林王清

浙江省天然氣開發(fā)有限公司, 浙江 杭州 310052

0 前言

天然氣是一種主要由CH4組成的氣態(tài)化石燃料，相較煤炭、石油等化石燃料,其有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢[1]。1785年左右,英國首次將天然氣應(yīng)用于商業(yè)用途,天然氣的開發(fā)利用在全球范圍內(nèi)伴隨著鉆探技術(shù)的成熟和開采量增長逐步加大[2]。一般認(rèn)為,天然氣是一種清潔能源,天然氣的開發(fā)利用,對減少溫室氣體排放、改善大氣環(huán)境、緩解對煤炭和石油的依賴有較大意義[3]。

近年來,世界各國針對分布式發(fā)電系統(tǒng),已開展了天然氣的供能研究。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的Pless J等人[4]對分布式應(yīng)用中天然氣(NG)和可再生電力(RE)混合系統(tǒng)進(jìn)行了分析、建模;加拿大卡爾加里大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的Odetayo B等人[5]對分布式配電系統(tǒng)中的電力和天然氣分配系統(tǒng)進(jìn)行了綜合規(guī)劃研究;波蘭華沙理工大學(xué)熱工研究所的Milewski J等人[6]對基于天然氣內(nèi)燃機(jī)的分布式發(fā)電控制策略進(jìn)行了專題研究;美國德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的Touretzky C R等人[7]對天然氣分布式發(fā)電對電網(wǎng)的影響做了較為深入的研究;中國華北電力大學(xué)的Dong Jun等人[8]在ESSAEME會議上論述了中國天然氣分布式發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀、投資優(yōu)勢等相關(guān)內(nèi)容;美國亞利桑那州立大學(xué)的Kamdar K[9]在其碩士學(xué)位論文中對配電小區(qū)中天然氣分布式發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)置進(jìn)行了專題研究。

通過對天然氣、煤炭等化石燃料在發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電流程分析和污染物排放計(jì)算,以及對天然氣發(fā)電能效的建模分析,研究天然氣發(fā)電相對燃煤發(fā)電的優(yōu)勢,可作為分布式發(fā)電系統(tǒng)供能側(cè)能源選擇的基礎(chǔ)工作,對深入開展天然氣在分布式發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用的理論研究有較大意義。

1 分布式發(fā)電中的天然氣供能

1.1 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電,也可稱為分散式發(fā)電[10],是一種發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)。顧名思義,是一種屬于較分散的發(fā)電方式,與傳統(tǒng)集中式發(fā)電相對應(yīng),指的是較靠近負(fù)載端且發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦之間的系統(tǒng)。

1.1.1 分布式發(fā)電的能源獲取

根據(jù)分布式發(fā)電所使用的一次能源類型,分布式發(fā)電的驅(qū)動能源類型可分為化石能源和可再生能源。其中化石能源是碳?xì)浠衔锘蚱溲苌?由古生物化石沉積而來,主要包括煤炭、石油、天然氣等;可再生能源是自然界取之不盡,用之不竭的能源,主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物能等。此外燃料電池根據(jù)其一次能源獲取情況,可劃入化石能源或可再生能源的范疇。

1.1.2 分布式發(fā)電的優(yōu)勢

將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入實(shí)際電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,既可以分布式利用,又可以對電網(wǎng)起到補(bǔ)充和輔助作用,是智能電網(wǎng)的重要組成部分[11]。對比傳統(tǒng)集中式發(fā)電,分布式發(fā)電主要優(yōu)勢有:

1)減少輸電損失。分布式發(fā)電大多靠近用電區(qū),可以避免長程電力傳輸所造成的損失。

2)增加發(fā)電量?？梢猿浞珠_發(fā)利用各種可用的分散存在的能源,如小型太陽能發(fā)電站、居民區(qū)的生物能發(fā)電站等。

3)自動化程度高。由于各類分布式發(fā)電都可使用整流、逆變及各類算法實(shí)現(xiàn)智能控制,易于實(shí)現(xiàn)模塊組合化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動并網(wǎng)。另外可對供電區(qū)域的供電質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

4)用電可靠。分布式供電相比大型集中供電系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的可靠度,在意外災(zāi)害發(fā)生時繼續(xù)供電,可成為集中供電系統(tǒng)不可缺少的重要補(bǔ)充。

圖1是典型的基于分布式發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)。圖1中各分布式發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子裝置對各自系統(tǒng)進(jìn)行供電[12],并通過微網(wǎng)模式控制器結(jié)合每個分布式控制器對并到微網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行控制;每個微網(wǎng)獨(dú)立工作,通過斷路器進(jìn)行并網(wǎng),從而吸收和反饋能量;并網(wǎng)模式控制器通過模式控制,調(diào)控各個子微網(wǎng)。

圖1 基于分布式發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

分布式發(fā)電和微網(wǎng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分[13],大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合的微網(wǎng)運(yùn)行方式是節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式,是未來電網(wǎng)發(fā)展的主要方向。

1.2 分布式發(fā)電中的天然氣供能

目前,較為熱門的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)[14]和天然氣分布式能源等項(xiàng)目[15],已將天然氣作為發(fā)電能源進(jìn)行利用,天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)是指由天然氣供能的熱電廠同時生產(chǎn)電能和可用熱能的聯(lián)合生產(chǎn)方式[16];天然氣分布式能源,是通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源梯級利用的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)[17]。天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目及天然氣分布式能源站已在中國許多省份投產(chǎn)運(yùn)行。

分布式發(fā)電系統(tǒng)是一種因地制宜的發(fā)電系統(tǒng),相對于大電網(wǎng),其能滿足特定用戶的需要,同時支持并網(wǎng)運(yùn)行。對于分布式發(fā)電系統(tǒng),各類發(fā)電能源的選擇及獲取尤為重要,以化石能源為例,相比煤炭、石油等化石能源,天然氣儲量豐富[18],配套工業(yè)日益發(fā)展完善[19],能成為分布式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能源供給的重要來源。圖2為分布式發(fā)電系統(tǒng)中天然氣供能示意圖,天然氣發(fā)電系統(tǒng)通過就地獲取的各類天然氣資源進(jìn)行發(fā)電,將余熱進(jìn)行利用,部分電能就地利用,多余電能與其他能源發(fā)電系統(tǒng)一并入微網(wǎng)或主網(wǎng)。

圖2 分布式發(fā)電系統(tǒng)中采用天然氣供能示意圖

1.3 天然氣發(fā)電的污染物排放

目前,世界范圍內(nèi)的發(fā)電主要以水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電為主,其中火力發(fā)電比重最大,占50%以上,而火力發(fā)電又以化石燃料為主要發(fā)電能源。目前，煤炭在中國能源消費(fèi)的占比達(dá)60%以上,燃煤發(fā)電機(jī)組在中國總裝機(jī)容量的占比達(dá)60%以上,有必要將天然氣發(fā)電與燃煤發(fā)電的污染物排放情況進(jìn)行比較。圖3和圖4 分別是燃煤發(fā)電和天然氣發(fā)電的流程,其中天然氣發(fā)電的模型基于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)方式。

圖3 燃煤發(fā)電流程圖

圖4 天然氣發(fā)電流程圖

表1為每燃燒1 t煤和100×104m3天然氣所產(chǎn)生的污染物量[20],根據(jù)天然氣與標(biāo)煤的熱值,計(jì)算得到表2中每發(fā)1度電所排放的污染物數(shù)據(jù)。

表1 污染物排放情況表

表2 每發(fā)1度電所排放的污染物表

根據(jù)表2數(shù)據(jù),相對于燃煤發(fā)電,天然氣每發(fā)1度電排放的SO2與懸浮顆粒物幾乎為0,且不產(chǎn)生灰渣,在減少排放污染物上具有巨大優(yōu)勢。中國發(fā)電一次能源主要依賴于煤炭資源,考慮全球氣候變化等環(huán)境因素和保障人類生活、生產(chǎn)的清潔需求,采用天然氣作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的主要能源,減少SO2、氮氧化合物以及粉塵的排放量,可大大改善環(huán)境污染問題。

2 天然氣發(fā)電的仿真研究

為了更好地開展分布式發(fā)電中天然氣供能控制策略研究,針對天然氣供能的發(fā)電站開展研究,以圖5所示的基于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的天然氣發(fā)電模型,對天然氣發(fā)電進(jìn)行了仿真建模，見圖6。

仿真模型中各參數(shù)的對應(yīng)物理量、仿真設(shè)定及取值見表3。

圖5 天然氣發(fā)電模型圖

圖6 天然氣發(fā)電仿真模型圖

表3 相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

模型中各個模塊全部采取數(shù)學(xué)建模的方法,以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模塊為例,建模過程如下:

M=9 555No/n

(1)

dn/dt=900(N2-N1-No)/(Jπ2n)

(2)

式中:M為電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·m;J為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2,No、n、N 1、N 2分別對應(yīng)表3中相關(guān)仿真參數(shù)。由式(1)、(2)得到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模塊，見圖7。

圖7 仿真中的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模塊示意圖

對天然氣發(fā)電仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,得到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出功率No和余熱溫度T 4仿真波形，見圖8～9。通過仿真結(jié)果計(jì)算得到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的輸出功率及余熱溫度分別為115 MW及800 K左右,通過余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)將余熱利用起來,得到系統(tǒng)發(fā)電功率的仿真波形見圖10。

圖8 燃?xì)獍l(fā)電輸出功率仿真波形圖

圖9 余熱溫度仿真波形圖

圖10 天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電輸出功率仿真波形圖

根據(jù)設(shè)計(jì)模型,由仿真結(jié)果可知,在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作后輸出功率為185 MW左右。根據(jù)設(shè)定的天然氣流量6.5 kg/s,計(jì)算出燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率分別為34%及54%左右,天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能有效提高能源利用率。根據(jù)仿真結(jié)果可知,天然氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電相比,能大大提高能效。

3 結(jié)論

中國的電源結(jié)構(gòu)過度依賴于煤電,而煤電企業(yè)排放的各種廢棄物是環(huán)境破壞的主要污染源之一。當(dāng)前世界在大力發(fā)展智能電網(wǎng)的理論和實(shí)踐研究,而分布式發(fā)電是智能電網(wǎng)的核心部分,在分布式發(fā)電系統(tǒng)中逐步以清潔能源和新能源代替各種高碳、低效的發(fā)電能源是分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。天然氣作為相對環(huán)保、高效的優(yōu)質(zhì)化石能源,能顯著降低SO2、粉塵、CO2的排放,極大地提高發(fā)電能效,在各類新能源利用條件成熟前能成為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的清潔過渡能源,有極大的運(yùn)用前景。