天然气分布式能源系统及技术应用

吴 茜

(重庆燃气集团股份有限公司， 重庆 400020)

1 引言

分布式能源系统是在传统集中供电的方式下发展起来的，主要用于满足小区域内的供电，通过将冷热电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式进行布置，不仅可以提供电能的输出，还具有供热和供冷的作用。随着新能源技术的不断发展，分布式电源系统的应用越来越多，其主要利用的能源技术有太阳能技术、风能供电技术、燃气冷热电三联供技术。该技术由于成熟度较高，且功能强大，设备的投资相对较低，在实际应用中的推广速度很快。天然气分布式能源系统又称为燃气冷热电三联供系统，属于分布式能源的范畴，是直接利用燃气来进行发电，并利用发电的余热来制冷、供热[1，2]。

2 天然气分布式能源系统的分类

通常对天然气分布式能源系统的分类，是按照实际的应用范围来进行分类的，一般可以划分为区域型和楼宇型两种。区域型主要是指各种小区、大学、体育场等区域所建设的能源供应中心，这些天然气机组的容量往往会比较大，需要采用独立的能源供应中心，还需要布置配电的电网。楼宇型的系统，主要针对各种特点功能的建筑物，来进行冷热电的供应，在建筑物内有专门的房间来作为机房，通常不同专门搭设电网。其广泛应用于医院、飞机场等大型公共场所的供电。

目前天然气分布式能源发电技术，虽然其数量相对较少，但容量却完全可以满足实际应用的需求，一个系统可以负责很大一片区域的供能，起到很好的节能和降低成本的作用。我国是一个人口分布比较广泛的国家，大部分的城市居民都居住在公寓之中，这对天然气分布式能源系统的发展，提供了一个非常好的基础。

3 天然气分布式能源系统工程应用的常见模式+

在该电源分布式系统中，燃气轮机、蒸汽轮机、燃气内燃机和燃气微燃机等是天然气分布式电源系统的常用发电设备，为了更好对这些设备产生的余热进行利用，会采用余热锅炉和蒸汽型吸收制冷机、热水型吸收制冷剂和烟气型吸收制冷机等。该系统根据采用的发电机组类型的不同，其通常主要可以分成3种主要的类型[3]。

3.1 燃气轮机发电机组+余热锅炉+汽轮发电机组

该系统主要采用蒸汽—蒸汽联合循环机组，该机组对能源的利用率高，可以有效提高对能源的转化率，能够得到良好的经济效益。该机组由于发电能力强可以适用于区域性的供电，燃气轮机的输出功率一般在6～60 MW，其热供应的范围可以囊括10 km的范围，供冷半径可以达到2 km。

3.2 燃气轮机发电机组+烟气型溴化锂制冷机组

该机组采用单一的汽轮机发电方式，系统的制冷和制热量往往输出比较大，这个设备的结构也较为简单，比较方便后期的维护工作，这样可以大量节省对系统的硬件投资。由于采用单一的发电方式，因此发电量较少，一般都控制在6 MW以下，这同时也大大限制了其供热和供冷的范围。在我国某些大型的机场，就采用的该种分布式能源系统。

3.3 燃气内燃机发电机组+烟气或热水型溴化锂制冷机组

其主要采用的是内燃机来进行驱动发电的，因此其发电量并不高，该燃气内燃机的功率可以涵盖200～3000 kW的区间，在这个发电区间，内燃机的发电效率可以维持在35%左右，要比同级别的燃气轮机发电效率高。该系统主要用于楼宇性的建筑进行供电。

4 天然气分布式能源系统的特点

系统对天然气资源的利用率高。传统的集中供电，其发电效率虽然可以维持在50%左右，但由于在整个电力输送的过程中，要经过长距离的电网才能到用户家中，因此会损耗掉大量的电能。如果采用冷热电三联供，由于其属于短距离功供能，能够获得4成以上的发电效率，还可以有效将其中的温废热用于供冷、供热，这样大大增加了对能源的利用率，其对能源的综合利用可以达到80%以上，比发电厂的供电效率还高，此外由于使用的是清洁的天然气，因此可以大大降低对环境的污染。

对该能源系统进行利用，可以起到削峰填谷的作用，能够明显提升供电的质量。由于我国北方大部分的地区，都需要在冬天进行取暖，在夏天需要制冷[4]。往往在这两个季节的供电负荷会非常大，增加电网的负担，而其余的两个季节，相对能源需求就会较低，这样会造成大量发电设备的闲置或低功率运行。采用燃气分布式能源系统，在夏天可以利用发电的余热进行制冷，在冬天可以直接利用余热进行供暖，不但可以进一步提高对能源的利用率，还能有效缓解电网的压力。

天然气分布式能源系统具有更好的经济效益。根据相关统计研究显示，在相同的燃料消耗量下分布式能源系统所得到的经济效益最高。乳沟采用冷热电三联供的系统，写字楼的运营成本可以降低12%，商场类的运营成本可以降低11%，医院类的运营成本可以降低20%，体育馆类建筑的运营成本可以降低30%，酒店类的运行成本可以降低23%。

可以起到很好的环保作用。由于天然气在使用过程中污染物排放量低，燃气发电机组的发电效率也较高，可以有效降低对各种污染物的排放。根据相关统计研究显示，采用天然气发电的环境价值为8.964分/kW，将其环保作用考虑在内后，该系统的经济性变得更加突出。根据相关调查显示，采用分布式电源系统，写字楼等建筑的二氧化碳那排放量可以降低1/4，商场建筑对二氧化碳的排放量可以降低3成，医院对于二氧化碳的排放量可以降低六成，各类体育场馆二氧化碳的排放量可以降低2成，酒店类建筑可以有效降低温室气体的排放30%。

使用天然气分布式能源系统可以有效提高能源供应的安全性。由于当前工业和社会的不断发展，对电力的需求越来越旺盛，电网的供电负荷很高，各种供电事故越来越多，这些事故的发生，将直接造成区域性的停电，如果停电发生在对持续供电要求高的场合，例如医院等，会带来各种事故。如果采用天然气分布式能源系统，就可以很好的避免这些问题，由于其电网属于区域性的，因此电网的故障率可以有效降低，此外，如果需要进一步提高供电的安全性，可以多备用一台机组，当一台机组出现问题时，可以立即进行另一台机组的切换，保证供电的持续性。

5 天然气分布式能源系统的适用项目

在国外发达国家对该系统的应用已经超过了20年，经过长期的技术研究，技术的成熟度已经比较高，技术体系也相对比较成熟，设备的设计和制造技术也比较成熟。不论是发电机组还是余热利用设备，在市场上已经有了比较成熟的产品。我国通过近几年的技术发展和引进，也出现了同种类型的产品，在国内的很多区域已经有成功应用的案例。

天然气分布式能源系统应该在满足以下条件的场所中进行应用：一是应该具有比较稳定的热负荷或者热水负荷。二是适用于电价较高但天然气价格较低的场合。三是当地对环境保护的力度比较强。四是该区域对供电的持续性较高，例如医院等。五是具有较强的天然气供应能力。

随着我国政策支持力度的不断加强，和电价不断增高的背景下，天然气分布式能源系统适用于宾馆、医院、大型综合商业和办公区域、医院、机场、学校和各类产业园区。由于相同热值的天然气价格是煤炭价格的两倍，且分布式能源系统的单位造价并不低，如果单纯衡量其经济效益并不明显，一般都会高于燃煤电厂的上网电价，其市场竞争力并不强。但由于目前环境污染的不断增加，该技术在未来的发展中，具有较大的发展潜力，是国家进行能源战略的重要组成部分，但该技术的进一步发展和应用，还需要国家进一步的政策支持。

6 结语

随着国家经济和社会的不断发展，对电能的需要量越来越大，能源问题已经威胁到了我国的长期稳定发展。天然气作为一种环保性较高的能源，具有较大的应用潜力。天然气分布式能源系统，在城市发展过程中，以其独特的优势，越来越受到市场的广泛的关注，国家应该加大对该技术的重视度，不但要做好对该技术的研发工作，还应该加大对该技术的推广力度，让该技术充分发挥出自己的优势。