天然气冷热电三联供技术及其应用情况

　　摘要：从天然气冷热电联供概念、系统组成、功能特点等全面地论述了天然气冷热电联供的分布式能源是洁净高效的供能方式。介绍了分布式能源在国内外的应用及研究现状。对分布式能源的发展及前景进行了分析与建议。
　　关键词：天然气 冷热电联供 分布式能源
0 前言
　 随着人类生产和生活的发展，各种常规能源的大量消耗促使人们一方面不断探索利用太阳能、地热等各种可再生能源；另一方面更在积极寻求高效、环保的能源利用方式。目前大中城市能源结构正在发生调整，传统的一次能源正在被天然气所代替。而宝贵的天然气资源在城市中的利用更多的是直接被烧掉，如何才能更为合理地在城市中应用天然气？其中一个有效途径是利用天然气冷热电联供系统，即天然气首先驱动发电机组发电，其余热被回收用于供热或驱动吸收式制冷机组制冷。这样实现了能源的梯级利用，从而为高效利用天然气创造了条件。 同时，近2年由于全国各大城市均出现不同程度的供电紧张，尤其是东部各大城市，为了缓解“电荒”，国家也相应出台了一些鼓励政策，以支持天然气冷热电联供技术为主导的分布式能源系统的推广应用。
　　天然气是洁净能源，在其完全燃烧后及采取一定的治理措施，烟气中NOx等有害成分远低于相关指标要求，具有良好的环保性能。美国有关专家预测如果将现有建筑实施冷热电三联供（Combined Cooling heating and power，简称CCHP）的比例从4%提高到8%，到2020年CO2的排放量将减少30%。
　　分布式能源系统（Distributed Energy System）在许多国家、地区已经是1种成熟的能源综合利用技术，它以靠近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府、企业界的广泛关注、青睐。分布式能源系统有多种形式，区域性或建筑群或独立的大中型建筑的CCHP是其中1种十分重要的方式。
1 天然气冷热电联供系统及其特点
以天然气为燃料的动力装置，例如燃气轮机、燃气内燃机、斯特林发动机、燃料电池等，在发电的同时，其排放的余热被回收，用于供热或驱动空调制冷装置，如吸收式制冷机或除湿装置等，这种以天然气为燃料，同时具备发电、供热和供冷功能的能源转换和供应系统，就是天然气冷热电联供系统。由于供热和供冷受管网输送能力的限制，CCHP系统一般尽可能靠近用户侧，且规模较小，它是分布式能源系统的一种重要形式。
　　冷热电联供系统设置蓄能装置和制冷系统。蓄能装置可以在空调季蓄冷，采暖季蓄热。制冷可通过2种方式，即吸收式制冷机和压缩式制冷机，其中吸收式制冷机的热源可以有2种，即动力装置发电后排放的余热或锅炉。

1.1 能源的梯级利用
　　冷热电联供系统将燃料燃烧后的高温热能先变为电能，而温度低的低品位热能用于供热或制冷，这种能源利用方式实现了能源的梯级利用，与燃料燃烧后直接供热或制冷相比，为节约能源创造了有利条件。
100份的天然气通过热电联供，可以满足30份的电需求（热电联供的发电效率为30%）和55份的热需求。如果采用常规功能方式，即天然气锅炉供热（锅炉效率为85%）和天然气的燃气——蒸汽联合循环发电（考虑到发电效率和输配电效率，取电厂供电效率为50%），则分别需要60份和65份天然气。相对于常功能系统，该天然气热电联供系统可以节约用能25%。因此，相对于常规系统而言，冷热电联供系统在供热工况下还是有节能优势的。
1.2 良好的环境效益
　　燃气分布式能源系统在环保上的优势主要体现在天然气清洁燃料的使用和冷热电联供系统大气污染物排放量的减少这2方面。由于我国电力主要来源于燃煤发电，因而天然气冷热电联供系统发电对煤电的取代，大幅度降低了SO2、CO2、烟尘和氮化物的排放。另一方面，冷热电联供系统由于自身能耗在合适场合下低于常规能源系统，也就直接导致环境污染物排放的降低。因此，采用冷热电联供系统，具有良好的环境效益。
1.3 优越的经济性
评价1个系统的经济性主要看2方面，即初期投资和运行费用。与常规系统相比，满足同样的热、电和冷负荷的情况下，冷热电联供系统主要增加了发电设备，及余热利用设备中，因而其系统初投资要高于常规系统。从运行费用上看，一方面冷热电联供系统由于能源利用效率的优势，特别是在供热工况下，存在燃料成本低的可能性；另一方面，与常规电网供电相比，冷热电联供系统供电省去了区域电网长途输送和城市电网的输配成本，因而代替了价格昂贵的电网送电，其经济性表现在发电电价上。因此，冷热电联供系统虽然初期投资较高，但是在适宜的场合，由于其运行费的降低，相对于常规冷热电分产的系统而言，仍然具有经济上的优势。
1.4 平衡能源结构
平衡城市能源负荷峰谷差。随着人们的生活水平不断提高，空调的普及，夏季电力负荷迅速增加，成为季节性的高峰负荷。夏季电力负荷的大幅增长给城市电网造成沉重负担.由于城市电网承载力的制约，往往出现拉闸限电的情况，对城市经济发展和市民正常生活造成严重影响。而城市燃气，由于采暖用气的比重较大，往往夏季是燃气负荷的低谷期，冬季是燃气负荷的高峰期。天然气冷热电联供系统在夏季的应用，在增加天然气夏季负荷的同时，也消减了城市电力峰值的负荷。冷热电联供对城市电力峰值负荷的消减体现在2方面，一方面是热电机组发电林；一方面是排烟余热制冷代替常规的满足空调负荷的电动制冷用电。这种分散在城市负荷中心的分布式能源系统，可以有效地缓解电力高峰对城市电力输配系统的冲击。综上所述，冷热电联供系统在夏季的运行对于平衡城市电力和燃气负荷的峰谷差是有益的。
1.5 能源供给的可靠性
为了满足1个用户的热、电和冷负荷，传统的能源供应方式是：电负荷一般由城市电网承担，热负荷往往由燃气锅炉承担，冷负荷则由电网提供的电驱动制冷机提供。而对于冷热电联供系统，电负荷可以由发电机和城市电网2个来源保障，热负荷则由动力装置排烟余热和燃气调峰锅炉共同保障，热负荷则有动力装置排烟余热和燃气调峰锅炉共同保障，对于冷负荷，驱动吸收式制冷机的热量同样可由烟气余热和调峰燃气提供，驱动电制冷机的电，可由发电机和城市电网提供。可见，冷热电联供系统对用户的能源供应，无论是热、电还是冷，都有多路保障，因而相对于传统能源供应系统，更有利于提供能源供给的可靠性。
对于天然气而言，其供应设备材料、设计施工等技术都很成熟，管道敷设在地下，不受气象条件、交通等影响，具有很高的可靠性。冷热电联供系统的天然气供给大多数采用中压输送，中压以上的燃气管道一般使用强度高、延伸性好的钢管和能吸收地形唯一变化的机械接口的铸铁管，地震时能承受较大的震动。因此，天然气供应系统是有保障的。
2 国内外分布式能源应用情况
　　国际上，欧美各国都认为热电联产既节能又环保，从政策上大力支持。如从法律上解决分布式热电上网的问题、减免各项税收、给予相关补贴等。这些措施有力的推动了热电联产的迅速发展。美国热电联产装机容量2000年已占总装机容量的7%，计划2010年占总装机容量的14%，2020年占总装机容量的29%。欧共体在20世纪90年代支持了45项热电联产工程，2000年热电联产发电量已占总发电量的9%，计划2010年达到18%。1992年，丹麦热电联产供热已占区域供热的60%，热电装机容量占总装机容量的56%，计划2005年提高到66%以上。
在中国，到2001年底为止，6 000 kW及以上热电联产供热机组总容量占同容量火电装机总容量的13.37% ；
　　国家发展和改革委员会在《2010年热电联产发展规划及2020年远景发展目标》中提出：到2020年，全国热电联产总装机容量将达到2亿kW，其中城市集中供热和工业生产用热的热电联产装机容量都约为1亿kW；
　　预计2020年，全国总发电装机容量将达到9亿kW左右，热电联产将占全国发电总装机容量的22%，在火电机组中的比例为37%左右。
　 与发达国家相比，我国的CHP发展远远落后，分布式能源的发展也还未成规模。但近年来，北京、上海、广州等城市相继实施了一些大型的CCHP项目，CCHP系统的应用越来越受到关注和重视。上海市政府已先后发文明确规定，每建1个kW热电联供装置，给予700元补贴，进口设备免征关税、窗体顶端窗体底端 增值税等。广东预计未来10年建上千座分布式能源站，将催生能源服务行业。
3 天然气冷热电联供技术研究现状
　　天然气冷热电联供技术的研究，除了主要设备，主要集中在系统的评价、系统配置和运行的优化等方面。
　　天然气冷热电联供系统评价研究包括冷热电联供系统在能效、环境影响以及经济性等方面的评价，以及在政府层面对合理发展冷热电联供的规划以及在用户层面上对冷热电联供技术经济适用性的评价等。
　　天然气冷热电联供技术可以实现能源的梯级利用，同时还可以有效的调节燃气、电力的季节性峰谷差，增强城市电力供应的安全性和可靠性，是城市能源消费结构中以中国有益的不可缺少的补充。但从能源利用效率方面来看，并非所有情况下都是节能的。从污染物排放看，也不是都能降低污染物排放的。经济性取决于当地的能源价格和系统的配置与运行状况。
　　冷热电联供技术的发展方向主要体现为：高发电效率、低排放的燃气发电动力装置、高密度高转换效率的蓄能装置以及高效率的热驱动空调方式等。
　　在很多情况下，机组的经济性、节能型一级环保性是难以很好统一的。比如，对于冷热电联供系统而言，很多情形下，由于规划区域的电负荷较小，因此选择发电效率较高的内燃机热电联供机组往往具有经济上的优势，但是既增加了整体排放，又增加了局部排放。这种小型冷热电联供机组在国度级的运行模式不同，对于系统的经济、节能、环保指标也有一定影响。在现行的电价、天然气价格条件下，如果机组在过度季纯发电模式运行时的发电成本低于从电网购电价格，过度季运行对于系统的经济性是有利的，但是这时候相对于冷热电分产模式而言，没有节能性，污染物的整体排放、局部排放也大大增加。
冷热电联供系统的经济性应该与热、冷价格无关，而主要取决于电价、天然气价格、系统的发电效率、供热效率、年最大运行小时数、运行维护费等。
4 结论
　　随着分布式能源水平的提高、各种分布式电源设备性能不断改进和效率不断提高， 分布式发电的成本也在不断降低，分布式能源的应用范围将不断扩大，可以覆盖到包括办公楼、宾馆、商店、饭店、住宅、学校、医院、福利院、疗养院、大学、体育场馆等多种场所。目前，这种能源利用方式在我国仅占较小比例，但可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要的补充，还将在能源综合利用上占有十分重要的地位，除此之外,分布式系统还可以解决我国不发达农村、边疆地区的电力短缺。在我国,由于地理条件的限制,许多农村地区的供电问题还没有解决。通电、通自来水还是许多地区迫切的需要。在偏远地区布置长输电网,不仅造价巨大,而且电网沿途损失也较大,天然气的运输则比较便捷。分布式系统直接布置在用户处,对这些地区来说不失为一种更加可靠、可行的供应方式。因此，无论是解决城市的供电、还是解决边远和农村地区的用电问题，都具有巨大的潜在市场，一旦解决了主要的障碍和瓶颈，分布式能源系统将获得迅速发展。