天然氣分布式能源區域利用技術分析

何耘夫

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

天然氣分布式能源是高效利用天然氣并實現能源結構優化的重要方式，與傳統的集中供能方式相比，天然氣分布式能源的主要優勢體現在能效高、清潔環保、安全性高、削峰填谷、經濟性好等多個方面。

近年來，隨著燃煤供應環保壓力的逐年提升，天然氣作為一種清潔能源，其推廣具有重要的國家戰略意義，另一方面，隨著電力結構調整和能源結構的優化，積極進行天然氣分布式能源的研究和構建，對于建設國家清潔能源戰略具有重要意義。

1 我國天然氣分布式能源區域利用技術發展現狀

國家十三五規劃建設后，在眾多扶持政策的指導下，我國的分布式能源進入了快速發展時期，2015 年被認為是天然氣分布式能源實質應用的關鍵點，在實際應用中影響天然氣分布式能源利用的主要因素，包括地區經濟發展因素，熱負荷、冷負荷、電負荷需求等。統計數據顯示，2015 年，我國天然氣能源建設項目已增至302 項，其中在建及已建項目201 項，總裝機容量達到1000 萬千瓦以上，這其中區域式項目包括166 項，樓宇式項目136 項，雖然區域式項目和樓宇式項目在數量上相差不大，但是，在總裝機容量上差別巨大，其中區域式項目占到總能源類型的95%以上。從天然氣分布式能源建設區域上來看上海、廣州、江蘇、北京等地區的大中型城市天然氣分布式能源區域利用的重點。此后，我國天然氣分布式能源的在建項目和裝機容量提升迅速，相關研究和應用案例也逐漸增多。

2 分布式能源項目原則分析

燃煤在能源結構中的占比高是我國能源發展的現狀，且在供能方面電力的供應過剩，燃煤供熱污染嚴重以及大面積供熱因用戶分散導致能源利用率低等都是目前急需解決的問題。天然氣分布式能源作為區域供能的一種補充形式，能夠有效改善我國的能源結構。但是進入十三五之后，我國天然氣分布式能源并沒有延續之前的快速發展趨勢，用戶表現非常理智和克制，這其中電、冷、熱負荷差異性較大，技術方案復雜，同類成熟項目少等是導致天然氣分布式能源區域利用復制性較低的重要原因。

2.1 基本原則

綜合能源效率最大化是天然氣分布式能源區域利用的最主要目的，為此需深入研究服務區域的能源需求及需求的種類，確定預期的負荷方案，在此基礎上科學確定功能的范圍和系統配置參數。低能低用、溫度適合、高能高用、梯級利用、綜合利用效率高是天然氣分布式能源區域利用的基本原則。

2.2 電力負荷分析

現階段，我國電力供應相對過剩，區域性的集中供熱及供暖需求缺口較大，為此應在天然氣分布式能源區域利用項目中，按照以熱定電的原則確定裝機方案，最大化綜合效益。由于區域性的電力供應過剩，新建項目的電量難以上網，所以在天然氣分布式能源區域利用中，應以自用和區域直接供應為主。在電力缺口較大的區域或者電網電力調控能力較高的區域，可考慮多余電力資源上網的問題。

2.3 冷熱負荷分析

考慮到區域供能需求的冷熱負荷的不確定性，應在機組的選用上重點考慮安全可靠、調節靈活、經濟適用的，同時，又能夠承受一定的冷熱負荷變化調節。在統計每天最高、最低及平均冷、熱負荷的基礎上，繪制熱負荷年度曲線變化圖。根據全年負荷曲線進行綜合分析，科學確定方案中的冷熱負荷。

3 原動機型選擇分析

天然氣分布式能源區域利用中的原動機主要包括燃氣內燃機和燃氣輪機，其中樓宇分布式能源站多采用內燃機，區域能源供應主要考慮內燃機和燃氣輪機。具體的設備配置需要根據用戶的需求不同，采用相應的主機系統。一般來說，工業蒸汽用戶采用燃氣輪機系統，城市居民、商業等需要采暖的用戶采用內燃機系統。

3.1 燃氣輪機選型原則

天然氣分布式能源的特點是區域性供能，能源就地生產就地消納，因此，燃氣輪機的規模不宜過大，單機容量應控制在50MW 內。為此，可選用工業輕型型燃氣輪機和航空改進型燃氣輪機。燃氣輪機的選型應采取熱電聯產項目中以熱定電的原則，根據用戶平均熱負荷來選擇適宜的輪機規模。航改型燃機的啟停速度快、投資高，適合負荷頻繁波動較大的項目；相反，工業燃氣輪機的投資低，但機組啟停時間長，適用于負荷相對穩定的用戶。燃氣輪機的選型是一個復雜的過程，需要根據場地大小、用戶需求、項目投資經濟性及實際負荷情況等，綜合多種因素進行考慮。

3.2 燃氣內燃機選型原則

內燃機相較燃氣輪機的單機容量更小，規格由100kW ～10MW，且發電效率高，負荷響應更快，適用于小型區域分布式能源項目。由于內燃機的余熱煙氣溫度較低，不適合制取蒸汽供給工業用戶，因此，多用于城市區域供電和供冷供熱項目，主要的利用形式是采用內燃機+溴化鋰機組的冷熱電三聯供模式。

內燃機選型也是基于用戶負荷，根據負荷曲線測算設備的開機時間和負載情況，考慮到內燃機設備投資高于其他輔助供能設備，為保證投資經濟性，原則上內燃機的年發電利用小時數不應低于3000 小時。由于內燃機項目大多位于城市區，且近年來國家對燃氣發電的補貼逐步降低，從項目長期運行風險考慮，不宜采用發電上網的運行模式；應采用自發自用或者用戶直供的運行方式。

4 余熱系統分析

余熱系統可根據原動機的類型進行配置，通常燃氣輪機配置余熱鍋爐系統制取蒸汽或熱水，用以滿足區域內用戶的工業蒸汽需求、采暖及生活熱水等；內燃機配置煙氣熱水溴化鋰機組或者煙氣板換制取熱水、冷水，用以滿足區域用戶采暖、制冷及生活熱水等需求。

4.1 余熱鍋爐系統

余熱鍋爐多用于燃氣輪機的尾部煙氣余熱利用，燃氣輪機排出的煙氣溫度高，可在余熱鍋爐中進行熱量回收產生蒸汽，用于工業蒸汽供熱和生產熱水，即單循環系統；也可將蒸汽接入汽輪發電機系統進行發電組成聯合循環機組，是能源高效利用的一種形式。

單循環機組相較于聯合循環的優勢在于占地小、系統簡單、投資低，不足在于發電效率低，機組調節不靈活。

單循環系統和聯合循環系統各有優缺點，具體的選擇需要根據項目實際情況分析，一般來說，蒸汽售價高、電量消納能力不足、上網電價低的區域宜采用單循環系統。反之，蒸汽價格低、電量供應不足、上網電價高的區域宜采用聯合循環機組。

4.2 內燃機余熱系統

內燃機的余熱系統主要采用煙氣熱水型溴化鋰機組，將內燃機發電后產生的高溫煙氣和高溫缸套水的余熱吸收之前的熱水和冷水，用于居民、商業供冷供熱。

5 三聯供項目現狀問題

現階段，我國天然氣分布式能源項目存在性質混淆問題，部分項目實際上仍然是傳統的天然氣發電項目，但是在申報過程中，以分布式能源項目進行申請；與此同時，在項目的實際運行過程中，冷熱負荷不充分的問題較為突出，在項目設計之初，沒有深入探究該地區的熱負荷和冷負荷需求，導致機組選型存在偏差。實現冷負荷，熱負荷和電負荷的平衡，以及能源綜合利用效率的最大化，是進行天然氣分布式能源區域利用技術的最主要目的。在設計之初，應深入探究服務區域的能源需求和預期來綜合優化系統配置，在經濟合理能源高效利用原則下確定方案。

6 結語

天然氣分布式能源由于可以實現多種能源的供應，且能源利用率高，在區域供能項目的利用中有著其好的經濟優勢。不僅可以有效解決供能分散的導致能源利用率低問題，還可以提高能源供應保障，降低用能成本。但也需要注意，不能盲目開發項目，需因地制宜，根據不同區域的經濟條件、負荷情況、用戶需求、能源價格等條件，定制合理的技術方案。通過多方案的比選和不斷優化，最終達到經濟合理的能源利用模式。