天然气分布式能源技术在国家会展中心(上海)的应用

2017-03-08林文非

环球市场 2017年36期

林文非

华电平潭投资发展有限公司

1 前言

分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统整合优化，是相对于集中供能的分布式供能方式。

天然气分布式能源是以天然气为燃料，利用燃气发电以后产生的烟气余热，实现夏季供冷、冬季供热和一年四季供应生活热水，通过冷、热、电三联供的方式实现能源的梯级利用，在负荷中心就近实现能源供应的一种高效供能方式，能节约大量空调用电，减少或避免能源输送环节和再次转换过程的损失，根据当前技术条件，综合能源利用效率在80%以上，远远高于其他利用形式，是高效利用一次能源的重要方式。

天然气分布式能源技术，核心问题在于能量的综合梯级利用，即按能量品位的高低，“高能高用，低能低用”，进行梯级利用，实现冷、热、电三联供，大幅度提高能源利用率，减少碳排放，改善城市环境，从而得到社会效益、经济效益、能源利用率和碳排放等多方面都比较满意的一体化能源利用系统。

国家会展中心(上海)(以下简称国展中心)是商务部和上海市政府合作建设的具有国际竞争力的一流会展中心，国展中心总建筑面积为147万平方米，其中地上建筑面积127万平方米，地下建筑面积20万平方米，建筑高度43米。国展中心是一个集展览馆、钻石交易中心和知识产权交易中心、办公、酒店和配套商业等组成的综合体，是目前世界上最大的单体建筑，空调负荷和电负荷等综合用能集中、用量大，整体规模适合采用集中供能体系。

天然气分布式能源技术在国展中心的应用能充分体现国展中心“使用经济高效，运行绿色生态”的设计理念，天然气分布式能源技术的应用能充分体现低耗节能、集约用地、发展新兴能源的国家策略，符合低能耗、低污染、低排放的绿色经济，实现可持续发展。

2 天然气分布式能源技术工作原理

国展中心天然气分布式能源系统是以天然气为一次能源的分布式冷、热和电(Combined Cooling Heat and Power)三联供系统(简称CCHP系统)，是以能量的梯级利用为基础，能同时为国展中心提供冷、热和电的一种分布式能源系统。

国展中心天然气CCHP系统的热动力设备是6套GE颜巴赫JMS 624 GS-N.L型4MW级燃气内燃发电机组，一对一配置6台烟气热水型溴化锂机组。调峰设备采用10台7032kW(2000RT)离心式冷水机组，2台7MW燃气热水锅炉。蓄能设备采用2座12000m3蓄能罐。基本流程是先将天然气燃烧产生的1000℃以上高温燃气用以驱动内燃机做功、发电，再利用内燃机发电做功后的300～500℃的高温余热及内燃机缸套水在夏季用于驱动吸收式溴化锂制冷机组制冷，对外提供6℃左右的冷水，供国展中心夏季用冷；在冬季则驱动吸收式溴化锂机组制热并对外提供65℃的热水供国展中心供暖，从而实现能源的综合梯级利用。

燃气内燃机其工作原理是将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。400℃左右的内燃机排气和100℃左右的汽缸套冷却水，作为吸收式制冷(热)机的驱动热源。内燃机——余热烟气型吸收式分布式能源流程如下图。

内燃机—余热烟气型吸收式分布式能源流程图

国展中心天然气分布式能源冷、热、电三联供系统采用以冷/热定电、冷/热电平衡的原则，最大限度利用发电余热制冷制热，确保整个供能系统的效率最高，因此，综合能源利用效率可达到84%左右。

考虑到展馆用能负荷特点是用能负荷不稳定且尖峰负荷特别大，能源站设计的原则是以余热利用系统供能为主，同时通过余热利用系统结合调峰设备以满足所有负荷需求。根据以往会展中心的能耗数据和用能设备的运行记录，计算并绘制出该会展综合体集中供冷和供热系统典型设计日运行模式曲线(图1和图2)如下。

图1 供冷系统100%负荷设计日运行模式曲线

图2 供热系统100%负荷设计日运行模式曲线

3 国展中心采用分布式供能系统的优势和不足

国展中心采用天然气分布式供能系统具有其它供能源系统不可替代的诸多优势，归纳总结主要有以下几个方面的优点：

(1)能源利用率高，经济效益巨大

天然气分布式能源系统能实现能源的梯级利用，充分利用发电余热，就地供热、供电，可减少电力与热力长距离输送的损耗，能源综合利用率在80%以上，超过大型煤电发电机组一倍；同时节约电网、热力管网输送环节的投资费用，产生巨大的经济效益。

本应用除了设备、工艺方面的节能外，更重要的是整个供能系统的节能。因为供能系统建在国展中心的东南角，靠近负荷中心，这样就地供热、供电减少了能源长距离输送中的损耗；同时，还应用了能量梯级利用原理，利用余热直接向国展中心供应冷、热空调负荷，减少了能源转换过程的损失，使能源综合利用效率大幅度提高。传统的燃煤火力发电厂，煤燃烧发电的能源利用率全国平均是40%左右，即使是目前世界上运行能耗指标最好的上海外高桥第三发电厂的超超临界燃煤机组的综合能源利用率也不超过50%，但国展中心天然气分布式能源站的能源利用效率可达到84%，比上海国际旅游度假区核心区天然气分布式能源站年平均能源综合利用率83.41%略高，也比目前正在运行的全国最大的分布式能源站广州大学城分布式能源站的能源综合利用率(78%)高出6%。

(2)大电网的有益补充，提高能源供应安全性

由于能源站建在国展中心旁，有力地弥补了大电网在安全稳定性方面可能存在的不足，有效提高了国展中心的供电安全性。尤其是在电网崩溃或意外灾害(地震、暴风雪、严重冰冻、战争、人为破坏等)情况下，如2008年南方冰雪灾害直接经济损失1516.5亿元，大部分是电网瘫痪造成。适度的发展分布式电源可提高地区能源供应安全性。

采用天然气分布式供能系统的燃气内燃机可不依靠外部电源直接启动，并快捷地带上负荷，因此本系统可以作为应急保安电源继续为中心或电网供电，大幅提高了国展中心的供电可靠性、供电质量和供电、用电的安全性。

(3)环境保护效益

采用清洁一次性能源的分布式功能系统，可大幅度减少烟尘、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳等污染物排放。“十二五规划”预计的天然气分布式能源装机5000万千瓦，相当于可以减少1亿千瓦燃煤装机，相当于减少消耗2亿吨煤炭，减排4亿吨二氧化碳。

本分布式能源站采用的是天然气清洁燃料，由于其综合利用率的提高，实际上也起到了减排的效果，经测算本能源站投入使用后与目前的燃煤电厂平均指标相比每年可节约标煤24257吨，仅此每年可减少碳排放量85447吨，相当于种树4272350棵，节能和减排的效果十分显著，从而达到能源的高效利用和减少排放等环保效应。

(4)降低天然气以及电力调峰压力，能源优势互补

天然气分布式能源项目可成为可中断、可调节的发电系统，对天然气和电力具有双重“削峰填谷”作用。有效地缓解天然气冬夏季峰谷差，提高夏季燃气设施的利用效率，增强供气系统安全性。同时减少电力设备的峰值装机容量以及天然气储气设施的投资，有效降低电网以及天然气管网的运行成本。

本供能系统具有削峰填谷的功能优势，上海夏季多采用电制冷，冬季用燃气锅炉供热，电力及燃气供应存在很大的季节性峰谷差，采用三联供分布式能源系统，发电余热可用于供热和制冷，既能减小电空调造成的供电高峰，又填补了燃气供应在夏季的低谷，缓解了各自的峰谷差。国展中心夏天若全部用电空调直接供冷，将增加电网调峰电功率74.6MW，而采用天然气分布式能源供能则可减少电网调峰电功率74.6MW，同时每天可消耗15.84万m3的天然气，有效地缓解了各自的峰谷差。

(5)社会经济效益

同时考虑分布式能源以上节能、减排、环保、安全以及削峰填谷优化能源结构等诸多优势，天然气分布式能源系统能实现低排放，促进循环经济发展，实现可持续发展。

综上所述，国展中心采用天然气分布式供能系统既符合国家鼓励发展的分布式能源政策，其建设又有利于提高能源效率，降低系统网损，加强地区供电的可靠性等优势。

由于种种原因，本系统还不是完美的供能系统，分布式能源供能技术的全部优势没有全部得到体现，还存在以下几点需改善的地方。

一是本能源站建在国展中心的东南角处，致使供能管网较长，不但增加了管网的投资，也增加了供能过程的输送损失，本能源站的最佳位置应该是建在国展中心圆楼的地下室，这样可大幅降低供能管网的投资和供能输送过程的不必要的能源损失，提高供能效率。国展中心能源站建在国展中心东南角处虽不是最佳选择，但已大大优于其他周边能源站向其供能的方案。

二是由于国家政策所限，本能源站所发电量无法实现就近向国展中心直供电，没有就地消耗，而是通过升压后输送给电网，由电网降压后再供给相关用户，增加了电力输送环节的无谓损失。

4 天然气分布式能源技术的发展有待解决的问题

由于天然气分布式能源投资大，天然气价格高，天然气分布能源的发展受到很大的制约，要大力发展天然气分布式能源技术需要解决的问题如下。

一是政策支持。现行的电力体制是阻碍天然气分布式能源发展的最主要的问题。根据我国电力法规定“一个供电营业区内只设一个供电营业机构”限制了分布式能源项目业主将多余电力就近销售给其他用户，分布式发电无法与电力终端用户直接“见面”，无法充分调动企业和用户的积极性，阻碍了分布式能源系统的发展。

二是天然气价格高。缺乏竞争力。我国天然气资源分布不均，大量的天然气通过长输管道从资源地输送到上海地区，气价较高，用它作分布式能源装置的燃料，成本必然会高，在市场上缺乏竞争力。

三是环保成本没有得到合理的分摊。虽然以煤为燃料的供能企业自身燃料成本低，生产经营竞争力相对较强，但带来的环境问题使国家和普通百姓无形之中被动地分担了大量的社会成本，国家每年亦需花费大量的投资用于改善大气质量。而分布式能源技术能源利用效率的提高(是普通燃煤电厂的两倍多)及输送环节的成本节约，可以部分弥补因燃料成本高所带来的效益损失，但它的节能环保成本没有得到合理的分摊，制约了它的发展。

四是税收支持。天然气分布式能源项目总体经营成本高，应给予天然气分布式能源项目合理的税收优惠，并允许其缩短资产的折旧年限。