天然气分布式能源站的设备配置与工艺技术

吴垠，彭爽，许忠耿

（1.重庆燃气培训学院，重庆 400050；2.重庆燃气集团股份有限公司供气分公司，重庆 400020；3.重庆燃气集团股份有限公司管道维护分公司，重庆 400020）

0 引言

早在2011年10月，我国便下发了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，以此来推动和加快国内的天然气分布式能源发展及应用，从而缓解日益严重的能源消耗及环境污染问题[1]。天然气分布式能源站属于是一种通过小型设备来给用户供给天然气能源的新型利用模式。这种模式相对于传统集中式能源系统而言，与用户距离更近，无需再构建大电网实施远距离高压或者超高压电力输送，能够有效减小线损，并节约相应的投资成本。同时，在分布式能源系统中，天然气燃烧可产生高品位热量进行发电，且余热也可以转换成蒸汽供用热企业使用，既有效提高了天然气的利用价值及利用率，也实现了天然气的梯级利用[2]。

1 天然气分布式能源站的工作原理及系统组成

分布式能源属于是分布于用户端，且装机规模相对比较小，生产的能源就地消纳，可再生能源及能源综合利用系统的总称。天然气分布式能源是当下国内分布式能源发展主要形式之一[3]。

天然气分布式能源站的建设是把天然气当作一次能源用于发电，同时将发电的余热再用于制冷或供热，以此来达到天然气梯级利用的目的，这样可以使综合能源利用率达到70%以上。燃气轮机和燃气内燃机是天然气分布式能源站中最为主要且常用的动力设备，其工作原理如下图1、图2所示。同时，在天然气分布式能源站中也配有电制冷机、燃气锅炉、蓄冷或蓄热等辅助设备，必要的情况下也会配有太阳能、生物质能及燃料电池等新型清洁能源技术，这主要是为了预防燃气内燃机或燃气汽轮机出现停机或故障时无法持续稳定制冷或供热，并且也能满足调峰和削峰填谷的需要，从而增强天然气分布式能源站运行的稳定性。

图1 燃气轮机工作原理示意图

图2 燃气内燃机工作原理示意图

2 天然气分布式能源站的特点及优势

就天然气分布式能源站而言，其跟普通热电联产机组是有着本质区别的，天然气分布式能源站主要是为满足用户冷热负荷要求而建的，发电只是其附属工作。在建设天然气分布式能源站时，应根据“以热（冷）定电、热（冷）电平衡”的原则，综合考虑目标区域中用户冷、热、电负荷特性曲线、系统运行方式及运行时间来确定分布式能源站的供能系统容量，确保环保效益及经济效益双丰收[4]。

2.1 环保效益

就天然气组成成分来说，其主要是甲烷，燃烧中没有粉尘、灰渣及SO2等物质产生，属于是一种清洁能源，具有良好的环保效益。同时，天然气分布式能源站的应用可实现天然气的梯级利用，有效提高天然气的利用效率及价值，有利于节能减排。

2.2 经济效益

（1）相对于传统集中式的能源系统而言，天然气分布式能源站能够修建在目标符合区域周边，这样既能避免和减小能源输送中的损失，也能使输配电系统投资得到合理降低。（2）应用天然气分布式能源站进行区域供冷或者供热时，能够根据不同类型建筑的具体使用要求，来合理地减小冷热源设备的装机容量，降低建设投资成本。同时，为了满足区域供能的规模效应需求，冷热源设备通常都是高效运行的，这样有利于减小运行成本。（3）天然气分布式能源站通常会结合蓄能技术一起应用，这样既能达到燃气、电力的双重“削峰填谷”，也能使得电网及燃气管网峰值负荷合理减小，从而实现可观的经济效益。

3 天然气分布式能源站系统的实际应用

3.1 工程概况

某学校建设新的校区，占地面积约60万m2，总的建筑面积约为75万m2，共计有52栋单体建筑，主要分为教学区及生活区两部分。该学校设计的空调最大冷负荷为78MW，最大热负荷为46.8MW，生活热水耗热量为9.2MW。每栋单体建筑的空调系统均以水系统为主，且为风机盘+新风的空调方式；而个别大的多功能教室及图书馆等空间比较大地方则选用全空气系统；另外像消控中心、弱电机房和一些特殊的实验室等地方根据实际需要选用的是VRV空调、分体空调或者恒温恒湿空调等氟空调系统[5]。

该学校采用天然气分布式能源站作为冷热源，并设置于学校的东北角。该天然气分布式能源站共计占地约6000m2，以单层为主，局部为两层，每年大约需要消耗天然气928万m3，年利用小时约2895h，每年供冷量约为14.3万GJ，每年供暖量约为4.6万GJ，每年供生活热水热量约1.6万GJ，每年发电总量约为4120万kWh，能源综合利用率可达到70%以上。

3.2 天然气分布式能源站的设备配置及工艺技术

该天然气分布式能源站选用的是以天然气为一次能源的冷热电三联供系统。在“冷（热）定电、欠匹配设计”和“发电并网”原则基础上，对发电后的余热进行制冷及制热，实现天然气能源最大化利用的同时，促使能源站保持高效运行。为满足学校的负荷变化需求，在余热利用为主的基础上，配备了冷热调峰设备，以保障校区内的所有冷热负荷需求都能得到满足。该天然气分布式能源站的供冷方案选用的是分布式功能系统余热利用+电制冷机组的模式，供暖方案选用的是分布式供能系统余热利用+燃气热水锅炉的模式。具体工艺流程如下图3所示。

图3 能源中心系统工艺流程图

通过技术对比及经济效益计算，该分布式能源站选用燃气内燃机为主要动力设备，计划构建5×4.4MW燃气内燃机发电机组，前期先建设3×4.4MW机组。余热利用设备选用的是烟气热水型溴化锂机组，冷热调峰设备选用的是电制冷机组+燃气锅炉，主要设备的具体配置情况如下表1所示。

表1 天然气分布式能源站的主要设备配置情况

3.3 应用效果

该学校通过应用上述天然气分布式能源系统，不仅为学校提供了足够的冷热水，而且也实现了能源的梯级利用，能源综合利用率也达到了70%以上的目标，再加上其他配套设备及技术，为学校带来了可观的经济效益，节省成本约100万。同时，该天然气分布式能源站已经投产运行了三个供冷周期及两个采暖周期了，运行良好且稳定。

4 结语

综上所述，在我国，天然气分布式能源站已成为国家能源战略发展及缓解环境污染的必然趋势及途径，同时，也对大电网发展有着积极的推动作用，因此，不管是从国家层面还是天然气企业层面都要加大对天然气分布式能源站重视及支持。但是也要认识到天然气分布式能源的发展也不是一蹴而就的，发展过程中也会遇到各种问题及坎坷。对此，我们要坚定信念，对天然气分布式能源发展做好规划设计，并整合各种有利资源推动天然气分布式能源实现稳健快速发展，进而加快我国实现建设环境友好型社会的宏伟目标。