿足廠區(qū)常用蒸汽需求。

發(fā)電模式：按照全年運(yùn)行360天、16小時(shí)運(yùn)行，為保證企業(yè)的用電可靠性，發(fā)電機(jī)組具有并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行的雙模式功能。

余熱模式：內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的余熱（煙氣和熱水）通過(guò)余熱蒸汽鍋爐，供企業(yè)使用。

分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電力和蒸汽負(fù)荷優(yōu)先由分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)。

3.3 小型公司。公司廠區(qū)占地面積100畝，空調(diào)制冷面積5000平方米，采暖面積2萬(wàn)平方米，主要有辦公樓、廠房、食堂、浴室、保健室、宿舍等設(shè)施。

公司用能情況

①電力。除用電負(fù)荷波動(dòng)較大的設(shè)施外，其他用電設(shè)施用電平穩(wěn)。根據(jù)公司用電情況，平穩(wěn)用電設(shè)施每天24小時(shí)運(yùn)行，白天160kW，夜間120kW。因此，可計(jì)算最低用電負(fù)荷為130kW。分布式能源系統(tǒng)每天運(yùn)行按18小時(shí)。

②采暖與生活熱水。采暖：公司內(nèi)是通過(guò)燃煤鍋爐采暖。公司內(nèi)主要是浴池有生活熱水需求，供值班和倒班的員工使用，每天供熱水時(shí)間3～4小時(shí)。

根據(jù)公司用能特點(diǎn)，本次分布式供能系統(tǒng)采用“以電定熱，熱電平衡”的原則設(shè)計(jì)，采用2臺(tái)C65微燃機(jī)，為基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)部分電力，在采暖期解決采暖需求，不夠采暖負(fù)荷通過(guò)燃?xì)鉄崴仩t補(bǔ)充。在非采暖期為生產(chǎn)生活熱水。

生產(chǎn)采暖熱水系統(tǒng)流程圖見下圖。

系統(tǒng)運(yùn)行方式

①微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組采用并網(wǎng)不上網(wǎng)/孤網(wǎng)雙模式運(yùn)行，與大電網(wǎng)互為補(bǔ)充滿足公司電負(fù)荷需求；另外，當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可啟動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先滿足公司緊急電需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)每天運(yùn)行24小時(shí)，主要解決公司辦公照明、廠房、食堂、浴室、保健室、宿舍等設(shè)施，設(shè)計(jì)運(yùn)行330天，運(yùn)行時(shí)段不足電力以及不運(yùn)行時(shí)段所需電力由大電網(wǎng)供應(yīng)。

②燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)運(yùn)行365天，其中采暖季節(jié)高負(fù)荷運(yùn)行，每天運(yùn)行24小時(shí)，主要為補(bǔ)充分布式能源系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)段的采暖需求；非采暖季節(jié)低負(fù)荷運(yùn)行，每天運(yùn)行4小時(shí)滿足生活熱水需求。

4 結(jié)論

將分布式能源系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)科技園區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)、小型公司采暖和生活熱水具有以下優(yōu)勢(shì)：

①具有良好的經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了余熱梯級(jí)利用，年平均能源綜合利用率可達(dá)70%以上。

②電力品質(zhì)有保障

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組具性能卓越，可以與大電網(wǎng)互為補(bǔ)充滿足廠區(qū)電力需求，大大提高供電可靠性。并通過(guò)CHP智能控制系統(tǒng)，隨時(shí)隨刻滿足用電需求。

③清潔環(huán)保

采用天然氣清潔能源，降低環(huán)境污染物的排放，通過(guò)初步測(cè)算知：分布式能源系統(tǒng)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤和年可實(shí)現(xiàn)CO2減排量比傳統(tǒng)供能系統(tǒng)節(jié)能減排效果顯著。

因此，分布式能源系統(tǒng)方案可充分體現(xiàn)綠色節(jié)能的理念，兼顧了分布式能源系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和安全性，完全滿足用戶對(duì)電力的要求，具有一定的示范作用。

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