陳飛飛　鄭立軍　俞聰

摘? 要：天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)具有能源利用效率高，能源供應(yīng)類型多，污染物排放少，負(fù)荷響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。文章以某工業(yè)園區(qū)為例，對(duì)多聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。從系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效果等方面進(jìn)行分析，結(jié)論顯示天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀，有利于環(huán)境保護(hù)。發(fā)展天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)，符合我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：低碳能源;分布式系統(tǒng);多聯(lián)供技術(shù);效益分析

中圖分類號(hào)：F426? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式逐漸被政府和社會(huì)重視起來(lái)，提升社會(huì)整體的節(jié)能水準(zhǔn)、降低單位能源碳排放量是行之有效的方式。在化石能源中，煤的碳強(qiáng)度最高，而天然氣的碳強(qiáng)度則相對(duì)較低，因此使用天然氣代替煤是一種切實(shí)有效的降低碳排放的措施，符合國(guó)家的政策要求。分布式多聯(lián)供技術(shù)是在熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種能源供應(yīng)技術(shù)，能夠以小型化的機(jī)組實(shí)現(xiàn)向用戶供冷、供熱、供電，相比傳統(tǒng)的分散供能方式，更易實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，極大提高能源的利用效率，符合國(guó)家低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)，因此受到國(guó)家政策法規(guī)的鼓勵(lì)推廣應(yīng)用。

2 分布式能源的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前美國(guó)已經(jīng)擁有包括天然氣多聯(lián)供技術(shù)在內(nèi)的各類分布式能源站6000余座[1]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年全美分布式能源總裝機(jī)容量約為9.2×107kW，占美國(guó)年發(fā)電量的14%，其中天然氣多聯(lián)供系統(tǒng)占據(jù)著主導(dǎo)地位。根據(jù)美國(guó)政府的規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年將新增熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組裝機(jī)4×107kW，同時(shí)大力發(fā)展冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，確保到2020年時(shí)有一半以上的商業(yè)建筑使用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，15%以上既有建筑改用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)。在政策引導(dǎo)方面，美國(guó)政府確保公共電網(wǎng)必須為分布式用戶提供用電保障，多余的電量可以按市場(chǎng)價(jià)格向電網(wǎng)出售，到2012年初，美國(guó)已有43個(gè)州及哥倫比亞特區(qū)和波多黎各實(shí)施雙向計(jì)量?jī)綦姳碚遊2]，同時(shí)美國(guó)政府還有各種類型的稅收減免及財(cái)政補(bǔ)貼政策。

德國(guó)目前約有7.5×107kW的分布式能源裝機(jī)量[3]，根據(jù)德國(guó)政府提出的能源轉(zhuǎn)型方案，到2050年將實(shí)現(xiàn)以可再生能源為主的能源供應(yīng)系統(tǒng)，其中絕大部分屬于可再生能源利用方式屬于分布式能源范疇，2050年德國(guó)可再生能源占終端能源消費(fèi)比重將上升至60%，可再生能源占電力總消費(fèi)量比重將上升至80%。德國(guó)政府目前仍在為分布式能源提供各類補(bǔ)貼，同時(shí)德國(guó)政府從2011年開(kāi)始提出要建設(shè)一個(gè)以分布式能源技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電網(wǎng)，這將有助于實(shí)現(xiàn)分布式能源消費(fèi)占據(jù)德國(guó)能源消費(fèi)的主體地位。

日本的分布式發(fā)電以熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式光伏電站為主要組成部分，總裝機(jī)容量約為3.6×107kW，占全國(guó)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量13.4%[1]，其中天然氣分布式能源的裝機(jī)容量已超過(guò)5×106kW。日本政府規(guī)劃在2030年前將分布式能源的發(fā)電量占比提高到20%以上，為此日本政府也推出了一系列的減免稅收和財(cái)政補(bǔ)貼政策，并減免了1000kW規(guī)模以下機(jī)組的并網(wǎng)費(fèi)用。特別是在福島核電站危機(jī)發(fā)生后，日本的小型天然氣多聯(lián)供技術(shù)得到進(jìn)一步的推廣，隨著日本改變依靠核能的能源戰(zhàn)略，微型分布式能源將成為其重要的能源戰(zhàn)略發(fā)展方向。

我國(guó)的分布式能源發(fā)展起步較晚，受制于天然氣供應(yīng)不足的問(wèn)題，發(fā)展速度也比較緩慢，截止2015年，天然氣發(fā)電裝機(jī)規(guī)模為6603萬(wàn)千瓦，僅為火電裝機(jī)量的13.6%。我們國(guó)家的分布式供能的市場(chǎng)潛力還是比較大的，據(jù)保守估計(jì)，僅用于賓館、醫(yī)院的燃?xì)鉄犭娐?lián)供的市場(chǎng)容量就超過(guò)1000億元，每年可節(jié)省1000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳約2500萬(wàn)噸[4]。為了適應(yīng)低碳發(fā)展的要求，我國(guó)計(jì)劃“十三五”期間實(shí)現(xiàn)天然氣消費(fèi)比重上升至10%，這為天然氣分布式能源的發(fā)展提供了有力的政策引導(dǎo)。在能源供應(yīng)方面，我國(guó)將繼續(xù)擴(kuò)大油氣輸配管路的里程數(shù)，大力興建LNG供氣站點(diǎn)，可以有效緩解天然氣供應(yīng)不足的問(wèn)題，目前我國(guó)頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量世界第一，這也為天然氣分布式能源的持續(xù)發(fā)展提供了可靠的能源保障。

3 分布式能源的技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 天然氣分布式多聯(lián)供的主要特點(diǎn)

天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)是一種以燃?xì)庾鳛槟茉矗赏瑫r(shí)向用戶提供蒸汽、熱水、冷水和電力的新型能源供應(yīng)技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，天然氣分布式能源技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）可實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，提高能源利用效率。

（2）天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)集成了數(shù)種能源供應(yīng)方式，克服了單一能源供應(yīng)系統(tǒng)不能兼顧的弊端，系統(tǒng)能夠按需供應(yīng)且可靠運(yùn)行。

（3）天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)氣網(wǎng)和電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷互補(bǔ)。

（4）環(huán)境效益顯著，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3.2 天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)原理及類別

天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能夠利用天然氣供應(yīng)多種能源，根據(jù)使用的動(dòng)力裝置的不同，可將天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)分為：燃?xì)廨啓C(jī)分布式多聯(lián)供系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體組成包括原動(dòng)機(jī)組、發(fā)電機(jī)、余熱回收裝置以及一系列輔助生產(chǎn)設(shè)備。

分布式多聯(lián)供常用的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率約為20%～38%，機(jī)組發(fā)電容量在500～25000kW之間，可以提供250～650℃的煙氣，煙氣既可以供給余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，又可以直接供煙氣型溴化鋰吸收式機(jī)組，利用完的煙氣可以用來(lái)預(yù)熱燃燒用的空氣或者加熱生活熱，余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽型溴化鋰機(jī)組制備冷熱水，也可以通過(guò)熱交換器進(jìn)行冬季供暖或者提供生活熱水。燃?xì)廨啓C(jī)分布式多聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如下：

分布式多聯(lián)供常用的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率約為25%～45%，容量在2～10000kW之間，可以提供400～600℃的煙氣、80～110℃的缸套水和40～65℃的潤(rùn)滑油冷卻水，煙氣可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)煙氣型溴化鋰吸收式機(jī)組制備冷熱水，或者通過(guò)熱交換器制備高溫?zé)崴?，再由熱水?qū)動(dòng)熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組制備冷熱水，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的缸套水和潤(rùn)滑油冷卻水直接通過(guò)熱交換器與用熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，系統(tǒng)適合冷熱電負(fù)荷較小的用戶使用。內(nèi)燃機(jī)分布式多聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如下：

無(wú)論是燃?xì)廨啓C(jī)分布式系統(tǒng)還是內(nèi)燃機(jī)分布式系統(tǒng)，其生產(chǎn)的電力都直接供用戶使用，電能不足的部分可以從市網(wǎng)購(gòu)買，系統(tǒng)的供電可靠性很高。當(dāng)吸收式機(jī)組的制冷能力不能滿足用戶需求時(shí)，系統(tǒng)還可以加裝電驅(qū)動(dòng)壓縮式機(jī)組，保障用戶供冷需求。

4 分布式能源在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用

天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，可以在大型商場(chǎng)、商業(yè)中心、大學(xué)校園、賓館、醫(yī)院、大型交通樞紐、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、偏遠(yuǎn)居住區(qū)等各類型場(chǎng)所使用。本節(jié)以江蘇某工業(yè)園區(qū)為例，對(duì)園區(qū)的多聯(lián)供可行性進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

4.1 工業(yè)園區(qū)多聯(lián)供可行性分析

（1）采用集中區(qū)域供冷，可節(jié)約單元式空調(diào)機(jī)組的能耗，供冷水出口水溫一般在7℃左右，滿足絕大部分用戶的冷負(fù)荷需求。經(jīng)調(diào)研分析，工業(yè)園區(qū)內(nèi)居住生活建筑、辦公場(chǎng)所、生產(chǎn)輔助場(chǎng)所等有穩(wěn)定的供冷負(fù)荷需求。（2）集中供暖適合有大面積穩(wěn)定采暖需求的地區(qū)，可提供燃料利用效率，降低大氣污染，增加經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)調(diào)研，當(dāng)?shù)囟竟┡骄鶞囟?1℃左右，符合集中供暖的需求。園區(qū)內(nèi)的居住生活建筑和辦公場(chǎng)所存在冬季供暖的熱負(fù)荷需求，目前使用單元式空調(diào)熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供暖。（3）集中供應(yīng)生活熱水，可以節(jié)省熱水生產(chǎn)設(shè)備的初投資，方便運(yùn)行維護(hù)，有余熱可供利用的情況下，經(jīng)濟(jì)效益顯著。園區(qū)內(nèi)建有多個(gè)公共浴室，在浴室實(shí)際經(jīng)營(yíng)中均采取外購(gòu)熱水的方式提供洗澡用水。（4）集中供應(yīng)蒸汽，可以使設(shè)備的燃料使用效率提高，降低單位蒸汽耗量初投資，有利于提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。園區(qū)內(nèi)有部分企業(yè)生產(chǎn)工藝需要用到蒸汽，因?yàn)閳@區(qū)內(nèi)暫時(shí)還沒(méi)有統(tǒng)一的蒸汽供應(yīng)來(lái)源，所以現(xiàn)階段都采用電鍋爐制備蒸汽的方式運(yùn)行。（5）發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行的方式，適合遠(yuǎn)離市網(wǎng)的地區(qū)使用，但對(duì)用電負(fù)荷穩(wěn)定性有一定的要求，并網(wǎng)運(yùn)行的方式可以克服用電負(fù)荷需求不穩(wěn)的情況，多余電力并入市網(wǎng)，不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充，可能充分發(fā)揮機(jī)組的調(diào)峰作用。目前園區(qū)已經(jīng)接入了市網(wǎng)，由國(guó)家電網(wǎng)提供電源保障。（6）多聯(lián)供系統(tǒng)要求外部存在穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷，電力負(fù)荷與冷熱負(fù)荷的使用規(guī)律要匹配，系統(tǒng)整體的能源利用效率宜達(dá)到70%以上，機(jī)組的發(fā)電容量也宜控制在15MW以下，全年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間控制在3500小時(shí)以上。經(jīng)調(diào)研，園區(qū)內(nèi)辦公區(qū)域、居住建筑入住率較高，使用蒸汽的設(shè)備開(kāi)工率也較高，冷熱電汽負(fù)荷均有可觀的規(guī)模。（7）多聯(lián)供系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要靠近供電區(qū)域的主配電室，機(jī)組需要充足穩(wěn)定的天然氣，系統(tǒng)應(yīng)該選在靠近負(fù)荷中心的區(qū)域，合理控制供能半徑，減少輸送能耗和不必要的損失。經(jīng)調(diào)研，園區(qū)的主配電室位于園區(qū)中心位置，主配電室附件也有足夠的地方新建多聯(lián)供機(jī)組，且大部分用能單位均在選址區(qū)域的合理半徑內(nèi)，園區(qū)已經(jīng)接入了市政燃?xì)夤艿?，氣源有可靠保障?/p>

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

針對(duì)以上的調(diào)研可知，推薦分布式多聯(lián)供能源站的配置如下：（1）動(dòng)力系統(tǒng)可以采用燃?xì)廨啓C(jī)+內(nèi)燃機(jī)的方式，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)責(zé)基本負(fù)荷，內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷峰值負(fù)荷和低谷負(fù)荷，燃?xì)廨啓C(jī)為5000kW，內(nèi)燃機(jī)為400kW。（2）煙氣采用余熱鍋爐回收煙氣的廢熱，余熱鍋爐利用后的煙氣可以通過(guò)煙氣熱交換器制備熱水，多余的煙氣則排空，余熱鍋爐蒸發(fā)量為4000kW，煙氣熱交換器為300kW換熱量。（3）余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在夏季驅(qū)動(dòng)蒸汽型溴化鋰吸收式機(jī)組制冷，其余時(shí)間則向園區(qū)用戶提供蒸汽，蒸汽型溴化鋰機(jī)組制冷量為4500kW。（4）內(nèi)燃機(jī)的缸套水和潤(rùn)滑油冷卻水可以通過(guò)熱交換器制備熱水，多余熱量通過(guò)冷卻裝置排出，余熱水熱交換器為100kW。（5）機(jī)組發(fā)出的電能供園區(qū)使用，園區(qū)用電負(fù)荷較大，完全能夠消化機(jī)組提供的電力，不足的部分由市網(wǎng)提供。

系統(tǒng)的流程圖如下：

5 效益分析

上節(jié)分析了某工業(yè)園區(qū)的負(fù)荷特點(diǎn)，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一套天然氣分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，下面將從能源消耗、運(yùn)行費(fèi)用、環(huán)境和社會(huì)效益等三個(gè)方面對(duì)分布式多聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

5.1 節(jié)能分析

分布式多聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)作為基本負(fù)荷，每天運(yùn)行10個(gè)小時(shí)，一年開(kāi)機(jī)260天，內(nèi)燃機(jī)作為調(diào)峰負(fù)荷，夏季和冬季各開(kāi)啟60天，每天運(yùn)行6個(gè)小時(shí)，同時(shí)冬季晚上作為值班供暖運(yùn)行18小時(shí)，蒸汽進(jìn)行制冷110天，其余時(shí)間供應(yīng)蒸汽，生活熱水全年260天均需要使用，兩個(gè)熱交換器平均每天當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為4小時(shí)。

表1中分布式多聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)效率按40%，內(nèi)燃機(jī)效率按45%;單獨(dú)供能系統(tǒng)供應(yīng)熱水和蒸汽按熱效率90%計(jì)算，冷水由電壓縮機(jī)組提供，電能按相應(yīng)系數(shù)折算成一次能源消耗。由上表可知采用分布式多聯(lián)供系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的方式，全年可節(jié)省大約33%的能耗，節(jié)能效果顯著。

5.2 節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用分析

獨(dú)立供能系統(tǒng)的熱水和蒸汽采用燃煤制備，冷水消耗電力獲得，如果按天然氣3元/m3，標(biāo)煤600元/t、電費(fèi)1.0元/kW·h來(lái)計(jì)算，在提供同等電力的情況下，獨(dú)立供能系統(tǒng)總計(jì)能源費(fèi)用約為1437萬(wàn)元，分布式多聯(lián)供系統(tǒng)能源費(fèi)用約1026萬(wàn)元，每年可節(jié)省四百余萬(wàn)能源費(fèi)用。此外，分布式多聯(lián)供系統(tǒng)相比分散式獨(dú)立供能系統(tǒng)而言，易于運(yùn)行管理，系統(tǒng)維護(hù)難度低，維護(hù)效果好，還能省下一筆可觀的運(yùn)行維護(hù)成本。

5.3 環(huán)境和社會(huì)效益

使用天然氣作為燃料，不會(huì)排放煙塵，空氣質(zhì)量不會(huì)受到影響，不會(huì)排放二氧化硫、氮氧化物，對(duì)大氣環(huán)境沒(méi)有不良影響，系統(tǒng)每年能減排二氧化硫147噸，氮氧化物43噸，減少煙塵排放至少30多噸。同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)起到一定程度的削峰作用，減少火電機(jī)組的裝機(jī)容量，有利于引導(dǎo)資本投放到更有意義的領(lǐng)域;減少因用電高峰時(shí)負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，提高電網(wǎng)輸送效率;火電機(jī)組裝機(jī)容量的減少可以提高現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率，發(fā)電機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)得到保障，機(jī)組效率較高，單位發(fā)電能耗降低，進(jìn)一步減少了污染物的排放。

6 結(jié)論

天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)符合國(guó)家的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，有著明顯的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)收益。天然氣碳排放強(qiáng)度低，幾乎不排放硫化物和氮氧化物，有利于減少酸雨和光化學(xué)污染，同時(shí)零粉塵排放的特性，切合了現(xiàn)今社會(huì)的環(huán)保要求，對(duì)減少霧靄有積極作用。系統(tǒng)能夠進(jìn)行能源的梯級(jí)利用，以文中某工業(yè)園區(qū)為例，相比傳統(tǒng)方式降低能耗33%，每年可節(jié)約能源費(fèi)用四百余萬(wàn)元。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，相信天然氣分布式多聯(lián)供技術(shù)會(huì)在我國(guó)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

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