上海市天然氣分布式供能技術簡介

胡 瑛 湯 羹

上海市天然氣分布式供能技術簡介

胡 瑛 湯 羹

天然氣是世界主要的清潔能源之一，近年來，我國天然氣開發利用步伐明顯加快，天然氣的開發利用正在引領著我國能源結構的變革。隨著技術發展，天然氣已從傳統燃料向分布式供能領域拓展，分布式供能系統已成為我國能源發展高效化、清潔化、低碳化的重要實現手段。

分布式供能系統，是指將燃料同時轉換成三種產品：電力、熱或蒸汽以及冷水。具體就是將小型化、模塊化的發電系統布置在用戶附近，利用城市管道天然氣為燃料發電供用戶使用，同時把發電過程中發電機組產生的冷卻水和排氣中的余熱用熱交換器回收生產熱水或蒸汽供用戶采暖、洗浴或制冷。通過對一次能源的多級利用，能源總利用率可達80%以上，節能效果明顯。同時還具備環保、建設周期短、回收快、保證用電可靠性等優點。

分布式供能系統和傳統的供能方式相比，具有很高的綜合能源利用率，優異的節能特性；能為用戶提供獨立的供電電源，避免因公用電網缺電停電對用戶造成的影響，解決用戶的用電安全問題；采用清潔的天然氣發電，可大大降低污染氣體和溫室氣體的排放，有很強的環保效應。

1 背景

1.1 上海市天然氣氣源情況

截止2015年底，上海市已構建了特大型城市發展需要的天然氣綜合保障供應體系，形成東氣、西氣（一線、二線）、進口液化天然氣（LNG）、川氣等多氣源供應格局，2015年天然氣供應規模達74.3億m3，滿足上海城市民用用戶、大工業用戶及燃氣電廠等各種用戶的供氣需求。“十二五”期間，上海加快完成了LNG接收站建設工程及LNG應急儲備站的擴建工程，加大進口LNG的采購及儲備，使得天然氣供應由階段性緊缺轉為階段性富裕，為上海在環境治理、減少顆粒物排放做了充足的準備。

1.2 天然氣的環保效益

天然氣素有綠色能源之稱，具有經濟高效、節能環保、靈活方便、安全可靠等優點，從而成為全球能源市場發展最快的燃料，也將發展成為我國未來清潔能源增量的主體之一。

以天然氣為能源有利于保護環境，可減少溫室氣體排放。天然氣中氮、硫含量低，與柴油、汽油相比，硫化物排放基本為零，顆粒物排放接近零，氮化物減少80～90%，炭排放減少22%，表1分析了天然氣作為替代能源的溫室氣體減排量。其次，在發生泄漏的情況下，天然氣會迅速汽化擴散，不會對土壤或水體造成污染。

表1 天然氣能源CO2減排量

2 分布式供能系統

2.1 系統介紹

天然氣分布式供能系統是指小規模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可將燃料同時轉化成電力、熱水或蒸汽以及冷水的高效能源供應系統。

天然氣分布式供能系統通過冷、熱、電三聯供的方式，采用能量梯級利用原理，燃料燃燒后發電，再利用發電余熱供熱、供冷，實現能源從高品位到低品位的優化利用，系統貼近用戶，可以實現就近供能。

2.2 系統主要設備及應用

典型的天然氣分布式供能系統一般包括：動力設備、余熱利用設備、控制系統等。動力設備主要包括：燃氣輪機、燃氣內燃機和微燃機等，不同動力機組的性能對比如表2所示。主要余熱利用設備包括：余熱鍋爐、預熱吸收式冷溫水機組、換熱器等。燃氣輪機系統及燃氣內燃機系統的組成如圖1所示。

分布式供能系統主要適用于賓館、酒店、醫院、工廠、集中商業中心、工業園區等有穩定冷、熱、電負荷需求的單位或區域。

2.3 系統優勢

分布式供能系統能源綜合利用率高，具有節能環保、經濟性高、安全可靠等優點。

表2 動力設備性能對比

圖1 系統組成圖

1）節能減排

分布式供能系統能夠實現能源的梯級利用，根據燃料燃燒后不同溫度時做功能力的不同，產生不同品位的能量，分布式供能系統能源總利用率可達75～90% 。分布式供能系統的節能率達20%以上，溫室氣體減排率達40%以上。

2）經濟可行

分布式供能系統消耗1 m3天然氣可產生3～4 kW電能和4～6 kW的熱（冷）量。滿足用戶同樣的能源需求，與傳統的供能方式相比，分布式供能系統所消耗的一次能源更少。

3）能源安全

分布式供能系統貼近用戶、運行靈活，不但可以大幅度降低能源輸送的損失和成本，并且可以作為大電網的有效補充，降低電力需求負荷對大電網的影響以及天然氣需求負荷對城市氣網的影響，保障能源網絡的安全性。

4）“削”峰“填”谷

分布式供能系統對燃氣和電力有雙重“削”峰“填”谷作用。主要體現在兩方面。一是體現在天然氣和電力的季節峰谷差。電力高峰出現在夏季，燃氣需求高峰期在冬季。分布式供能系統可在夏季利用天然氣發電、供冷，在增加電力供給的同時減少電力制冷設備的電負荷，不僅可以降低電網的供電壓力，也可增加天然氣消費，緩解夏季燃氣過剩的問題。二是體現在晝夜電力峰谷。天然氣分布式供能系統運行靈活，啟停方便等特點。系統可在白天發電緩解供電壓力，夜間少發電或不發電，為電網“削”峰“填”谷，也可通過電網峰谷電價獲得經濟效益。

5）布置靈活

分布式供能系統配置靈活，體量小，可布置在地下室和屋頂，大幅度減少了城市能源系統的土地占用。

3 分布式供能系統發展現狀

上海是國內最早發展分布式供能系統的城市之一，建成了一批極具代表性的項目，總結其發展歷程，分為3個階段。

3.1 探索期（2004年前）

項目數量較少、規模有限，系統設計及運行管理均出于摸索階段。

3.2 過渡期（2005～2010年）

總結經驗，優化設計，選型注重與冷熱電需求匹配，采用中小功率原動機，拓展賓館、學校和工業等類型用戶，該階段引入了政府補貼和優惠氣價，發展逐漸走向正軌。

3.3 成熟期（2011～2015年）

設計成熟，供氣穩定，項目向區域型、規模化發展，涌現了虹橋、世博和莘莊等一批大型區域集中供能項目，以及上汽大眾、迪士尼等特大型工、商業項目。

2016年以來，天然氣分布式供能項目仍在不斷發展壯大，并繼續重點發展區域型、規模化的園區及大型單體用戶（如西虹橋區域能源站和騰訊數據中心），通過大型項目引領，帶動系統數量和用氣量的同步增長，更大程度地發揮高效節能及環保減排的作用。

表3為個發展階段的典型項目。

4 分布式供能系統典型案例

表3 各發展階段的典型項目

實施分布式供能系統不僅可為用戶減少能源支出、獲得較好的經濟效益，還能提高企業節能減排的社會效益。分布式供能系統在進行設計時，最重要的是系統的熱、電負荷是否與用戶的實際用能負荷相匹配，達到熱電平衡。針對不同用戶的用能方式，系統具有不同的配置及運行效果，以下對3類典型用戶及其配置進行介紹。

（1）大型工業企業

工業企業的用能負荷較為穩定，全年波動性較小，一般工廠的用電量較高，且有穩定的冷負荷、熱負荷、蒸汽需求，適合采用分布式供能系統。進行系統設計時，根據工廠實際的用能情況，確定熱電平衡的設計原則。

以某制造業工廠為例，工廠常年有較大電負荷及較穩定的蒸汽負荷需求，根據工廠逐時用能負荷情況分析，采用“滿足常用電力負荷及部分蒸汽負荷，以熱定電，熱電平衡”的設計原則，系統配置4臺6.7 MW燃氣輪機和4臺余熱鍋爐，發電自用，全年蒸汽供熱，項目年節約標煤約1.6萬t/a，二氧化碳減排量約5萬t/a，為工業企業高效供能改造樹立了典范。系統主要技術參數詳見表4所示。

（2）大型商業園區

商業園區分布式供能系統通常采用區域能源中心形式，向區域范圍內的用戶供能。一般商業園區用戶有大量電負荷、冷負荷、熱負荷及生活熱水需求，但用能負荷隨季節有一定的波動性。進行系統設計時，根據商業園區實際的用能情況，確定熱電平衡的設計原則。

表4 工業企業分布式供能系統主要技術參數

以某商業園區為例，園區設置集中式能源中心集中供應冷、熱和電力。系統配置5臺4 400 kW燃氣內燃機及煙氣熱水型溴化鋰機組，機組24 h運行，發電量除能源中心設備自用外，其余全部上網，吸收式機組同時供冷水與熱水。系統一次能源綜合利用效率可高達80%以上，節能效果明顯，運行經濟性較好，同時分布式供能系統可以保證園區內運營期間不斷電，加強地區供電的可靠性。

表5為園區分布式供能系統主要技術參數。

表5 商業園區分布式供能系統主要技術參數

（3）綜合性醫院

綜合性醫院的用能負荷較為復雜，季節性變化大，一般醫院的負荷變化分為3種工況，分別為冬季工況、過渡季工況和夏季工況。冬季的用能需求為電負荷、采暖負荷及熱水負荷；夏季的用能需求為電負荷、制冷負荷及熱水負荷；過渡季可根據在冷熱負荷的需求選擇冬季工況或夏季工況。進行系統設計時，根據醫院的實際用能情況，采用熱電平衡的設計原則。

以某綜合性醫院為例，因其冷熱能耗存在季節和逐時波動，夏季和冬季的熱負荷需求較大，過渡季的熱負荷需求較小，為提高系統用能效率，分布式供能系統配置機組的規格不宜過大。系統配置2臺232 kW燃氣內燃機，1臺燃氣空調和多臺熱交換器，滿足醫院部分電熱電負荷，系統節能率可達23%，二氧化碳減排量超過45%。

表6為醫院分布式供能系統主要技術參數。

表6 醫院分布式供能系統主要技術參數

5 結語

隨著我國對環境保護要求的提高以及天然氣能源利用技術水平的提高，天然氣分布式供能系統作為清潔能源高效利用的途徑，將成為實現能源領域低碳、環保的重要手段。

發展天然氣分布式供能系統，為實現我國短期內大幅度降低能源消耗，減少環境污染，加強能源安全，優化能源結構起到積極作用，是我國實現能源可持續發展的必由之路，是解決我國能源與環境問題宏偉目標實現的重要技術途徑。

通過上述案例的介紹，可以得知分布式供能系統的設計重點在于根據用戶的實際用能需求，進行分布式供能系統機組的匹配，實現系統的熱電平衡，提高系統用能效率，達到最優經濟效益及環保效益。分布式供能系統涉及較多設備機組的匹配，還包含工藝、配電、控制等系統的設計，設計工作較為復雜，因此需要根據項目的實際情況進行機組配型及系統設計。

Brief Introduction on Shanghai Natural Gas Distributed Energy Supply Technology

Hu Ying, Tang Geng