李樹海

(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰疽?guī)劃計劃部，北京 100101)

分布式能源的燃?xì)夤?yīng)研究

李樹海

(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰疽?guī)劃計劃部，北京 100101)

闡述了分布式能源的相關(guān)概念，基于分布式能源的系統(tǒng)流程分析了一次能源需求特點和我國分布式能源的燃?xì)夤?yīng)前景，提出了燃?xì)夤?yīng)設(shè)施設(shè)計方案(涉及燃?xì)夤?yīng)的參數(shù)要求)，在分析分布式能源的燃?xì)夤?yīng)案例的基礎(chǔ)上，從燃?xì)夤緦Ψ植际侥茉吹娜細(xì)夤?yīng)和長輸管道對分布式能源的燃?xì)庵惫?個方面就如何更好的為分布式能源提供一次能源供應(yīng)以及優(yōu)化分布式能源供氣方案進行了探討。

分布式能源； 一次能源；燃?xì)廨啓C；燃?xì)夤?yīng)

分布式能源也稱冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)，是能源梯級利用的一種。分布式能源具有代表性的表述主要有2種：一是指單個用戶的冷/熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式直接安裝在用戶端，可獨立為單個用戶輸出冷/熱電的系統(tǒng)；二是指區(qū)域化的冷/熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，它能滿足多用戶多種能源需求，實現(xiàn)能源的梯級利用，并能通過公用能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補充，實現(xiàn)資源利用的最大化。

能源梯級利用是能源合理利用的一種方式，指能源按品位逐級加以利用，如高、中溫蒸汽用來發(fā)電，低溫余熱用來向住宅供熱。能源的梯級利用可以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，能夠有效地滿足各用戶的用能需要，并且不增加能源消耗，極大地提高了能源利用率，是節(jié)能的重要措施[1]。目前，分布式能源以其能源梯級利用、高環(huán)保性而受到投資人及政府監(jiān)管部門的極大關(guān)注。分布式能源的一次能源需求量巨大，對燃?xì)馄髽I(yè)的燃?xì)夤?yīng)提出了不小的挑戰(zhàn)。下面，筆者著重論述了分布式能源燃?xì)夤?yīng)的參數(shù)要求，并就如何更好的為分布式能源提供一次能源供應(yīng)以及優(yōu)化分布式能源供氣方案進行了探討。

1 分布式能源的燃?xì)夤?yīng)需求

1.1 分布式能源的系統(tǒng)流程

圖1 生產(chǎn)冷熱電能源的分布式能源系統(tǒng)流程圖

圖2 余熱回收利用的分布式能源系統(tǒng)流程圖

一次能源為天然氣的分布式能源系統(tǒng)流程(見圖1)為：原動機以天然氣為燃料，產(chǎn)生電力，做功后的高溫?zé)煔膺M入煙氣余熱回收利用裝置，用于供熱或制冷；部分原動機還可以利用本體的散熱，通過機體冷卻水和外界換熱，產(chǎn)生熱水[2]。

在實際工程中，可根據(jù)用戶的電負(fù)荷及冷/熱負(fù)荷需求，確定分布式能源系統(tǒng)的冷/熱電容量，并據(jù)此選擇合適的原動機和余熱回收裝置。余熱用于供熱或者制冷或者同時供熱制冷，取決于用戶特點和用戶需要。當(dāng)利用原動機的余熱產(chǎn)生的供冷/熱量不能達(dá)到系統(tǒng)供冷/熱容量要求時，可選用有補燃裝置的余熱回收裝置，即直接利用天然氣燃燒產(chǎn)生冷/熱量作為補充。其流程如圖2所示。

1.2 分布式能源的一次能源需求特點

基于前述系統(tǒng)流程，分布式能源對一次能源的需求大致如下：正常時，根據(jù)確定的冷、熱、電容量反算需要的天然氣供應(yīng)量；當(dāng)用戶需求變化時，會相應(yīng)形成用氣不均勻[3]的特點。

分布式能源的原動機為燃?xì)廨啓C，其對入口的壓力穩(wěn)定性要求較高，一般要求穩(wěn)定在一個壓力值附近。

1.3 我國分布式能源的燃?xì)夤?yīng)前景

2014年，全球天然氣消費量約為3.39×1012m3。2014年全球天然氣消費占全球一次能源消費總量的23.7%。美國是全球天然氣消費量最大的國家，其2014年消費的天然氣為7594×108m3，在全球中的占比達(dá)到22.7%。俄羅斯2014 年消費的天然氣僅次于美國，占比達(dá)到12%。中國2014年的天然氣消費量為1855×108m3，在全球中的占比為5.4%。2015年，美國天然氣發(fā)電占總發(fā)電量的30%；而我國同期天然氣發(fā)電占總發(fā)電量的4.71%。

圖3 電力與天然氣輸配至用戶的能效系統(tǒng)圖

圖4 傳統(tǒng)能源利用效率與CCHP能源利用效率對比圖

采用傳統(tǒng)方式發(fā)電，由電力輸配至用戶的能效約為30%，而將燃?xì)獠捎霉艿垒斉渲劣脩舻哪苄Ъs為95%。電力與天然氣輸配至用戶的能效系統(tǒng)圖如圖3所示。

傳統(tǒng)電力能源利用效率為49%，而采用CCHP能源利用效率可達(dá)83%，傳統(tǒng)能源利用效率與CCHP能源利用效率對比圖如圖4所示。

由此可見，無論從天然氣消費占比，還是天然氣發(fā)電占比，我國都還有較大的增長空間，因此分布式能源的燃?xì)夤?yīng)未來將有井噴式的增長。

2 燃?xì)夤?yīng)設(shè)施設(shè)計方案

1)根據(jù)分布式能源站天然氣消耗量核算管輸最大小時量，天然氣消耗量最大小時量按機組裝機容量考慮一定的系數(shù)。

2)根據(jù)分布式能源站燃?xì)廨啓C進口壓力確定天然氣進入分布式能源站最低壓力。

3)進行方案比選，從可行性、技術(shù)方案、工程投資等多角度比選后確定接氣點、接氣壓力、輸氣量等。

4)根據(jù)明確的接氣點、接氣壓力、輸氣量確定布站方式。首先確定是否在燃?xì)廨啓C前設(shè)置穩(wěn)壓裝置或加壓裝置。一般來氣壓力低于燃?xì)廨啓C進口壓力時，需設(shè)置加壓裝置；來氣壓力高于燃?xì)廨啓C進口壓力時，需根據(jù)情況決定是否上穩(wěn)壓裝置；若不設(shè)置，則需保證進燃?xì)廨啓C的壓力穩(wěn)定在燃?xì)廨啓C需求范圍內(nèi)，此時對管輸?shù)囊筝^大，故一般都在燃?xì)廨啓C前設(shè)置穩(wěn)壓裝置。

5)確定輸氣管道設(shè)計壓力[4]。根據(jù)前述工況計算輸氣管道管徑并進行管徑選型，再根據(jù)選型的管徑采用水力計算軟件(如SPS)反算末點(分布式能源站進站)壓力。

6)根據(jù)輸氣管道壓力和管徑選擇路由。路由要和規(guī)劃結(jié)合，當(dāng)路由與規(guī)劃或規(guī)定沖突時，重新選擇路由并重復(fù)步驟3)～5)。

7)根據(jù)確定的方案和路由進行設(shè)備選型和配套工程設(shè)計。

3 分布式能源的燃?xì)夤?yīng)案例

3.1 華電武清分布式能源燃?xì)夤?yīng)案例

根據(jù)天津華電武清燃?xì)夥植际侥茉凑卷椖抠Y料，該分布式能源站建設(shè)2套(1+1+1)聯(lián)合循環(huán)供熱機組，每套含1臺PG9171E型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組、1臺余熱鍋爐和1臺蒸汽輪發(fā)電機組。2套裝機容量約為360MW。分布式能源站供熱負(fù)荷為190MW；空調(diào)制冷負(fù)荷為175MW；生活熱水負(fù)荷為8MW[5]。

天然氣消耗量如下：1臺機組時耗氣量4×104Nm3，每日按20h計算，日耗氣量為80×104Nm3，年耗氣量2×108Nm3；2臺機組用量時耗氣量8×104Nm3，日耗氣量160×104Nm3，年耗氣量4×108Nm3/a。

燃?xì)夤?yīng)來源于分布式能源站北側(cè)約10km處的永唐秦管線，永唐秦管線為國家重點工程陜京二線的支線工程，中石油永唐秦管線設(shè)計壓力10MPa。燃?xì)廨啓C燃?xì)膺M氣壓力要求為3.1MPa。在永唐秦管線武清分輸站新增供氣支路，設(shè)置計量調(diào)壓裝置，將壓力調(diào)至3.6MPa出分輸站，經(jīng)14km管線至分布式能源站，在燃?xì)廨啓C進氣前設(shè)置穩(wěn)壓裝置，將壓力穩(wěn)定在3.1MPa上下。

管線管徑根據(jù)時耗氣量(即小時高峰量)進行計算，到分布式能源站的壓力按不低于3.3MPa進行考慮，最終管徑選擇為DN400(mm)。

據(jù)選擇的管徑采用水力計算軟件(SPS)進行反算，分布式能源站進口壓力為3.46MPa。

3.2 其他分布式能源燃?xì)夤?yīng)案例

某分布式能源站計劃設(shè)置4臺9F機組，裝機容量約為720MW[6]。時耗氣量16×104Nm3/h，擬從泰青威管線接氣，建設(shè)專用供氣管道約35km。

山東某分布式能源站計劃從燃?xì)忾T站接氣建設(shè)輸氣管道至分布式能源站，輸氣管道長度約為17km，設(shè)計壓力為4MPa，年耗氣量約2×108Nm3/h。

河北某分布式能源站計劃從燃?xì)忾T站接氣，接氣壓力為4MPa，輸氣管道長度約1km，年耗氣量約為2×108Nm3/h。

4 分布式能源燃?xì)夤?yīng)方式

4.1 燃?xì)夤緦Ψ植际侥茉吹娜細(xì)夤?yīng)

目前，部分分布式能源的燃?xì)馐怯扇細(xì)夤竟?yīng)的，燃?xì)夤竟芫W(wǎng)大部分為中壓管網(wǎng)，部分有次高壓管網(wǎng)，個別有高壓管網(wǎng)。當(dāng)采用中壓管網(wǎng)或者次高壓管網(wǎng)為分布式能源供應(yīng)燃?xì)鈺r，需要在分布式能源站增加壓縮機進行升壓；當(dāng)采用高壓管網(wǎng)或敷設(shè)專供高壓管道為分布式能源站進行供氣時，應(yīng)注意計算到達(dá)分布式能源站的壓力是否能滿足燃?xì)廨啓C進口壓力的要求。

燃?xì)夤緦Ψ植际侥茉垂?yīng)燃?xì)庥幸韵铝觿荩悍植际侥茉慈細(xì)庑枨罅恳话爿^大，燃?xì)夤倦y有保障；燃?xì)夤疽话銡庠磯毫Σ怀^4MPa，大多數(shù)時候運行壓力在3MPa左右，經(jīng)過管道壓降之后難以保證燃?xì)廨啓C進口壓力的要求；燃?xì)夤疽话銜θ細(xì)膺M行加臭，加臭后的燃?xì)鈱θ細(xì)廨啓C燃燒不利，也對環(huán)境保護不利。

4.2 長輸管道對分布式能源的燃?xì)庵惫?/p>

長輸管道氣源有保障，壓力高，可達(dá)10MPa甚至更高，敷設(shè)10MPa的管線至分布式能源站可以減小管徑，節(jié)省投資。

分布式能源站一般都在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，長輸管道對分布式能源直供面臨的主要問題是長輸管道進規(guī)劃區(qū)及區(qū)域內(nèi)燃?xì)馄髽I(yè)潛在利益沖突問題。

輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范提到，線路宜避開城鄉(xiāng)規(guī)劃區(qū)，當(dāng)受條件限制，需要在城鄉(xiāng)規(guī)劃區(qū)通過時，應(yīng)征得城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門的同意，并采取安全保護措施。

當(dāng)長輸管道進規(guī)劃區(qū)報城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門時，經(jīng)常會遇到城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門以無規(guī)劃或以危險性較高為由給予否決。

5 結(jié)語

目前，分布式能源技術(shù)已經(jīng)成熟，因其對能源的高效利用，具有較強的環(huán)保性，將進入高速發(fā)展期，帶來的燃?xì)夤?yīng)也將進入高增長期。針對具體的工程，進行充分的方案比選和方案優(yōu)化將為燃?xì)夤?yīng)企業(yè)帶來豐厚的回報，也將會為社會帶來巨大的環(huán)保效益。

[1]尹余生，王小伍.從全方位評價看發(fā)展分布式能源站的必要性[J].工業(yè)工程, 2008,11(1):15～18.

[2]殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究(9)：“煤改氣”應(yīng)首選燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)[J].暖通空調(diào), 2015，(3)：47～51.

[3]GB50028-2006，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50251-2015，輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].

[5]中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院.天津華電武清燃?xì)夥植际侥茉凑究尚行匝芯繄蟾鎇Z].2011.

[6]PG9171E型燃?xì)廨啓C發(fā)電機組運行規(guī)程[S].

[編輯] 洪云飛

2016-07-27

國家科技重大專項(2008ZX05048-005)。

李樹海(1968-)，男，政工師，現(xiàn)從事燃?xì)廨斔鸵?guī)劃計劃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]李樹海.分布式能源的燃?xì)夤?yīng)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(31)：50～53.