天然气分布式能源的适用性及发展思路研究

虞正发 上海电力设计院新能源事业部总工程师  2014年11月25日

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料,通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用,综合能源利用效率在70%以上,并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式,是天然气高效利用的重要方式。

天然气分布式能源用在哪些场合使用合适呢?首先看看上海目前的发展情况。截至2013年10月30日,上海共建成的天然气分布式供能项目23个(含今年底即将投运的项目,不包括高校教学实验用项目),装机总规模24.2MW。由于电负荷预测不准、原动机容量选取不合理、业主经营不善、法人更换等原因,已有6个项目停运,目前实际运行的项目只有14个(含试运行中的项目)。若扣除已停运项目,装机总规模约20兆瓦左右。另有两个在建项目,一个是世博B片区,另一个是迪士尼。它们的容量比较大,世博B片区两台4300千瓦,迪士尼8台4000千瓦。从上表中看出,已建成的天然气分布式能源项目中,用于医院的有9个,占已建项目数的39.1%;用于办公楼宇的有6个,占已建项目数的26.1%;用于宾馆的有3个,占已建项目数的13.1%;其它行业5个,占已建项目数的21.7%。这5个其它行业天然气分布式能源项目中,用于洗浴的2个,学校的1个,大型交通枢纽的1个,工业生产的1个。从上海建成的项目情况看,似乎天然气分布式能源更适用于医院和办公楼宇,显然这是不全面的。

上海市已建、在建天然气分布式能源项目一览表

序号 用户名称 原动机类型 装机容量(kW) 备注

1 黄浦区中心医院 燃气轮机 1×1000 已停运

2 舒雅良子 内燃机(柴油) 2×168 已停运

3 天庭大酒店 内燃机 1×357 已停运

4 上海金桥联合发展有限公司 内燃机 1×315 已停运

5 中电投高培中心 微型燃气轮机 1×250 已停运

6 同济医院 微型燃气轮机 2×250 已停运

7 仁济医院(西院) 内燃机 1×350

8 闵行区中心医院 内燃机 1×350

9 仁济医院南院 内燃机 2×232

10 松江区中心医院 微型燃气轮机 3×65

 11 东方医院南院 内燃机 1×232 即将运行

12 奉贤区中心医院 内燃机 1×357 即将运行

13 瑞金医院北院 内燃机 1×334 即将运行

14 华夏宾馆 内燃机 2×240

15 花园饭店 内燃机 1×350

16 中国船舶重工711研究所 内燃机+外燃机

17 上海燃气市北销售有限公司 燃气轮机 1×65

18 申能能源中心 微型燃气轮机 1×200

19 虹桥商务区 内燃机 8×1500(南北) 试运行中

20 虹桥商务区公共事务中心大厦 内燃机 2×227

21 上海航天能源有限公司 微型燃气轮机 1×30

22 浦东国际机场一期能源中心 燃气轮机 1×4000

23 奥特斯(中国)有限公司 内燃机 1×1166

24 世博B片区 内燃机 2×4300 在建

25 上海迪斯尼 内燃机 8×4000 在建

 

一、天然气分布式能源适用场合

 

从理论上讲,只要有冷热负荷需求的地方,或者说原动机(燃气轮机或内燃机)所排放高温烟气的余热能够被全部利用的地方,就有使用天然气分布式能源的可能。比如工业园区、经济开发区、医院、楼宇、数据中心、交通枢纽、宾馆、大型购物中心、学校等等都可以采用天然气分布式能源为其提供冷热电。但受冷热负荷不连续,甚至间断、电负荷与冷热负荷相差过大、用冷、用热时间比较短等因素的影响,会限制一些用户使用,甚至不能用天然气分布式能源。比如建筑业的制桩企业、为休闲食品厂提供糖浆的企业等。对有寒暑假的学校来说,不建议使用天然气分布式能源。

只要用户的冷热负荷连续且基本稳定,同时原动机所提供的冷热负荷用户能全部消纳,所发电能或自用或上网,就可以考虑使用天然气分布式能源。自用上网,如果是楼宇式的,最好全部就地消纳,关于上网也可以理解为就地消纳。

 

二、天然气分布式能源系统设计负荷的确定

 

能源站或能源中心,除天然气分布式能源外还有供冷或供热调峰设备,其中供热调峰设备主要有燃气锅炉、热泵、电锅炉等,供冷调峰设备主要有冷水机组、直燃型溴化锂机组、热泵等。天然气分布式能源只是能源站或能源中心的一部分,只要它所占的比例合适,或者说原动机的装机规模合理,天然气分布式能源成功的可能性就越大。 原动机装机容量规模及其选取规则与项目的冷热负荷特性有关。我们应根据冷热负荷的特性来选用原动机,确定原动机的装机规模。所选定的原动机必须要有比较高的年利用时数,能够长期、稳定的带基本负荷运行,充分发挥原动机高效、节能的优点。

年冷(热)负荷延时曲线

 

对于任何一个可能采用天然气分布式能源的项目,无论是既有建筑、既有生产线还是新建建筑、新上生产线等都应先绘制年冷热负荷延时曲线(冷、热负荷分开绘制),延时曲线的形状能够充分体现项目冷热负荷的特性,并以上图中的设计负荷来确定原动机装机规模。

设计负荷有两种确定方式:一是根据设计负荷占最大负荷的比例确定,二是原动机所承担的年冷热负荷量(见上图中双斜线阴影部分)占项目全年冷热负荷总量的比例确定。由于项目的最大负荷是瞬时值,不确定因素很大,如果按第一种方式确定装机规模,则很难保证原动机在额定工况下运行,导致年利用时数难以得到保证,最终影响到天然气分布式能源的经济性。因此,通常设计负荷按第二种方式确定,以保证原动机能够带基本负荷运行。这样原动机不仅能够保证一定的利用时数,而且原动机长期、稳定运行也能够提高能源利用率。

那么,原动机承担的负荷比例多少才合适呢?这就与项目冷热负荷的特性有关,或者说与延时曲线的形状有关。曲线越陡峭,说明冷热负荷变化越大,如果日负荷是连续的,可以考虑采用天然气分布式能源,但原动机提供的年负荷量不宜过大,一般占总负荷量的20~30%左右,如医院一般控制在20%左右,宾馆控制在30%左右等。曲线越平坦,呈梯形状,说明负荷稳定,变化不大,适合采用天然气分布式能源,原动机提供的年负荷量也比较大,甚至可以占到总负荷量的80%左右,如造纸厂、化工厂等。

 

三、天然气分布式能源的发展

 

天然气分布式能源适用范围很广,也有很多的优点,但发展很慢。国家发展和改革委员会等部委局下发的2196号文件明确提出,到2020 年,在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统,装机规模达到5000 万千瓦。从目前情况看,差距还很明显。究其原因,有原动机价格过高、冷热负荷预测不准导致装机规模偏大、原动机选型不当、系统配置不合理、运行管理不善等。其中,由于原动机尤其是燃气轮机基本上都是进口设备,其高价格确实影响了天然气分布式能源的发展。目前,原动机的国产化率还比较低,降低原动机的价格还需要时日。因此,要推进天然气分布式能源的发展,就应首先从冷热负荷的特性、能源站系统配置着手,不求大,但求天然气分布式能源系统能够稳定、连续运行,使天然气分布式能源的优点得到充分体现。

无论是从减少污染物排放,改善空气质量,降低PM2.5浓度,还是从节约能源,提高用能可靠性的角度看,天然气分布式能源都应该发展。最近,全国各省市都在制定减少燃煤总消费量的措施,如北京将在2010年燃煤总消费量2635万吨的基础上,至2015年消减至1500万吨,至2020年消减至1000万吨;上海将在2015年前所有工业燃煤小锅炉以清洁能源替代或调整关停;2017年前完成燃煤热电联产机组和集中供热锅炉的天然气改造,取消分散燃煤等。

以上海的燃煤小锅炉为例,目前上海有2500多台工业燃煤小锅炉,总蒸吨量超过7000t/h。如果这些工业燃煤小锅炉全部以清洁能源替代,意味着仅此一项上海就可减少燃煤消费量300多万吨(锅炉备用量按33%、锅炉效率按70%、原煤热值按5000kcal/kg、年利用时数按3500小时计)。假设这些燃煤小锅炉中10%是以天然气分布式能源替代,且原动机全部采用小型燃气轮机,则装机规模可达到200MW左右,若原动机中有部分采用内燃机,装机规模将更大。对比一下,目前上海已建成的天然气分布式能源装机总规模只有24.2MW,其中还以内燃机居多。因此可以说国家和地方层面的节能减排、减少燃煤消费量的举措已经为天然气分布式能源的发展提供了很好的方向和空间。

天然气分布式能源的发展,仅仅关注技术层面还不够,还应多关注政策的引导作用。最近,国家发改委颁布了《分布式发电管理暂行办法》(发改能源(2013)1381号文),国家电网公司出台了《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》(国家电网办〔2013〕333号文),上海市政府制定了《天然气分布式供能系统发展扶持办法》(沪府办发〔2013〕14号文),这些政策充分说明了国家对于天然气分布式能源发展的重视程度和支持力度。现在的关键是如何将这些政策落到实处。为此,我们要加强宣传,普及使用天然气分布式能源给我们所带来的好处,使天然气分布式能源所具有的安全、经济、高效、节能、减排等优点得到充分的体现,使天然气分布式能源的推广更为顺畅。

有了政策的支持和技术的支撑,加之人们节能减排、保护环境的意识日渐增强,天然气分布式能源的快速发展已是必然。


 
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