上海市天然气分布式供能技术简介

胡 瑛 汤 羹

上海市天然气分布式供能技术简介

胡 瑛 汤 羹

天然气是世界主要的清洁能源之一，近年来，我国天然气开发利用步伐明显加快，天然气的开发利用正在引领着我国能源结构的变革。随着技术发展，天然气已从传统燃料向分布式供能领域拓展，分布式供能系统已成为我国能源发展高效化、清洁化、低碳化的重要实现手段。

分布式供能系统，是指将燃料同时转换成三种产品：电力、热或蒸汽以及冷水。具体就是将小型化、模块化的发电系统布置在用户附近，利用城市管道天然气为燃料发电供用户使用，同时把发电过程中发电机组产生的冷却水和排气中的余热用热交换器回收生产热水或蒸汽供用户采暖、洗浴或制冷。通过对一次能源的多级利用，能源总利用率可达80%以上，节能效果明显。同时还具备环保、建设周期短、回收快、保证用电可靠性等优点。

分布式供能系统和传统的供能方式相比，具有很高的综合能源利用率，优异的节能特性；能为用户提供独立的供电电源，避免因公用电网缺电停电对用户造成的影响，解决用户的用电安全问题；采用清洁的天然气发电，可大大降低污染气体和温室气体的排放，有很强的环保效应。

1 背景

1.1 上海市天然气气源情况

截止2015年底，上海市已构建了特大型城市发展需要的天然气综合保障供应体系，形成东气、西气（一线、二线）、进口液化天然气（LNG）、川气等多气源供应格局，2015年天然气供应规模达74.3亿m³，满足上海城市民用用户、大工业用户及燃气电厂等各种用户的供气需求。“十二五”期间，上海加快完成了LNG接收站建设工程及LNG应急储备站的扩建工程，加大进口LNG的采购及储备，使得天然气供应由阶段性紧缺转为阶段性富裕，为上海在环境治理、减少颗粒物排放做了充足的准备。

1.2 天然气的环保效益

天然气素有绿色能源之称，具有经济高效、节能环保、灵活方便、安全可靠等优点，从而成为全球能源市场发展最快的燃料，也将发展成为我国未来清洁能源增量的主体之一。

以天然气为能源有利于保护环境，可减少温室气体排放。天然气中氮、硫含量低，与柴油、汽油相比，硫化物排放基本为零，颗粒物排放接近零，氮化物减少80～90%，炭排放减少22%，表1分析了天然气作为替代能源的温室气体减排量。其次，在发生泄漏的情况下，天然气会迅速汽化扩散，不会对土壤或水体造成污染。

表1 天然气能源CO2减排量

2 分布式供能系统

2.1 系统介绍

天然气分布式供能系统是指小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可将燃料同时转化成电力、热水或蒸汽以及冷水的高效能源供应系统。

天然气分布式供能系统通过冷、热、电三联供的方式，采用能量梯级利用原理，燃料燃烧后发电，再利用发电余热供热、供冷，实现能源从高品位到低品位的优化利用，系统贴近用户，可以实现就近供能。

2.2 系统主要设备及应用

典型的天然气分布式供能系统一般包括：动力设备、余热利用设备、控制系统等。动力设备主要包括：燃气轮机、燃气内燃机和微燃机等，不同动力机组的性能对比如表2所示。主要余热利用设备包括：余热锅炉、预热吸收式冷温水机组、换热器等。燃气轮机系统及燃气内燃机系统的组成如图1所示。

分布式供能系统主要适用于宾馆、酒店、医院、工厂、集中商业中心、工业园区等有稳定冷、热、电负荷需求的单位或区域。

2.3 系统优势

分布式供能系统能源综合利用率高，具有节能环保、经济性高、安全可靠等优点。

表2 动力设备性能对比

图1 系统组成图

1）节能减排

分布式供能系统能够实现能源的梯级利用，根据燃料燃烧后不同温度时做功能力的不同，产生不同品位的能量，分布式供能系统能源总利用率可达75～90% 。分布式供能系统的节能率达20%以上，温室气体减排率达40%以上。

2）经济可行

分布式供能系统消耗1 m3天然气可产生3～4 kW电能和4～6 kW的热（冷）量。满足用户同样的能源需求，与传统的供能方式相比，分布式供能系统所消耗的一次能源更少。

3）能源安全

分布式供能系统贴近用户、运行灵活，不但可以大幅度降低能源输送的损失和成本，并且可以作为大电网的有效补充，降低电力需求负荷对大电网的影响以及天然气需求负荷对城市气网的影响，保障能源网络的安全性。

4）“削”峰“填”谷

分布式供能系统对燃气和电力有双重“削”峰“填”谷作用。主要体现在两方面。一是体现在天然气和电力的季节峰谷差。电力高峰出现在夏季，燃气需求高峰期在冬季。分布式供能系统可在夏季利用天然气发电、供冷，在增加电力供给的同时减少电力制冷设备的电负荷，不仅可以降低电网的供电压力，也可增加天然气消费，缓解夏季燃气过剩的问题。二是体现在昼夜电力峰谷。天然气分布式供能系统运行灵活，启停方便等特点。系统可在白天发电缓解供电压力，夜间少发电或不发电，为电网“削”峰“填”谷，也可通过电网峰谷电价获得经济效益。

5）布置灵活

分布式供能系统配置灵活，体量小，可布置在地下室和屋顶，大幅度减少了城市能源系统的土地占用。

3 分布式供能系统发展现状

上海是国内最早发展分布式供能系统的城市之一，建成了一批极具代表性的项目，总结其发展历程，分为3个阶段。

3.1 探索期（2004年前）

项目数量较少、规模有限，系统设计及运行管理均出于摸索阶段。

3.2 过渡期（2005～2010年）

总结经验，优化设计，选型注重与冷热电需求匹配，采用中小功率原动机，拓展宾馆、学校和工业等类型用户，该阶段引入了政府补贴和优惠气价，发展逐渐走向正轨。

3.3 成熟期（2011～2015年）

设计成熟，供气稳定，项目向区域型、规模化发展，涌现了虹桥、世博和莘庄等一批大型区域集中供能项目，以及上汽大众、迪士尼等特大型工、商业项目。

2016年以来，天然气分布式供能项目仍在不断发展壮大，并继续重点发展区域型、规模化的园区及大型单体用户（如西虹桥区域能源站和腾讯数据中心），通过大型项目引领，带动系统数量和用气量的同步增长，更大程度地发挥高效节能及环保减排的作用。

表3为个发展阶段的典型项目。

4 分布式供能系统典型案例

表3 各发展阶段的典型项目

实施分布式供能系统不仅可为用户减少能源支出、获得较好的经济效益，还能提高企业节能减排的社会效益。分布式供能系统在进行设计时，最重要的是系统的热、电负荷是否与用户的实际用能负荷相匹配，达到热电平衡。针对不同用户的用能方式，系统具有不同的配置及运行效果，以下对3类典型用户及其配置进行介绍。

（1）大型工业企业

工业企业的用能负荷较为稳定，全年波动性较小，一般工厂的用电量较高，且有稳定的冷负荷、热负荷、蒸汽需求，适合采用分布式供能系统。进行系统设计时，根据工厂实际的用能情况，确定热电平衡的设计原则。

以某制造业工厂为例，工厂常年有较大电负荷及较稳定的蒸汽负荷需求，根据工厂逐时用能负荷情况分析，采用“满足常用电力负荷及部分蒸汽负荷，以热定电，热电平衡”的设计原则，系统配置4台6.7 MW燃气轮机和4台余热锅炉，发电自用，全年蒸汽供热，项目年节约标煤约1.6万t/a，二氧化碳减排量约5万t/a，为工业企业高效供能改造树立了典范。系统主要技术参数详见表4所示。

（2）大型商业园区

商业园区分布式供能系统通常采用区域能源中心形式，向区域范围内的用户供能。一般商业园区用户有大量电负荷、冷负荷、热负荷及生活热水需求，但用能负荷随季节有一定的波动性。进行系统设计时，根据商业园区实际的用能情况，确定热电平衡的设计原则。

表4 工业企业分布式供能系统主要技术参数

以某商业园区为例，园区设置集中式能源中心集中供应冷、热和电力。系统配置5台4 400 kW燃气内燃机及烟气热水型溴化锂机组，机组24 h运行，发电量除能源中心设备自用外，其余全部上网，吸收式机组同时供冷水与热水。系统一次能源综合利用效率可高达80%以上，节能效果明显，运行经济性较好，同时分布式供能系统可以保证园区内运营期间不断电，加强地区供电的可靠性。

表5为园区分布式供能系统主要技术参数。

表5 商业园区分布式供能系统主要技术参数

（3）综合性医院

综合性医院的用能负荷较为复杂，季节性变化大，一般医院的负荷变化分为3种工况，分别为冬季工况、过渡季工况和夏季工况。冬季的用能需求为电负荷、采暖负荷及热水负荷；夏季的用能需求为电负荷、制冷负荷及热水负荷；过渡季可根据在冷热负荷的需求选择冬季工况或夏季工况。进行系统设计时，根据医院的实际用能情况，采用热电平衡的设计原则。

以某综合性医院为例，因其冷热能耗存在季节和逐时波动，夏季和冬季的热负荷需求较大，过渡季的热负荷需求较小，为提高系统用能效率，分布式供能系统配置机组的规格不宜过大。系统配置2台232 kW燃气内燃机，1台燃气空调和多台热交换器，满足医院部分电热电负荷，系统节能率可达23%，二氧化碳减排量超过45%。

表6为医院分布式供能系统主要技术参数。

表6 医院分布式供能系统主要技术参数

5 结语

随着我国对环境保护要求的提高以及天然气能源利用技术水平的提高，天然气分布式供能系统作为清洁能源高效利用的途径，将成为实现能源领域低碳、环保的重要手段。

发展天然气分布式供能系统，为实现我国短期内大幅度降低能源消耗，减少环境污染，加强能源安全，优化能源结构起到积极作用，是我国实现能源可持续发展的必由之路，是解决我国能源与环境问题宏伟目标实现的重要技术途径。

通过上述案例的介绍，可以得知分布式供能系统的设计重点在于根据用户的实际用能需求，进行分布式供能系统机组的匹配，实现系统的热电平衡，提高系统用能效率，达到最优经济效益及环保效益。分布式供能系统涉及较多设备机组的匹配，还包含工艺、配电、控制等系统的设计，设计工作较为复杂，因此需要根据项目的实际情况进行机组配型及系统设计。

Brief Introduction on Shanghai Natural Gas Distributed Energy Supply Technology

Hu Ying, Tang Geng