天然氣在分布式發電系統中的運用

林王清

浙江省天然氣開發有限公司, 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、潔凈等優勢[1]。1785年左右,英國首次將天然氣應用于商業用途,天然氣的開發利用在全球范圍內伴隨著鉆探技術的成熟和開采量增長逐步加大[2]。一般認為,天然氣是一種清潔能源,天然氣的開發利用,對減少溫室氣體排放、改善大氣環境、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電系統,已開展了天然氣的供能研究。美國國家可再生能源實驗室(NREL)的Pless J等人[4]對分布式應用中天然氣(NG)和可再生電力(RE)混合系統進行了分析、建模;加拿大卡爾加里大學電子與計算機工程系的Odetayo B等人[5]對分布式配電系統中的電力和天然氣分配系統進行了綜合規劃研究;波蘭華沙理工大學熱工研究所的Milewski J等人[6]對基于天然氣內燃機的分布式發電控制策略進行了專題研究;美國德克薩斯大學奧斯丁分校的Touretzky C R等人[7]對天然氣分布式發電對電網的影響做了較為深入的研究;中國華北電力大學的Dong Jun等人[8]在ESSAEME會議上論述了中國天然氣分布式發電的發展現狀、投資優勢等相關內容;美國亞利桑那州立大學的Kamdar K[9]在其碩士學位論文中對配電小區中天然氣分布式發電的燃氣輪機設置進行了專題研究。

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

1 分布式發電中的天然氣供能

1.1 分布式發電

分布式發電,也可稱為分散式發電[10],是一種發電技術與系統。顧名思義,是一種屬于較分散的發電方式,與傳統集中式發電相對應,指的是較靠近負載端且發電功率在幾千瓦至數百兆瓦之間的系統。

1.1.1 分布式發電的能源獲取

根據分布式發電所使用的一次能源類型,分布式發電的驅動能源類型可分為化石能源和可再生能源。其中化石能源是碳氫化合物或其衍生物,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、風能、水能、生物能等。此外燃料電池根據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 分布式發電的優勢

將分布式發電供能系統以微網的形式接入實際電網并網運行,既可以分布式利用,又可以對電網起到補充和輔助作用,是智能電網的重要組成部分[11]。對比傳統集中式發電,分布式發電主要優勢有:

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

2)增加發電量。可以充分開發利用各種可用的分散存在的能源,如小型太陽能發電站、居民區的生物能發電站等。

3)自動化程度高。由于各類分布式發電都可使用整流、逆變及各類算法實現智能控制,易于實現模塊組合化,進而實現全自動并網。另外可對供電區域的供電質量和性能進行實時監控。

4)用電可靠。分布式供電相比大型集中供電系統，可大大提高系統的可靠度,在意外災害發生時繼續供電,可成為集中供電系統不可缺少的重要補充。

圖1是典型的基于分布式發電的微網系統。圖1中各分布式發電系統通過電力電子裝置對各自系統進行供電[12],并通過微網模式控制器結合每個分布式控制器對并到微網的電能質量進行控制;每個微網獨立工作,通過斷路器進行并網,從而吸收和反饋能量;并網模式控制器通過模式控制,調控各個子微網。

圖1 基于分布式發電的微網系統示意圖

分布式發電和微網是智能電網建設的重要組成部分[13],大電網與分布式發電相結合的微網運行方式是節省投資、降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性的主要方式,是未來電網發展的主要方向。

1.2 分布式發電中的天然氣供能

目前,較為熱門的天然氣熱電聯產[14]和天然氣分布式能源等項目[15],已將天然氣作為發電能源進行利用,天然氣熱電聯產是指由天然氣供能的熱電廠同時生產電能和可用熱能的聯合生產方式[16];天然氣分布式能源,是通過冷熱電三聯供等方式實現能源梯級利用的聯產聯供系統[17]。天然氣熱電聯產項目及天然氣分布式能源站已在中國許多省份投產運行。

分布式發電系統是一種因地制宜的發電系統,相對于大電網,其能滿足特定用戶的需要,同時支持并網運行。對于分布式發電系統,各類發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],配套工業日益發展完善[19],能成為分布式發電系統發電能源供給的重要來源。圖2為分布式發電系統中天然氣供能示意圖,天然氣發電系統通過就地獲取的各類天然氣資源進行發電,將余熱進行利用,部分電能就地利用,多余電能與其他能源發電系統一并入微網或主網。

圖2 分布式發電系統中采用天然氣供能示意圖

1.3 天然氣發電的污染物排放

目前,世界范圍內的發電主要以水力發電、火力發電和核能發電為主,其中火力發電比重最大,占50%以上,而火力發電又以化石燃料為主要發電能源。目前，煤炭在中國能源消費的占比達60%以上,燃煤發電機組在中國總裝機容量的占比達60%以上,有必要將天然氣發電與燃煤發電的污染物排放情況進行比較。圖3和圖4 分別是燃煤發電和天然氣發電的流程,其中天然氣發電的模型基于燃氣蒸汽聯合循環方式。

圖3 燃煤發電流程圖

圖4 天然氣發電流程圖

表1為每燃燒1 t煤和100×104m3天然氣所產生的污染物量[20],根據天然氣與標煤的熱值,計算得到表2中每發1度電所排放的污染物數據。

表1 污染物排放情況表

表2 每發1度電所排放的污染物表

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

2 天然氣發電的仿真研究

為了更好地開展分布式發電中天然氣供能控制策略研究,針對天然氣供能的發電站開展研究,以圖5所示的基于燃氣蒸汽聯合循環的天然氣發電模型,對天然氣發電進行了仿真建模，見圖6。

仿真模型中各參數的對應物理量、仿真設定及取值見表3。

圖5 天然氣發電模型圖

圖6 天然氣發電仿真模型圖

表3 相關仿真實驗數據表

模型中各個模塊全部采取數學建模的方法,以燃氣發電機模塊為例,建模過程如下:

M=9 555No/n

(1)

dn/dt=900(N2-N1-No)/(Jπ2n)

(2)

式中:M為電機轉矩,N·m;J為燃氣發電機轉子轉動慣量,kg·m2,No、n、N 1、N 2分別對應表3中相關仿真參數。由式(1)、(2)得到燃氣發電機模塊，見圖7。

圖7 仿真中的燃氣發電機模塊示意圖

對天然氣發電仿真模型進行實驗仿真,得到燃氣發電機輸出功率No和余熱溫度T 4仿真波形，見圖8～9。通過仿真結果計算得到燃氣發電機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將余熱利用起來,得到系統發電功率的仿真波形見圖10。

圖8 燃氣發電輸出功率仿真波形圖

圖9 余熱溫度仿真波形圖

圖10 天然氣聯合循環發電輸出功率仿真波形圖

根據設計模型,由仿真結果可知,在系統達到穩定工作后輸出功率為185 MW左右。根據設定的天然氣流量6.5 kg/s,計算出燃氣輪機發電和聯合循環系統效率分別為34%及54%左右,天然氣聯合循環發電能有效提高能源利用率。根據仿真結果可知,天然氣聯合循環系統與傳統燃煤發電相比,能大大提高能效。

3 結論

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