港區天然氣分布式能源系統集成優化技術研究

顧明+杜偉+劉磊磊

摘要：探討了分布式能源系統國內外研究現狀，根據分布式能源系統的特點，研究了3種天然氣冷熱電聯供系統配置方案。基于中小型或者小型燃氣輪機的三聯供系統，分別對燃氣輪機+直燃溴化鋰吸收式空調機組方案、燃氣輪機+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰吸收式空調機組方案、燃氣-蒸汽輪機聯合循環+吸收式制冷機組方案進行了集成研究與分析。

關鍵詞：分布式能源系統；配置方案；三聯供系統

中圖分類號：TM611

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0068-02

1 引言

分布式能源系統，是一種建立在冷熱電聯產技術基礎上，實現能源需求側能源梯級利用的能源設施。通過對能源需求側進行合理分配能源等級，減小能源輸送環節損耗，實現能源利用率最大化，其主導思想是“高能高用、低能低用，溫度對口、梯級利用”。

天然氣分布式能源系統是將小型發電系統分散地布置在用戶周邊，逐級利用天然氣燃燒后產生的不同溫度熱量的煙氣，分別在獨立區域提供冷、熱、電等多種終端能源，實現天然氣的梯級、高效利用。王雁凌[1]通過建立了適用于天然氣分布式能源站的綜合價值分析模型，從自身、電力系統、用戶、社會環境4個方面展開對天然氣分布式能源站的價值分析研究，量化其綜合價值水平，并通過算例驗證綜合價值模型的實用性和有效性。

2 國內外研究現狀

2.1 國外應用現狀

國外分布式能源系統在20世紀70年代就已開始發展，并得到了廣泛的應用。美國能源部指出，2020年之前，美國50%的新建商業建筑、學校采用分布式能源系統，15%的已建商業建筑、學校采用分布式能源系統。

截止到2008年，歐盟27國的冷熱電聯供系統裝機容量為100.2 GW，全年發電量為370.1 TW·h，占總發電量的11.0%，其中丹麥聯供系統發電量占全國發電量最高（46.1%），而德國聯供系統的裝機容量是最高的，占歐盟總容量的21.9%。截止到2010年3月，日本冷熱電聯供項目總數已達8444個，裝機容量達9440 MW，占電力總裝機容量的近3.4%。與美國、歐盟相比，日本的聯供系統主要以小型化為主，平均規模約1.1 MV，75%聯供項目被應用在商業領域，包括醫院、學校、商業建筑等公共設施。

2.2 國內應用現狀

國家發改委在2011年下發的《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》中指出，天然氣分布式能源在國際上發展迅速，但我國天然氣分布式能源尚處于起步階段。推動天然氣分布式能源，具有重要的現實意義和戰略意義。目前，我國天然氣供應日趨增加，智能電網建設步伐加快，專業化服務公司方興未艾，天然氣分布式能源在我國已具備大規模發展的條件。

我國首例公共建筑實施分布式供能系統是上海黃浦區中心醫院冷熱電聯供系統，由于實際運行的情況與設計工況存在較大的差異，導致能源生產力過剩，運行成本高，現已處于停用整改狀態。

廣州大學城分布式能源站項目利用廣東液化天然氣項目的天然氣資源，采用燃氣一蒸汽聯合循環作為動力源進行發電，同時乏汽通過管道送往大型制冷站進行區域供冷，系統綜合熱效率達80.9%，目前項目運行良好。北京次渠調壓站三聯供能源中心和燃氣調度指揮大樓能源中心兩個示范性項目，由于是參照常規暖通空調設計指標，導致設備容量配置過大，引起項目初投資高，投資回收年限超出項目可行性限制。

從現有國內項目案例看出，天然氣冷熱電聯供項目對系統資源配置和運行優化具有較高的技術要求，才能充分發揮出天然氣冷熱電聯供系統能源利用率高、清潔環保等優點。隨著我國對能源環境問題日益關注，冷熱電聯供系統將具有廣闊的發展前景，因此冷熱電聯供系統的合理配置和優化顯得至關重要。

3 天然氣冷熱電聯供系統配置方案

天然氣分布式能源系統主要包括：發電設備系統（汽輪機、燃氣內燃機、燃氣輪機及配套的發電機），供熱和制冷系統（余熱鍋爐、汽—水換熱器、電制冷機、溴化鋰吸收式冷熱水機等），中央控制系統，冷熱調節裝置及與其配套的熱力管網[2]，見圖1。

天然氣分布式能源系統的主要特點為能源利用率高、清潔環保。有關統計資料顯示：每使用1萬m3天然氣，可減少消耗標煤12.7 t，減排二氧化碳33 t。三聯供系統（Combined Cooling Heating and Power）是分布式能源系統中的典型代表，系統靈活、投資小、能量損耗低，成為未來分布式供能系統的發展趨勢[3]。

天然氣冷熱電聯供系統的尾氣主要有兩種處理方式：一種是利用高溫煙氣的熱量進行二次換熱，將熱水或蒸汽輸送至制冷機組中制冷；另一種是直接將高溫煙氣輸送至煙氣型制冷機組制冷，這種方式減少了中間二次換熱過程。下面重點闡述其具體形式。

3.1 燃氣輪機+直燃溴化鋰吸收式空調機組方案

天然氣在動力裝置中燃燒后，產生的煙氣溫度通常達到400℃，且含氧量高。溴化鋰制冷機組可以直接利用排氣的熱量進行制冷，或者將排氣作為助燃空氣和燃氣一起進行二次燃燒，熱回收效率達90%以上，具體流程如圖2所示。

該系統方案由于減少了余熱鍋爐和蒸汽排泄系統等設備，提高了機組運行效率，制冷系數可達到1.27以上；在燃氣輪機停止運行或沒有足夠熱量的高溫排氣時，燃氣可直接補燃溴化鋰吸收式制冷機組，直燃運行。這種機組方案在燃氣輪機電廠或自備電站的改造中應用比較廣泛。

3.2 燃氣輪機+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰吸收式空調機組方案

燃氣輪機發電后，煙氣通常還具有較高的熱量，如果直接排入大氣中，不僅造成能量的浪費，也造成了環境污染。通常利用余熱鍋爐將這部分煙氣回收利用，轉換成蒸汽。冬季利用熱交換器進行供暖，夏季則利用溴化鋰吸收式制冷機組進行制冷。為了保障系統能夠正常運行，通常另設置一臺小型燃氣備用鍋爐，當燃氣輪機排氣的熱量不足以滿足供暖制冷負荷時，備用燃氣鍋爐燃燒燃料以供系統使用，其工藝流程如圖3所示。

溴化鋰制冷機組充分利用燃氣輪機的乏汽余熱進行制冷，提高了系統的能源綜合利用率；系統綜合制冷系數可達1.30，且制冷負荷能夠靈活調節，能夠合理匹配各類建筑物的不同負荷需求。同時溴化鋰制冷機組產生的冷量能夠冷卻燃氣輪機的進氣。

3.3 燃氣-蒸汽輪機聯合循環+吸收式制冷機組方案

燃氣輪機發電后產生的高溫煙氣，通過余熱鍋爐進行回收利用，轉換為蒸汽，當這部分的蒸汽熱量較高時，利用蒸汽輪機進行發電，發電后部分的乏汽或抽氣，熱量相對于燃氣輪機的乏汽大大減小，一部分用于制冷機組制冷，一部分利用熱交換器進行熱水供暖，或者直接利用乏汽進行提供蒸汽負荷。系統流程如圖4所示。

4 結語

本文主要針對中小型或者小型燃氣輪機的三聯供系統，研究了3種天然氣冷熱電聯供系統配置方案，對不同方案的特點進行了分析。

參考文獻：

[1]王雁凌，李 蓓，崔 航，等.天然氣分布式能源站綜合價值分析[J].電力系統自動化， 2016， 40（1）：136～142.

[2]何 忠. 天然氣分布式能源系統的應用及探討[J]. 能源與環境， 2011（4）： 11～16.

[3]馬永貴， 鐘史明. 發展小型分散熱電聯產的研究與探討[J]. 能源工程， 2003（2）： 6～9.

[4]王雁凌，李 蓓，崔 航.天然氣分布式能源綜合站綜合價值分析[J].電力系統自動化，2016（1）.

[5]劉滿平.我國天然氣分布能源發展制約因素及對策探討[J].中外能源，2014（1）.

[6]王振銘.我國天然氣分布式能源站的發展與建議[J].熱電技術，2011（3）.

[7]馮江華.在中國發展天然氣分布式能源的戰略意義[J].城市燃氣，2011（8）.