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分布式燃气冷热电三联供技术Mr.Z2015-10-60前言分布式燃气冷热电联供系统（DES/CCHP）是一种建立在能量梯级利用概念基础上，以天然气为一次能源，同时产生电能和可用热（冷）能的分布式供能系统。作为能源集成系统（IntegratedEnergySystems），冷热电联供系统按照功能可分成三个子系统：动力系统（发电）、供热系统（供暖、热水、通风等）和制冷系统（制冷、除湿等）。目前多采用燃气轮机或燃气内燃机作为原动机，利用高品位的热能发电，低品位的热能供热和制冷，从而大幅度提高系统的总能效率，降低了燃气供应冷热电的成本。联供技术的具体应用取决于许多因素，包括：电负荷大小，负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等。分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机和内燃机发电技术、余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术，以小规模（几kW至数MW）分散布置的方式建在用户附近，配置灵活，便于按冷、热、电负荷的实际需要进行调节，不仅满足了区域内用户的用能需求，还节省了大量的城市供热管网建设和运行的费用，有助于电网和燃气供应的削峰填谷，减少碳化物及有害气体的排放，产生良好的社会效益，符合可持续发展战略，是未来能源技术发展的重要方向之一，在商业、建筑能源系统中将得到广泛的应用。1分布式燃气冷热电三联供技术概述分布式燃气冷热电三联供（DES/CCHP）是最近几年发展起来的新兴技术，有其特定的产生背景和技术经济特点。对其推广和应用，一方面要合理使用，因地制宜，另一方面要提供良好的政策支持和专业可靠的技术支持。1.1分布式燃气冷热电三联供技术的发展背景分布式燃气冷热电三联供技术引起广泛应用与关注的时代背景是小型分布式供电方式成为电力工业新的发展方向，天然气在能源结构中占有越来越重要的位置，同时季节性缺电成为一种急需解决的能源供需矛盾，节能成为时代发展的主题之一。1.1.1供能系统分布化趋向2003年8月18日的晚上，在纽约一片漆黑的夜空中，数以百计的点点亮光特别耀眼。那是一些建筑物配置的分布式供能系统在美加大停电中留下令人印象深刻的一幕。安全性是分布式功能最重要的特点之一，同时，分布式功能系统还具有节约联网成本、环境污染少、调峰性好、调度灵活以及节约土地资源等诸多优点。对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题：合理调整能源结构、进一步提高能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染，单一的大电网集中供电解决上述问题存在困难，而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此，大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，成为二十一世纪电力工业的发展方向。纵观西方发达国家的能源产业的发展过程，可以发现：它经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。因此，虽然从目前能源产业的发展情况来看，集中式供电是我国能源系统发展的主要方向，但从长远看，构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统，增加电网的质量和可靠性，将为能源产业的发展打下坚实的基础。1.1.2天然气使用推广天然气作为一种清洁、便利的能源，其使用范围越来越广，利用规模也越来越大。天然气发电是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，调峰性能好。天然气大量用于化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少等优点。随着石油资源的相对紧张，开发潜力极大的天然气已成为现代能源结构中重要的组成部分。目前世界各国都在加快进行开采和进口量，推广使用天然气。我国天然气资源的开发和引进也已进入了一个快速发展的新阶段。如何高效、经济地利用天然气已经成为天然气下游市场开拓的关键问题。在天然气气源充足的情况下，由于LNG、PNG的价格比气井天然气高出数倍，因此用于化工业是不经济的。除了一部分提供给工业生产部门供燃烧外，绝大部分（70%以上）须通过发电和民用燃料环节消耗。居民用城市燃气的数量不大，且发展潜力往往是有限的，因此须通过建大规模天然气电厂和发展DES/CCHP系统实现。由于目前煤电技术较为成熟，能源量稳定，发电成本较低，天然气发电主要用于季节性的调峰。因此分布式燃气供能系统成为天然气推广中重点发展的一个利用场合，它具有环保、社会、经济的三重效益。1.1.3电力和天然气的季节性峰谷差随着经济快速发展和产业结构调整，我国能源、电力消费快速增长，电力供应缺口逐年拉大，特别是季节峰谷性缺电明显。目前建筑耗能占社会总能耗的20.7%，而供热与空调能耗占建筑能耗的65%。居民所用电空调比例几乎为100%，商用空调约80%是电空调，电力高峰负荷出现在夏季，其中40%的电力负荷是用于电制冷空调的。此时如果不高度重视节能以及改善能源消费结构，能源、电力的供需矛盾将面临严峻挑战。同时，我国城市冬季供暖多采用燃煤、燃气热水锅炉或蒸汽锅炉，生活热水常采用燃气灶及燃气热水器制取。冬季气温较低，取暖和生活热水使用量增大，造成了燃气需求量的季节性峰谷差，不利于燃气供应的稳定性。分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点，将夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来，有利于季节调峰，改善能源供给结构。1.1.4能源利用效率的要求在能源利用效率方面，我国的万元GDP能耗与发达国家相比，存在巨大差距。全国平均能源利用总效率为33.4%左右，与国际先进水平的50~55%相比，还有较大差距。提高单位GDP能耗和整体的能源利用效率对实现经济和环境的可持续发展具有重要意义，节能在我国现阶段应备受重视，任重道远。分别配备供电、供暖、制冷和供应生活热水的装置，不但造价高，而且能源利用率低。目前的建筑能耗80%属于低品位能量，目前多半采用电力和燃煤，“高质低用”，属于浪费。CCHP可以实现能源梯级利用，提高整体能源利用率，起到节能的作用。1.2分布式燃气冷热电三联供系统构成与特点分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机设备和余热利用设备构成，有多种组织形式，在应用中有鲜明的优缺点，推广和规划时应予以充分考虑。1.2.1系统的基本组成燃气冷热电联供系统由燃机设备和余热利用设备构成，其中燃机设备是系统的核心，包括燃气轮机、内燃机等。余热利用设备包括余热锅炉、吸收式制冷机、换热装置、电制冷机，燃气锅炉等。燃机通过燃烧天然气发电后，产生的高温烟气送入余热利用设备，冬季可用于取暖，夏季可用于供冷，还可生产生活热水，驱动热量不足部分可由补燃的燃气进行供应。根据项目的条件，联供系统及其设备配置可作多种形式的变化，如可采用冰蓄冷装置、蓄热装置、热泵等，提高系统的整体能源利用效率。1.2.2系统的类别形式分布式天然气冷热电联供的系统形式很多，根据燃气发电机种类、余热利用设备种类、发电机与市电的关系和系统运行时间不同来划分。根据燃气发电机种类划分，有燃气轮机冷热电联供系统、燃气内燃机冷热电联供系统、微燃机冷热电联供系统、燃料电池冷热电联供系统等。根据余热利用设备种类划分，有传统余热锅炉+吸收式制冷机组系统（含热水型和蒸汽型）、补燃型余热锅炉+吸收式制冷机组系统、余热吸收式制冷机组系统等。根据发电机与市电的关系划分，有发电机与市电并网运行方式和发电机与市电切网运行两种方式。根据系统运行时间不同划分，有全年连续运行和季节性间歇运行两种系统，前者发电机组全年不关机，后者一般采暖季和制冷季运行，过渡季不运行。还有一些系统为每天间歇运行方式，后半夜电负荷低时，发电机组关机。1.2.3系统的特点分布式燃气冷热电联供系统的主要优点包括：1．峰谷差调节作用。燃气负荷与电力负荷在季节上大致呈互补关系，运行期间用气量稳定，减少了两方面各自的季节峰谷差。2．能源利用总效率高，冷、热、电成本互摊，较为经济。3．可作备用电源，提高供电安全性。设备能快速启动，冷态启动仅40min，能起到可靠的备用电源作用，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。4．无输配电损耗，同时节约了变电设备和电网建设费用。减少了输热损失和热网费用。就近供电减少了大容量远距离高压输电线的建设，不仅减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊及线路上树木的砍伐，利于环保。5．资金密度低，建设周期短，正常情况下投资回收快。微型冷热电联供系统应用于宾馆、商业区及住宅区的保值回收期为3～6年间。系统具有较好的经济可行性。分布式燃气冷热电联供系统的其他优点还包括：1．可以满足特殊场合的需求，例如在电网覆盖率不高的地区、分散的用户、安全要求高的场合等。2．可带动燃气轮机、余热锅炉、制冷机等制造业的发展，每年创造GDP上百亿元。3．使用灵活，可根据实际负荷需要自由启停。发电机组和空调机组均可单独运行，满足冷、热、电负荷需要。4．燃气轮机可使用多种燃料，燃料消耗率低，排放低，尤其是使用天然气。分布式燃气冷热电联供系统的主要缺点包括：1．对热负荷要求高。使用CCHP的先决条件是有较大的热负荷，同时要求冷热负荷稳定。虽然微型燃机发电效率己从17%-20%上升到当前的26%-30%，但以微型燃气轮机作为动力的简单的分布式供电系统的热转功效率依然远小于大型集中供电电站。三联供系统如果仅作为发电使用不考虑利用余热的效益，则发电成本高于目前市电平均价格，单独发电是不经济的。对于热负荷变化较大的建筑物或者负荷率很低的场所，能源综合利用效率一般很难达到期望的效果，并且发电机的使用寿命也会受到影响。2．系统成本的经济性受政府行为干预的影响大。CCHP成本中燃料占67%~78%，其经济效益受市场燃料与用电价格（电价、气价、热价）的影响（希望的大趋势是电价上涨、气价下跌），这些与政府定价因素有关，在中国气电比价高的特点下更是如此。从天然气公司得到的供气价格高于燃气电厂价格，增加了发电使用成本。能否采用燃气季节性差价等优惠制度很重要。CCHP的推广要求一定的优惠政策，使投资商在贷款准入、税收方面给以优惠。否则结果很可能是能源利用率上升了，财务上却亏空了。投资商要求投资回收年限短。3．受气源参数的局限性较大。大型燃气轮机DES2MPa以上。一般分布式功能系统所需的16kg/cm2及以上压力的天然气不能进入城市市区，这意味着只能从周围低压管道中抽气再增压供气，然而，这种运行方式对其他燃气用户有何影响要进一步评估。增设天然气增压站投资大（预计200—300万元需3年左右收回）、施工时间长，增加了设备（压缩机、储气罐、控制系统等）需管理、维护。4．NOx排放造成的环境污染。虽然系统发电的排放量比采用以煤为燃料的火电机组发电少得多，但只要有高温燃烧，就会产生NOx，分布式发电大多布置在城市中，增加了城市中NOx的排放量，使环保状况变坏，城市中过多的CCHP还会产生热岛效应，使城市气温升高。分布式燃气冷热电联供系统的其他缺点包括：1．国内缺乏生产小型、微型燃气轮机的能力，靠进口成本高。2．自备发电系统的上网未予标准和规范。有电压调整、谐波污染、破坏继电保护和短路电流、铁磁谐振、控制调节与可靠性等一系列并网问题有待解决。3．冷热电联供系统主要针对单一用户，而这种负荷随环境温度剧烈变化，与传统大电网、大热网相比，不存在“同时使用系数”，供需间的缓冲余地明显降低。因此与传统热力系统相比，冷热电联供系统经常处于非设计工况运行模式，其全工况的特性相对设计工况就更加重要和有意义。4．有可能出现运营商为尽早收回投资而利用优惠政策大量单纯发电的现象。这样反而违背了投建DES/CCHP的初衷。1.3分布式燃气冷热电三联供系统的应用现状燃气冷热电三联供系统对用户的用能特点有一定要求，因此在一定的适用场合才能保证其技术合理性和及经济合理性。作为分布式能源发