天然气分布式能源区域利用技术分析

何耘夫

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

天然气分布式能源是高效利用天然气并实现能源结构优化的重要方式，与传统的集中供能方式相比，天然气分布式能源的主要优势体现在能效高、清洁环保、安全性高、削峰填谷、经济性好等多个方面。

近年来，随着燃煤供应环保压力的逐年提升，天然气作为一种清洁能源，其推广具有重要的国家战略意义，另一方面，随着电力结构调整和能源结构的优化，积极进行天然气分布式能源的研究和构建，对于建设国家清洁能源战略具有重要意义。

1 我国天然气分布式能源区域利用技术发展现状

国家十三五规划建设后，在众多扶持政策的指导下，我国的分布式能源进入了快速发展时期，2015 年被认为是天然气分布式能源实质应用的关键点，在实际应用中影响天然气分布式能源利用的主要因素，包括地区经济发展因素，热负荷、冷负荷、电负荷需求等。统计数据显示，2015 年，我国天然气能源建设项目已增至302 项，其中在建及已建项目201 项，总装机容量达到1000 万千瓦以上，这其中区域式项目包括166 项，楼宇式项目136 项，虽然区域式项目和楼宇式项目在数量上相差不大，但是，在总装机容量上差别巨大，其中区域式项目占到总能源类型的95%以上。从天然气分布式能源建设区域上来看上海、广州、江苏、北京等地区的大中型城市天然气分布式能源区域利用的重点。此后，我国天然气分布式能源的在建项目和装机容量提升迅速，相关研究和应用案例也逐渐增多。

2 分布式能源项目原则分析

燃煤在能源结构中的占比高是我国能源发展的现状，且在供能方面电力的供应过剩，燃煤供热污染严重以及大面积供热因用户分散导致能源利用率低等都是目前急需解决的问题。天然气分布式能源作为区域供能的一种补充形式，能够有效改善我国的能源结构。但是进入十三五之后，我国天然气分布式能源并没有延续之前的快速发展趋势，用户表现非常理智和克制，这其中电、冷、热负荷差异性较大，技术方案复杂，同类成熟项目少等是导致天然气分布式能源区域利用复制性较低的重要原因。

2.1 基本原则

综合能源效率最大化是天然气分布式能源区域利用的最主要目的，为此需深入研究服务区域的能源需求及需求的种类，确定预期的负荷方案，在此基础上科学确定功能的范围和系统配置参数。低能低用、温度适合、高能高用、梯级利用、综合利用效率高是天然气分布式能源区域利用的基本原则。

2.2 电力负荷分析

现阶段，我国电力供应相对过剩，区域性的集中供热及供暖需求缺口较大，为此应在天然气分布式能源区域利用项目中，按照以热定电的原则确定装机方案，最大化综合效益。由于区域性的电力供应过剩，新建项目的电量难以上网，所以在天然气分布式能源区域利用中，应以自用和区域直接供应为主。在电力缺口较大的区域或者电网电力调控能力较高的区域，可考虑多余电力资源上网的问题。

2.3 冷热负荷分析

考虑到区域供能需求的冷热负荷的不确定性，应在机组的选用上重点考虑安全可靠、调节灵活、经济适用的，同时，又能够承受一定的冷热负荷变化调节。在统计每天最高、最低及平均冷、热负荷的基础上，绘制热负荷年度曲线变化图。根据全年负荷曲线进行综合分析，科学确定方案中的冷热负荷。

3 原动机型选择分析

天然气分布式能源区域利用中的原动机主要包括燃气内燃机和燃气轮机，其中楼宇分布式能源站多采用内燃机，区域能源供应主要考虑内燃机和燃气轮机。具体的设备配置需要根据用户的需求不同，采用相应的主机系统。一般来说，工业蒸汽用户采用燃气轮机系统，城市居民、商业等需要采暖的用户采用内燃机系统。

3.1 燃气轮机选型原则

天然气分布式能源的特点是区域性供能，能源就地生产就地消纳，因此，燃气轮机的规模不宜过大，单机容量应控制在50MW 内。为此，可选用工业轻型型燃气轮机和航空改进型燃气轮机。燃气轮机的选型应采取热电联产项目中以热定电的原则，根据用户平均热负荷来选择适宜的轮机规模。航改型燃机的启停速度快、投资高，适合负荷频繁波动较大的项目；相反，工业燃气轮机的投资低，但机组启停时间长，适用于负荷相对稳定的用户。燃气轮机的选型是一个复杂的过程，需要根据场地大小、用户需求、项目投资经济性及实际负荷情况等，综合多种因素进行考虑。

3.2 燃气内燃机选型原则

内燃机相较燃气轮机的单机容量更小，规格由100kW ～10MW，且发电效率高，负荷响应更快，适用于小型区域分布式能源项目。由于内燃机的余热烟气温度较低，不适合制取蒸汽供给工业用户，因此，多用于城市区域供电和供冷供热项目，主要的利用形式是采用内燃机+溴化锂机组的冷热电三联供模式。

内燃机选型也是基于用户负荷，根据负荷曲线测算设备的开机时间和负载情况，考虑到内燃机设备投资高于其他辅助供能设备，为保证投资经济性，原则上内燃机的年发电利用小时数不应低于3000 小时。由于内燃机项目大多位于城市区，且近年来国家对燃气发电的补贴逐步降低，从项目长期运行风险考虑，不宜采用发电上网的运行模式；应采用自发自用或者用户直供的运行方式。

4 余热系统分析

余热系统可根据原动机的类型进行配置，通常燃气轮机配置余热锅炉系统制取蒸汽或热水，用以满足区域内用户的工业蒸汽需求、采暖及生活热水等；内燃机配置烟气热水溴化锂机组或者烟气板换制取热水、冷水，用以满足区域用户采暖、制冷及生活热水等需求。

4.1 余热锅炉系统

余热锅炉多用于燃气轮机的尾部烟气余热利用，燃气轮机排出的烟气温度高，可在余热锅炉中进行热量回收产生蒸汽，用于工业蒸汽供热和生产热水，即单循环系统；也可将蒸汽接入汽轮发电机系统进行发电组成联合循环机组，是能源高效利用的一种形式。

单循环机组相较于联合循环的优势在于占地小、系统简单、投资低，不足在于发电效率低，机组调节不灵活。

单循环系统和联合循环系统各有优缺点，具体的选择需要根据项目实际情况分析，一般来说，蒸汽售价高、电量消纳能力不足、上网电价低的区域宜采用单循环系统。反之，蒸汽价格低、电量供应不足、上网电价高的区域宜采用联合循环机组。

4.2 内燃机余热系统

内燃机的余热系统主要采用烟气热水型溴化锂机组，将内燃机发电后产生的高温烟气和高温缸套水的余热吸收之前的热水和冷水，用于居民、商业供冷供热。

5 三联供项目现状问题

现阶段，我国天然气分布式能源项目存在性质混淆问题，部分项目实际上仍然是传统的天然气发电项目，但是在申报过程中，以分布式能源项目进行申请；与此同时，在项目的实际运行过程中，冷热负荷不充分的问题较为突出，在项目设计之初，没有深入探究该地区的热负荷和冷负荷需求，导致机组选型存在偏差。实现冷负荷，热负荷和电负荷的平衡，以及能源综合利用效率的最大化，是进行天然气分布式能源区域利用技术的最主要目的。在设计之初，应深入探究服务区域的能源需求和预期来综合优化系统配置，在经济合理能源高效利用原则下确定方案。

6 结语

天然气分布式能源由于可以实现多种能源的供应，且能源利用率高，在区域供能项目的利用中有着其好的经济优势。不仅可以有效解决供能分散的导致能源利用率低问题，还可以提高能源供应保障，降低用能成本。但也需要注意，不能盲目开发项目，需因地制宜，根据不同区域的经济条件、负荷情况、用户需求、能源价格等条件，定制合理的技术方案。通过多方案的比选和不断优化，最终达到经济合理的能源利用模式。