西部地区燃气冷热电联产系统应用前景分析

随着我国西部经济的快速发展，该地区的电网承担能力也受到了前所未有的挑战。近年来由于该地区生活水平的提高和气候持续反常，甚至出现了夏季区域性停电，扰乱了正常的生产、生活秩序，也影响了该地区经济的进一步发展。由于远离经济发达地区，形成一定规模的、强大的集中式电网系统需要很长时间和巨额的投资，这无法满足目前经济快速发展的需要。高效、充分利用能源成了一个不可逃避的课题。夏季是一年中电力最紧张的季节，空调供电成了供电部门一个无法填满的大缺口。据有关调查显示，传统空调制冷的耗电量要占到夏季负荷的4成以上。
天然气具有洁净、高效、储藏丰富、价格稳定等特点，目前全球天然气消费量已高达每年2.6万亿Nm3，占世界一次能源消费总量的24.3%。因环境压力和石油资源限制等因素，预计几十年后天然气将超过石油在世界一次能源消费中占据第一位。[1]西部地区特别是西南地区天然气储量非常丰富，中华工商时报报道：我国西部地区蕴藏着非常丰富的天然气资源，约占全国天然气资源总量的60％，预计在6 600亿m3以上。分布式冷热电联产作为一种实用、经济、节能的能源综合利用形式，发展天然气热电冷联产项目,对于削减电网的高峰负荷、缓解能源供需矛盾、提高能源综合利用效率、减轻污染、改善环境、降低因燃料调整带来的成本增加十分有利。[2]在电力资源紧张而燃气资源丰富的西部地区尤显优势。
分布式冷热电联产可以在不长的时间内，以较小的投资为代价缓解该地区电力紧张的局面，为该地区经济发展提供有力的支撑；同时由于生活水平的日益增加，已经出现了类似于西方发达国家的对于能源产品（冷、热、电）需求多样化的趋势。与集中式供电相比，分布式供电显现了突出的优点，为解决上述问题提供一个更加圆满的方案。
1 分布式热电冷三联供技术简介
分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或（和）冷能的系统。它通过能源的梯级利用，将制冷、制热（包括供暖和供热水）及发电过程一体化的总能系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的，具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。一次能源（例如燃气）利用率可达到90%，且没有输电损耗。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且减少了碳化物和有害气体的排放，还具有良好的经济效益和社会效益。分布式热电冷三联供技术在国际上已经发展的比较成熟了，例如在北欧芬兰、瑞典、丹麦、荷兰等国家都把冷热电联产作为节约能源，改善环境的重要措施，给予了积极的支持。北欧四国热电联产所占比重都很大，在30%以上。
1.1 分布式热电冷三联供技术的优势


与传统的集中发电方式相比，分布式能源系统发电的优势十分明显，主要是：
（1）能效高。实现了能源梯级合理利用，分布式能源系统能效可达80%以上。（2）损耗小，安装在用电侧，分布式能源系统供应与需求在最短的距离内平衡，输配电损耗很小。（3）污染少。多采用清洁、高效的天然气和可再生能源发电，分布式能源系统污染排放量很低，同时，由于分布式能源系统发电的电压等级比较低，电磁污染比传统的集中式发电要小得多。（4）运行灵活，完全性好。分布式能源系统发电方式灵活，在公用电网故障时，可自动与公用电网断开，独立向用户供电，提高了用户自身的用电可靠性；当所在地的用户出现故障时，可主动与公用电网断开，减小了对其他用户的影响。（5）电能质量高，由于分布式能源系统发电设施通常可以就地调整电压和电流波形，保证了较高的电能质量。（6）系统经济性好。由于高效、低损耗和低污染排放，分布式能源系统具有明显的经济性。将分布式能源系统接入传统的电力系统，既可满足电力系统和用户的特定要求，又可提高系统的灵活性、可靠性和安全性。
1.2 分布式热电冷三联供技术发展前景
近2年，党中央、国务院和全国人大公布的文件中均大力强调能源问题，并提出节约能源为基本国策，同时提出要建设资源节约型和环境友好型社会。原国家计委、原国家经贸委、建设部、国家环保总局《关于发展热电联产的规定》（计基础[2000]1268号）文件中明确提出：以小型燃气发电机组和余热锅炉等设备组成的小型热电联产系统，适用于厂矿企业、写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等分散的公用建筑。它具有效率高、占地小、保护环境、减少供电线损和应急突发事件等综合功能，在有条件的地区应逐步推广。在国家发展改革委《能源发展“十一五“规划》中，电力工业发展重点包括推进热电联产、冷热电联产和热电煤气多联供。综上所述结合川东地区丰富的天然气资源其发展优势不言而喻。另外，在发达国家，如美国73%的热电冷三联供项目使用的是燃气，俄罗斯热电冷三联供燃料构成中70%是石油和天然气。这促使我们要大力发展以燃气（尤其是天然气）为燃料的热电冷三联供系统。
2 西部地区分布式热电冷三联产技术应用可行性分析
2.1 四川某厂区所在地的地理、气候情况
该地区位于四川省东北部，大巴山南麓，地处北纬30°92'～32°20'，东经103°29'～108°23'之间。地势东北高（大巴山区），西南低（盆地丘陵区）。最高处海拔2 458.3 m，最低处海拔222 m。全市分为山区、丘陵、平坝3块，山地占幅员面积70.70%，丘陵占28.10%，平坝占1.20%。该地区属亚热带湿润季风气候类型。由于地形复杂，区域性气候差异大。海拔800 m以下的低山、丘陵、河谷地区气候温和，冬暖、春早、夏热、秋凉，四季分明，无霜期长；海拔800～1 000 m的低、中山气候温凉、阴湿，回春迟、无酷暑、秋凉早、冬寒长；海拔1 000 m以上的中山区，光热资源不足，寒冷期较长，春寒和秋霜十分突出。 全市全年平均气温14.7～17.6 C°之间，极限最高气温41.2 ℃，极限最低气温-4.5 ℃，全年平均相对湿度80%，无霜期300天左右。全市雨量充沛，年平均雨量在1 076～1 270 mm之间。春季多寒潮、低温天气，夏季多伏旱和洪涝、大风、冰雹，秋季多连绵阴雨。全市年平均大气压978.2 HPa，室外年平均风速1.3 m/s。
2.2 可行性策略
2.2.1 发电设备比选
分布式热电冷三联供的发电形式有很多，常见的有以下几种：（1）内燃机发电技术；（2）燃气轮机发电技术；（3）微型燃气轮机发电技术；（4）常规的燃油发电机发电技术。
微型燃气轮机冷热电联产系统是一类新近发展起来的小型热力发动机系统，其单机功率范围为几十到几百千瓦，基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构，特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视，特别是在美、欧等国发展迅猛。鉴于我国目前的电力发展及其分布不太均衡以及微型燃气轮机的技术特点和优越性，微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。微型燃气轮机系统具有良好的环保性能，与“小机组”已不是同一概念。同时直接安置在用户近旁的分布式发电装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，可维持重要用户的供电。

与其他发电设备相比微型燃机具有以下一系列先进的技术特征：（1）运动部件少，结构简单紧凑；（2）可用多种燃料，燃料消耗率低，排放低，尤其是使用天然气；（3）低振动、低噪音、寿命长、运行成本低；（4）设计简单、备用件少、生产成本低；（5）通过调节转速，即使不是满负荷运转，效率也非常高；（6）可遥控和诊断；（7）可多台集成扩容。因此，先进的微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供电的最佳方式，使电站更靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。
2.2.2 制冷设备比选
压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷的，通过机械能的分配，可以调节电量和冷量的比例，由于其是以电能来驱动的，其不利于能量的梯级利用故在热电冷联产系统中很少采用；而吸收式制冷是耗费低温位热能来制冷（根据对热量和冷量的需求进行调节和优化），把来自热电联产的一部分或全部低位热能用于驱动吸收式制冷系统。
目前最为常见的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和氨吸收式制冷系统。溴化锂吸收式制冷机以水-溴化锂为工质对，由于溴化锂吸收式制冷机对热源参数要求低、适应性强，而且消耗电能少，所以在我国现阶段的冷热电联产系统中最为常见。氨吸收式制冷机以氨-水作为工质对，其工作原理与溴化锂式有相似之处。对铜有腐蚀性，其最大缺点在于大量的氨泄露会危害人体健康。
3 实际算例

• 投资费用
  

各种能源供应方式投资比较如表1所示。

	微燃机热电冷联供	燃气锅炉+电制冷空调	户式分散空调+电热水器
制冷机/万元	106.7	84	68.5
锅炉/万元	——	40	——
辅助冷却设备/万元	30	23	10
冷（热）水泵/万元	1.8	1.5	1.2
管线及末端设备/万元	23	23	5.5
变电设备费/万元	2.1	62	98.6
电力增容及施工费/万元	——	98.2	98.2
燃气轮机总投资/万元	291.4	——	——
热水器/万元	——	——	38
合计	455	342	320

从表1可知，系统的年投资费用
其中：
Z——系统的年投资费用；
K——系统的初投资；
i——投资折现率，取8%；
n——设备的折旧年限，取15年。
由上式可算得系统的年投资费用为：
微燃机热电冷联供： Z=53.16（万元）；
锅炉+电制冷空调： Z=40（万元）；
户式分散空调+电热水器： Z=37.3（万元）。
3.2 维护成本
维护成本为： Y=ε· K（ε=3%）；
微燃机热电冷联供： Y=3%×455=13.65（万元）。
锅炉+电制冷空调： Y=3%×342=10.26（万元）。
户式分散空调+电热水器： Y=3%×320=10.2（万元）。

• 运行费用
  

运行费用如表2所示。

	微燃机热电冷联供	燃气锅炉+电制冷空调	户式分散空调+电热水器
耗天然气（km3/年）	901	146	——
耗电（kkW·h/年）	-486	1961	3523
运行成本/万元	138	160	236
维护费用/万元	13.65	10.26	10.2
折旧费用/万元	41	38	58
管理人员费用/万元	6	6	0
合计年运行费用/万元	198.65	214.3	304.2
相对于户式分散空调+电热水器年节约运行费/万元	105.55	89.9	0

由实际算例可知，尽管热电冷联产系统的初投资要稍稍高于其他系统，然而它的运行成本相当低，对于像西部这样的电能匮乏而天然气资源丰富的区域，使用燃气热电冷联产是十分经济的选择。户式分散空调是最不划算的。除了折旧成本高的原因以外，因为分散电制冷的COP低，同样冷量下电力的消耗几乎是集中电制冷的2倍，所以运行费用高自然是不可避免的。
4 结语
（1）相对于户式分散空调+电热水器和燃气锅炉+电制冷空调系统分别运行1年和7年可以收回所有成本，经济效益明显。而且其资金密集度相对较低、建设快，容易上马；全年运行时间可长达5 000～6 000 h，天然气需求稳定，是天然气高效利用的一个极为重要的途径，也是天然气下游市场开发的一个主要渠道。
（2）西部地区天然气资源丰富且全年需运行空调的时间很长，并且近年来随着全球气候的变化，自然灾害频发，分布式热电冷联产技术保障局部地区的用电安全的优势尤为明显，在偏远山区推广意义重大。
（3）可以预见，随着天然气的广泛应用、电力垄断的逐步解体、环境保护要求和能源利用率要求的提高，分布式燃气热电冷联产将得到极大的发展，其必将成为中国中小城市现代化的重要动力。