天然气分布式能源技术及其应用

上海液化石油气经营有限公司 吴齐伟

0 前言

近年来，以天然气为主要能源的、具有明显节能减排优势的分布式能源系统，作为 21世纪科学用能的最佳形式蓬勃兴起，得到世界各国的普遍重视和推广运用，发展迅速。

在我国，分布式能源系统也引起人们的广泛关注。国家“十二五”规划已将促进分布式能源系统的推广应用作为战略目标之一，或成未来一个时期能源发展的重要方向，在调整能源结构、转变经济发展方式的大变革中发挥重要作用。

1 分布式能源系统的界定及主要发展方式

分布式能源系统是一种根据工程热力学原理，按“温度对口、热能梯级综合利用”原则，着力提高能源利用水平的概念、方法及其相应的能量系统。所谓“分布式”是相对于传统的集中式供能系统而言的。分布式能源系统既不同于传统的“大机组、大电厂、大电网”的集中式能源生产、供应模式，又与传统概念中的“小机组”有着本质区别。分布式能源系统是建在用户侧，直接面对用户，按用户需求提供各种形式能量(主要是电力、蒸汽、供冷、供热、去湿、通风和热水)的中小型、多目标功能的能量转换、综合利用系统。

按 2002年成立的国际分布式能源联盟所做的界定，分布式能源系统包括高效热电联产、就地式可再生能源系统以及能量循环系统(包括利用废气、余热或压差来就地发电)，同时，这些发电系统应能在(或在靠近)消费的地点提供电力，而不论其项目大小、燃料种类或技术，也不论该系统是否与供电网联网。

据此界定，分布式能源系统的形式多样，既包括微型或小型燃气发电、风力发电、光伏发电，太阳能高温集热发电，燃料电池等独立电源技术，也包含燃料电池—燃气轮机联合循环及分布式冷热电联供系统等。其中，冷热电联供系统(combined colling，heating and power，CCHP)是分布式能源系统发展的主要方向和主要形式，也是最具活力、实际应用最多的一种方式。

分布式冷热电联供系统可以利用各种化石能源和各式可再生能源，或是化石能源与可再生能源的互补组合。但从能源的来源、品位、供能稳定性和优化能源结构以及改善城市环境质量等诸因素综合考量，人们比较一致的看法是：在城市应该采用天然气或以天然气为主、太阳能为辅的能源组合来发展分布式冷热电联供系统。

在实践中，人们把利用天然气为主燃料，通过冷热电联供方式实现能源梯级综合利用，一次能源利用效率超过 70%，贴近负荷中心就地实现冷热电三联供的分布式能源系统，统称为天然气分布式能源。

天然气分布式能源是在热电联产系统基础上发展起来的一种总能系统，它直接面向用户，按用户需求供电、供冷、供热、供应生活热水等。

天然气分布式能源集燃气轮机、燃气内燃机、吸收式冷热水机、压缩式冷热水机、热泵、吸收式除湿机和能源综合控制等高新技术和设备于一体，通过对输入能量及内部能流根据热能品位进行综合梯级应用，以达到更高的能源利用率、更低的能源成本、更高的供能安全性和更好的环保性能等多功能综合目标。

推广和发展天然气分布式能源，是解决我国能源与环境问题的重要技术途径，也是构建未来新一代能源系统的关键技术。

2 天然气分布式能源的总体思路

对分析热机性能至关重要的热力学第二定律，用来分析能源利用充分与否，研究提高热机效率的方向。

在理想条件下(恒温传热、没有任何摩擦发生)，理想热机的热效率为：η=1-T2/T1，其中：T1是高温热源(工质)向热机传热的绝对温度，T2是热机废气向低温冷源传热的绝对温度。

显而易见，对理想热机而言，高温热源的绝对温度T1越高越好，低温冷源的绝对温度T2越低越好。诚然，理想热机效率高，实际的热机效率相应也高。T1高，表示能源所产生的工质(燃气或蒸汽)温度高，称做高品位能源。T2低，表示热机废气的温度比较低，就叫做低品位能源。高品位能源用在热机上最好，因为可以得出较多的机械功；低品位能源就只能作为提供生产较低温度的蒸汽或热水之用，如170 ℃以上的热能尚可用于驱动吸收式制冷机组，而 60 ℃以下的热能就只好充当加热冷水使用，各得其所。这就是说，能量品质存在高低差异，依其温度而定，是呈现梯次的。不过，无论多高温度的热量也不可能完全转化为功，因此只有综合考虑能量所具有的数量和品质两方面的属性，逐级地转化能量并尽量缩小两级之间的温差，才能实现能量的有效利用。

天然气分布式能源采用燃气轮机(或燃气内燃机)与吸收式制冷机联合；先将天然气燃烧产生的1 000 ℃以上高温燃气用以驱动燃气轮机(或内燃机)做功、发电，再利用 300~500 ℃的发动机排气通过余热锅炉产生蒸汽：在夏季用于驱动吸收式双效溴化锂蒸汽型机组，对外提供7 ℃左右的冷水，供制冷空调；在冬季则通过换热器提供 65 ℃的热水以供暖(在复杂循环中，则先用较高温度的蒸汽驱动汽轮机发电，再用汽轮机排汽驱动吸收式制冷机)，从而实现能的综合梯级利用。

天然气分布式能源的总体思路，是根据“温度对口，热能梯级综合利用”原理，在系统的高度上综合考虑能量转换过程中物理能的梯级利用，通过合理安排不同品位和形式的能量、以及各分系统构成的优化匹配与转换利用，总体合理地利用不同品位的物理能；即着眼于更好的总效果，而不拘泥于单一设备或工艺过程的能源利用率或其他性能的提高。核心问题在于能的综合梯级利用，即按能量品位的高低，“高能高用，低能低用”，进行梯级利用；尽量做到“物尽其用”，避免“大材小用”。从而得到在经济效益、能源利用率和碳排放三方面都比较满意的一体化系统。

3 天然气分布式能源的特点

作为新一代的供能模式，天然气分布式能源是集中式供能系统的有力补充。它具有分布式能源系统的所有特点。

3.1 能源损失少、输送成本低、供电安全

天然气分布式能源作为服务于当地的能量供应中心，直接面对当地用户的需求，就布置在用户附近，于是便简化了系统提供用户能量的输送环节，从而减少了能量输送过程的能量损失与输送成本。根据国际分布式能源联盟提供的数据，目前有相当数量的发电量损耗在输配电过程中；若从用户端计算，集中式供电的一次能源利用率尚不足三分之一。而天然气分布式能源的一次能源利用率超过70%，甚至可高达90%。

直接安置在用户近旁的天然气分布式能源与大电网相互配合，有力地弥补了大电网在安全稳定性方面的可能不足，可有效提高用户的供电安全性。尤其是在电网崩溃或意外灾害(如地震、暴风雪、严重冰冻、战争、人为破坏等)情况下，仍可确保对重要用户的安全供电。

3.2 装机容量多为中小容量，灵活性大，调控简便

天然气分布式能源，主要是针对局部用户的需求，其系统容量受到用户需求的制约。因此，相对于集中式供能系统而言，其装机容量仅为中、小容量(kW级至MW级)；其中楼宇型天然气分布式能源的装机规模通常都在20 MW以下；但区域型天然气分布式冷热电联产系统，由于供能规模较大，装机容量达到 100~200 MW 范围；装机容量超过200 MW以上的则限制发展。

由于天然气分布式能源与用户的需求紧密结合，系统规模小，灵活性大，天然气分布式能源往往便于调节，系统性能亦有所改善，节能减排优势凸显。与传统供能系统相比，每100万kW的电力装机容量，每年个可节省78万t以上标准煤，减少排放208万t的CO2和约3万t的SO2。

3.3 多能源输入，多功能输出

随着经济、技术的发展，特别是可再生能源的积极推广应用，用户的能量需求趋向多元、目标各异；又，能源技术的发展，特别是可再生能源技术渐趋成熟，可供选择的技术也日益增多。

天然气分布式能源作为一种开放性的能源系统已显现出多功能发展趋势，既可包容多种能源输入，又可同时满足用户的多种能量需求和其他性能要求。

3.4 系统集成呈现多领域、多学科交叉协同特征

天然气分布式能源系统集成技术与时俱进，呈现多领域、多学科交叉协同特征，专业广、层次深；对流程设计、产品性能、运行模式、工程经验等有较高要求。因此针对用户具体需求(高效、可靠、经济、环保、可持续发展等)的集成方式多种多样，层出不穷，具有很明显的个性特点，复制性比较差。

新型的天然气分布式能源通过选用合适的技术，经过系统优化和整合，可以更好地同时实现多个功能目标，满足用户的特殊需求。

4 天然气分布式能源的技术关键

与传统的、单一功能的简单热力循环和热电联产系统相比，天然气分布式能源是一种更加复杂的能量转换利用系统。它不是各种用能子系统的简单叠加，而是一个通过系统集成将非热力循环系统与热力循环系统有机地结合在一起、来同时满足能源和环境性能等多目标需求的复杂系统。其总体性能不仅与各子系统的具体形式和性能参数有关，更为重要的是还取决于系统构成的流程方式以及各子系统间的热力参数匹配情况。因此，系统集成技术涉及到分布式冷热电联供系统的各个层面，是决定天然气分布式能源成败的技术关键。

合理科学的系统集成，不仅可以使能源动力系统达到提高能源利用率和降低污染的目的，而且可以降低系统中其他联产过程的能耗与初始投资。因此，系统集成理论对分布式能源系统的设计优化、系统开拓和应用发展都是至关重要的。系统集成理论的核心问题是能的综合梯级利用和过程一体化原理，其理论基础是总能系统工程热力学。这是一门建立在工程热力学基础上，与系统工程理论、工程控制理论、计算机科学、信息科学、经济学、生态学等学科彼此交叉，相互渗透而发展起来的，并与能源利用实践紧密结合的工程热力学新学科分支。

作为由多种能源技术集成得到的天然气分布式冷热电联产系统，系统的集成方法多种多样，各个子系统的选择范围也相当广泛；其中动力技术是天然气分布式能源系统集成的核心技术。动力系统处于天然气冷热电联产系统的上游，通常都是根据动力系统来确定天然气分布式能源所采用的系统集成技术。

目前，天然气分布式能源的动力主要采用燃气轮机和燃气内燃机。此外，还有尚处在研发阶段中的燃料电池，由于其排气温度较高，比较适用于天然气分布式能源，是一种很有前途的未来动力。几种采用不同动力技术的天然气分布式能源概略比较见表1。

表1 不同动力技术天然气分布式能源技术比较

从表1可以看出，与燃气轮机相比，燃气内燃机的发电效率较高，电热比较大，部分负荷性能较好。因此，当系统对电力需求较多或经常处于低负荷运行时，就应优先采用内燃机。不过，内燃机的排气温度和缸套水温度都比较低，所能输出的热量相对较少；而燃气轮机的排气温度较高且热流量较大。因此，当用户的热需求较大且对热量的要求较高时，燃气轮机便具有较大优势。

制冷机与热泵是天然气分布式能源不可或缺的重要构成。吸收式制冷机组、吸收式热泵、吸收式除湿和蓄冷技术等都是改善分布式冷热电联产系统能源综合利用效率的重要技术手段。

具体应用时，应仔细分析用户对冷热电的具体需求，来确定所需的系统规模以及不同能量之间的比例关系，然后结合系统的经济性和可靠性进行最终的选择。因此，通常不存在具有普遍意义的系统集成方案，设计结果往往具有极为鲜明的个性特征，颇难复制。

深度集成将更好地体现热能梯级综合利用原理，是进一步挖掘天然气分布式能源潜力的有效手段和技术保证。

5 天然气分布式能源技术的发展

作为未来能源发展的发展方向之一，天然气分布式能源的推广运用可以明显缓解能源生产、利用过程所面临的诸多问题。但作为一种由多个子系统集成而成的复杂系统，目前尚处在快速发展的阶段。不同子系统间的集成以及如何与建筑物的需求整合成一体，尚需更深入的研究和实践探索。基于不同的集成水平，天然气分布式能源的发展，大体上可分为三代。

第一代：主要是实现了常规动力技术与余热利用技术的简单合成，但存在吸收式制冷子系统的补燃量过大，或电压缩式制冷份额过大的问题，相对节能率在 5%~10%(相对节能率的概念是联产系统的能耗减少值与参照系统总能耗的比值。通常都是选择当前使用最广泛的分产系统作为参照，来考察常规系统与联产系统的燃料代价节省情况)。

第二代：通过动力技术与余热利用技术的有机整合，构成了较好的综合利用，相对节能率达到10%~20%。目前实施的多数分布式能源系统，可以达到这一水平。

第三代：尚处在发展中。在仔细考虑用户不同冷热电及环保性能具体需求的前提下，采用最佳的优化控制方式，使得每种需求都能得到满足，相对节能率将达到20%~30%。

调节灵活的天然气分布式能源技术，将带动建筑一体化技术和太阳能技术、微风发电技术以及智能电网技术的发展；其未来发展趋势是：以天然气分布式能源为核心，结合可再生能源构建“小型化区域能源供应网络”，形成多功能互补的智能电网(微电网)与智能冷、热气供应网络。

可以合理地预见，世界电力工业，将由传统的“大电厂、大机组、大电网、城市热网”组合的集中供能系统，向以依靠大型发电为主、天然气分布式能源为补充的“多模式互补系统”转变。

6 天然气分布式能源技术的应用

天然气分布式能源是分布式能源系统的核心技术和最主要的组成部分，它主要用于建筑和过程工业领域。按系统的规模划分，主要有楼宇型、区域型和产业型三种。它们各有特点，要求不同，相应的系统集成原则也有较大差别。概要分述如下：

6.1 楼宇型天然气分布式能源

楼宇型天然气分布式能源面对的是某一建筑(如医院、学校、大型超市、公共设施、宾馆、娱乐中心等)的能量需求，其系统规模较小，由于在同一建筑内不同用户的需求差异不会很大，而且负荷变化方向又往往趋同，供需之间的缓冲空间不大，回旋余地就比较小；这就要求系统必须对用户的能量需求变化作出即时快速反应。为此，联产系统的运行需要紧随负荷变化，运行工况必然要随时进行调整，始终处于被动状态；因此对系统的全工况性能要求就比较高。按系统集成原则，宜采用输出能量比例可调、蓄能调节，同时考虑部分常规分产系统与联产系统优化整合，以及与网电配合的优化运行模式等集成措施予以协调。

楼宇型冷热电联产系统的特点是系统布置相对简单，通常采用燃气轮机－余热吸收型冷热电联供系统。由于燃气轮机的功率范围较宽，可从几kW到200多MW，适用于各种容量规模的天然气分布式能源；其中又以20 MW以下容量的机组应用得最为普遍。

燃气轮机余热吸收式冷热电联产系统，按热力循环不同，主要有两种类型，一种是简单循环型，其系统简单、易于维护，但发电效率较低、多在24%~30%之间，适合那些对电需求不高，但对冷热量需求较大的建筑用户；其冷热电比高达1.5~2.5；这在容量1 000 kW以下的系统中应用相当广泛。另一种是回热循环型，适用于冷(热)电比较低的场合，通常为1.0~1.5，此时热能用于发电的比例相对较高。

目前，楼宇型天然气分布式能源应用最多的是单轴燃气轮机，其流程如图1所示。

图1 简单循环燃气轮机—余热吸收型分布式能源流程

近年来，楼宇型天然气分布式能源还出现了一个值得重视的新动向：以燃用天然气的微小型燃气轮机为核心动力的分布式能源异军突起，或将在别墅、庄园得到广泛应用。

在日本，2001年~2002年期间，仅东京燃气公司一家就安装了700多套30~60 kW的微燃型冷热电联供系统(CCHP)。

6.2 区域型分布式冷热电联供系统

区域型分布式冷热电联供系统面对的是一定区域内若干建筑共同构成的一片建筑群。与单一建筑相比，建筑群的能量需求规模扩大，且由于不同建筑的功能通常不同，相应的能量需求及其变化也会有所不同；因此不同用户的负荷变化很少同步，通常不会同时出现高峰或低谷的情况。因此，联产系统运行时需要考虑负荷的“同时使用系数”，这将加大供应与需求之间的回旋余地，从而降低了对联产系统的全工况性能要求。因此，当规模适当大时，就可以引进高效的燃气轮机——汽轮机发电机组(η=35%~45%)，实现燃气、蒸汽、电力、冷气、热水的最佳匹配，进一步提高一次能源利用率。如，由华电集团建造的目前全国最大的广州大学城区域能源站一期，就是以2×7.8 MW燃气一蒸汽联合循环机组为基础的天然气冷热电三联供系统。燃气能的38%先经燃气轮机转换为电能，50 ℃左右的烟气在余热锅炉产生4.0 MPa蒸汽，然后进抽凝式汽轮机进一步作功发电；可以抽出部分0.5 MPa蒸汽供给第一制冷站的溴化锂吸收制冷机，余热锅炉排出的50~100 ℃烟气用于加热、供应60 ℃生活用水，不足热量用蒸汽透平冷凝潜热补充；燃气能源利用效率达到78%以上(传统的火力发电厂，煤燃烧发电的利用率仅是35%左右，用煤做燃料发电并供热的热电厂，能源利用率也仅在45%左右)。能源站已于2009年成功运行可为大学城内10所大学及周边20万用户提供全部电力、生活热水和空调制冷。

在可能条件下，还可以考虑由若干个相对独立的中小型分布式能源联合，共同构成一个能源供应网络，从而实现不同建筑物之间、企业之间的能量联接和资源共享，以便根据不同的负荷情况，灵活启、停部分机组，使运行的机组始终处在设计工况附近运行，以利于机组的运行控制。

内燃机——吸收式制冷的天然气分布式能源，发电效率较高，且内燃机价格也比较便宜，在区域型天然气分布式能源中应用也相当普遍，其流程见图2。

图2 内燃机—余热吸收型分布能源流程

我国人口众多、居住密集；发展区域天然气分布式能源十分符合我国国情。在目前城市建设快速发展、推进城镇化和现有公用建筑能量系统改造中，都可以采用规模为50 MW左右甚至规模更大的机组，与几万冷吨(1冷吨等于3.51 kW。指24小时1 t的0 ℃水变成0 ℃冰所需的制冷量)的区域供冷系统或几百万平方米的供暖系统结合，建设区域型冷热电联供系统。

6.3 产业型分布式冷热电联供系统

在产业相对集中的现代工业园区，建设天然气分布式冷热电联供系统，面对的可能是若干产业比较接近的企业，也可能是一个中型企业，相应的用户负荷具有趋同的特征。系统运行时，很容易出现这些企业用户同时处于高峰(或谷底)用能的状况，加之负荷规模比较大，对系统的全工况要求必然很高。因此，在系统布置时，应充分考虑蓄能装置对联产系统高效运行与满足用户负荷的协调作用。当然，必要时还可采取管理措施，安排各企业错开时段用能，避峰填谷。

工业能耗占我国总能耗60%以上，采用冷热电联供系统提高能源利用效率的潜力是非常大的。我国化工、食品、冶金、建材、造纸等过程工业都是耗能大户，在其终端耗能构成中，热电比常常在3以上。用热包括蒸汽和物流加热。不同的过程，需要加热的温度范围各不相同。例如，食品工业用热常在100 ℃左右，建材工业用热则会达到800~1 000℃，炼油工业用热从100 ℃左右到400~500 ℃。工业用冷温度范围很广，从0~20 ℃左右的一般浅冷，到乙烯工业、空气液化分离需要的-180 ℃左右的深冷都有。这些用热、用冷都是可以通过联产和联供技术的集成组合来生产和提供，最终实现更高的能源终端利用效率和最大的经济效益。

7 展望

综上所述，推广应用天然气分布式能源技术，对提高一次能源利用率、优化能源结构、减少温室气体排放、降低环境污染、平衡电力、燃气的季节性峰谷差，增加供电安全性和可靠性都有着十分重大的现实意义和战略意义。相关专家指出，“十二五”期间，解决好2015年消费2 600亿m3天然气的合理利用问题，重点就是发展天然气分布式能源。

随着天然气供应量日趋增多，智能电网建设步伐加快，专业化的能源服务公司方兴未艾，我国已经具备大规模发展天然气分布式能源的条件。以燃气轮机、内燃机和燃料电池等动力技术为核心的天然气分布式能源，将首先在发达的东部沿海、中部地区的大中城市、大企业中推广应用。现已进入实质性快速起步阶段，即将迈向规模化实施进程，产业前景广阔。

2011年10月，国家发改委、财政部等四部委联合发文，出台《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，《意见》要求以提高能源综合利用效率为首要目标，以实现节能减排任务为工作抓手，重点在能源负荷中心、包括城市工业园区、旅游集中服务区、生态园区、大型商业设施等，建设区域分布式能源系统和楼宇分布式能源系统；在条件具备的地方结合太阳能、风能、地源热泵等可再生能源进行综合利用。明确提出要在“十二五”期间建设1 000个左右天然气分布式能源项目，并建设 10个左右各类典型特征的天然气分布式能源示范区域；争取到2020年，实现装机规模5 000万kW，初步实现分布式能源装备产业化。同时，为克服天然气分布式能源发展瓶颈，给天然气分布式能源上网、并网创造条件，《意见》还专门提出电网方面要加强对天然气分布式能源并网的配合，并提出今后将在财政、标准等多方面，进一步加强对天然气分布式能源的支持。

与此相呼应，国家能源局起草的《分布式电网上网管理办法》和《分布式发电管理办法》也正在征求意见之中。此外，各地方政府也相继出台相应的天然气分布式能源发展规划及相关的财政扶持政策。发展分布式能源，成为中国提高能源利用效率、实现能源集约化发展、保障经济社会可持续发展的重要途径之一。

在当前形势下，燃气企业未雨稠绸，了解天然气分布式能源新技术及其发展趋势，把握国家政策走向，抓住机遇，布局公司未来发展规划，厉兵秣马，迎接挑战就显得很有必要。