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燃氣分布式供能系統規劃設計與后評價(一)

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2021-01-22
簡介
燃氣分布式供能系統規劃設計與后評價(一)目前,我國正在加速推進產業結構調整和能源需求多元化進程,能源結構正處于油氣替代煤炭、非化石能源替代化石能源的雙重更替期,合理、高效、梯級的利用天然氣,是能源轉型的選擇方案之一。2019年后,進口管輸燃氣陸續進入我國,由于采用照付不議合同,需要培育下游大宗穩定用戶,分布式能源系統是最好的大宗穩定用戶。分布式能源系統:按照“分布利用、綜合協調”的原則,重點在城市工業園區、旅游集中服務區、生態園區、大型商業辦公設施等能源負荷中心建設區域型分布式能源系統和樓宇型分布式能源系統。燃氣分布式供能系統是指利用天然氣為燃料,通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用,綜合能源利用效率在70%以上,并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式,是天然氣高效利用的重要方式。我國燃氣分布式能源的主要用戶為工業園區、學校、綜合商業體、辦公樓、數據中心、綜合園區,這些用戶對冷、熱、電存在較大且較穩定、連續的負荷需求。我國的樓宇型、區域型燃氣分布式能源項目在數量上幾乎各占一半。各類園區由于具有比較穩定的電、冷、蒸汽需求,動力設備以燃氣輪機、燃氣-蒸汽聯合循環為主,醫院、學校、酒店

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燃氣分布式供能系統規劃設計與后評價(一)目前,我國正在加速推進產業結構調整和能源需求多元化進程,能源結構正處于油氣替代煤炭、非化石能源替代化石能源的雙重更替期,合理、高效、梯級的利用天然氣,是能源轉型的選擇方案之一。2019年后,進口管輸燃氣陸續進入我國,由于采用照付不議合同,需要培育下游大宗穩定用戶,分布式能源系統是最好的大宗穩定用戶。分布式能源系統:按照“分布利用、綜合協調”的原則,重點在城市工業園區、旅游集中服務區、生態園區、大型商業辦公設施等能源負荷中心建設區域型分布式能源系統和樓宇型分布式能源系統。燃氣分布式供能系統是指利用天然氣為燃料,通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用,綜合能源利用效率在70%以上,并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式,是天然氣高效利用的重要方式。我國燃氣分布式能源的主要用戶為工業園區、學校、綜合商業體、辦公樓、數據中心、綜合園區,這些用戶對冷、熱、電存在較大且較穩定、連續的負荷需求。我國的樓宇型、區域型燃氣分布式能源項目在數量上幾乎各占一半。各類園區由于具有比較穩定的電、冷、蒸汽需求,動力設備以燃氣輪機、燃氣-蒸汽聯合循環為主,醫院、學校、酒店、辦公樓等樓宇型項目由于能源需求較小且波動較大,動力設備以燃氣內燃機和微燃機為主。國家政策將持續支持分布式能源的發展,這是長期、穩定、可靠的行業,可認為是我國能源領域中的朝陽行業。在我國煤電飽和、出現過剩產能的情況下,這是所有大型能源央企、國企必然要重點關注的行業。在我國,燃氣分布式能源起步并不算晚,早在上世紀90年代末,就有專家、學者及企業開始了研究,并積極推動分布式能源在我國的發展。在2003年左右,國內陸續開始建設分布式能源站,先后建成了北京燃氣大廈調度中心、上海浦東機場、上海黃浦區中心醫院、北京火車南站等燃氣分布式能源項目。2011年《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》的發布以及發展燃氣分布式能源被寫入“十二五”能源發展規劃,標志著發展燃氣分布式能源被正式納入國家能源發展戰略。燃氣分布式能源在我國已經有十余年的發展歷史,但是由于我國經濟與體制的特殊性,燃氣分布式能源的發展也很曲折。目前我國燃氣分布式能源發展仍處于起步階段,在已建成的項目中,有部分項目可以正常運行,取得了一定的經濟、社會和環保效益;但也有部分項目因政策、經濟、技術等問題,經濟效益不好。主要是由于我國大部分地區面臨電力產能過剩問題,電力消納問題亟待解決。伴隨著國家電力體制改革的逐步深入和智能制造、大數據、“互聯網+”等技術的發展,以及《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》等系列文件的出臺,推動了國內天然氣價格下調和保證了供應市場趨于穩定。“十三五”期間,智能電網、售電平臺建設步伐加快,專業化服務公司方興未艾,燃氣分布式能源在我國已具備大規模發展的條件。燃氣分布式能源由于其在能源轉換效率方面所具有的突出優勢,使得其在世界各國的能源領域逐步占有顯著地位。隨著全面深化改革的不斷推進,國家治理體系和治理能力現代化將取得重大進展,發展不平衡、不協調、不可持續等問題將逐步得到解決,能源領域基礎性制度體系也將基本形成。在我國,燃氣分布式能源項目有望迎來“理性而適度”的發展。目前,需要對燃氣分布式能源項目建設進行全面總結、歸納、提高,以進一步提高工程項目的設計水平、建設水平、運行水平。這里,從應用工程技術角度介紹燃氣分布式供能系統的規劃設計問題、某項目的后評價摘要情況。分布式供能系統典型工藝流程燃氣分布式能源系統是指以天然氣清潔能源為燃料,應用燃氣輪機、燃氣內燃機、微燃機等各種熱動力發電機組和余熱利用機組的能量轉化設備,為用戶提供冷、熱、電的各種負荷需求的燃氣分布式供能系統。本節是對燃氣分布式能源系統工藝流程完整而通俗介紹。一、系統基本工作原理分布式能源梯級利用的示意圖見圖-1所示。燃料天然氣進入燃氣輪機與燃氣內燃機燃燒,輸出電能。燃機的排煙約在400℃至600℃之間,高溫煙氣首先進入余熱鍋爐產生蒸汽,蒸汽進入汽輪發電機組中進行發電,在汽輪機中,可抽出一部分已經過發電的低壓蒸汽進行供熱。汽輪機的抽汽或者排汽可以通過溴化鋰空調機組進行空調供冷熱。余熱鍋爐的低溫排煙可繼續生產熱水,對外供生活熱水或者采暖。這樣就真正實現了“溫度對口,梯級利用”的原則,其綜合利用效率可達到80%以上。圖-1分布式能源天然氣梯級利用原理示意圖天然氣在燃燒過程中幾乎沒有煙塵與二氧化硫等排放,二氧化碳排放量為石油的54%,煤的48%,燃用天然氣燃料,減排效果顯著。由于實現了能源的梯級利用,分布式能源系統節能效果顯著。分布式能源是天然氣利用的最佳途徑。與傳統的電、熱、冷分產系統相比,分布式能源系統的節能率與減排率如圖-2所示。圖-2分布式能源節能減排原理示意圖在系統配置時,余熱回收利用設備與燃機發電裝置所產生的余熱形式有著密不可分的關系。如燃氣輪機的余熱形式為450℃~600℃的高溫煙氣,燃氣內燃機的余熱形式為400℃~550℃的高溫煙氣和80℃~120℃的冷卻水,微燃機的余熱形式為200℃~300℃的高溫煙氣。余熱利用設備通常包括余熱吸收式空調機組(分補燃和純余熱利用兩種類型)、余熱鍋爐(補燃和不補燃)、熱交換器(煙氣-水、水-水、汽-水)等。調峰設備則指電空調(離心機、螺桿機)、燃氣鍋爐、直燃機、熱泵等。余熱利用的主要流程有:余熱鍋爐制備出蒸汽后,選用蒸汽雙效吸收式空調機組進行制冷;高溫煙氣采用煙氣熱水換熱器交換出熱水,與缸套水交換出的熱水混合后,進入熱水型吸收式空調機組;高溫煙氣進入煙氣型吸收式空調機組進行吸收式制冷,高溫缸套水進入熱水型吸收式空調機組進行吸收式制冷;煙氣型吸收式空調機組與熱水型吸收式空調機組合并在一起,煙氣作為高溫發生器熱源,熱水與高溫發生器產生的蒸汽作為低溫發生器的熱源,即煙氣熱水型吸收式空調機組。燃氣分布式供能系統按照原動機的不同分為三種類型,即燃氣輪機系統、燃氣內燃機系統、微燃機系統。而根據燃氣分布式供能系統的余熱利用設備和調峰設備的不同,可對系統進行細分。以下分別按照原動機的種類不同進行分組,同時每個組別又依據余熱利用的形式進一步細分,對每種較為典型的工藝路線分別進行介紹。二、燃氣輪機分布式能源系統典型工藝路線圖燃氣輪機分布式供能的能源利用形式根據需求不同,有不同的發電方式和余熱利用形式,根據發電形式不同分為兩大類。第一大類是簡單循環發電形式,余熱利用設備主要有余熱鍋爐、余熱吸收式空調機組、煙氣-水換熱器等,根據余熱利用形式不同對系統進行劃分,主要有三種較為典型的工藝路線:①燃氣輪機+煙氣型(補燃)吸收式空調機組+調峰設備,余熱利用設備為煙氣型吸收式空調機組;②燃氣輪機+煙氣余熱(補燃)鍋爐+蒸汽吸收式空調機組+調峰設備,余熱利用設備為余熱鍋爐;③燃氣輪機+煙氣-水換熱器+熱水型吸收式空調機組+調峰設備。第二大類是燃氣-蒸汽聯合循環發電形式,即燃氣-蒸汽聯合循環發電+吸收式空調機組+調峰設備。采用聯合循環發電,系統發電量高,但工藝系統復雜,造價較高,而簡單循環發電的形式,有利于提高系統冷熱量輸出比例,且系統造價較低,工藝相對簡單。相對而言,聯合循環的冷熱量輸出比例低于簡單循環發電,應根據實際需求選用合適的能源利用方式。1.燃氣輪機簡單循環工藝路線一該系統工藝流程如圖-3所示,系統中余熱型溴化鋰吸收式空調機組(簡稱“余熱溴化鋰機組”),可根據項目情況需要選用帶補燃和純余熱利用兩種類型的余熱機組。調峰設備可根據項目實際需要選擇直燃機、電制冷機以及燃氣鍋爐或熱泵等。該方案的工作原理:一定壓力的燃氣與經壓氣機壓縮的空氣在燃燒室燃燒后,驅動透平機發電和排出450℃-600℃高溫煙氣。余熱溴化鋰機組利用高溫煙氣的余熱進行吸收式制冷、制熱。當夏季余熱制冷量不能滿足用戶所需冷量時,如選取的余熱溴化鋰機組是帶補燃工況類型的,則以燃氣補燃增加機組制冷量,仍不能滿足用戶供冷需求時,啟動調峰設備如電制冷機等制冷設備進行制冷;如選用的余熱溴化鋰機組是純余熱利用類型的,則直接啟動調峰設備進行制冷,滿足用戶需求。冬季工況時,如余熱制熱量不能滿足用戶需求,則以燃氣補燃增加機組供熱量,如不帶補燃,則直接啟動燃氣鍋爐等調峰設備供熱,滿足用戶的供熱需求。適用條件及主要特點:該系統采用余熱吸收式空調機組,在供熱工況時,其效率與燃氣鍋爐或汽水換熱器效率基本相當或略低,基本在90%左右。在供冷工況時,COP可達1.3以上。燃氣輪機的余熱品質較高(只有高溫煙氣一種形式),熱電比大,當采用簡單循環發電,余熱進行吸收式制冷供熱時,主要適用于冷熱負荷非常穩定的場所。尤其是數據中心、計算機房等有大功率用電設備、常年需求冷負荷的場所。這樣,既能保證機組的滿負荷運行時間,又能將余熱充分利用。圖-3燃氣輪機簡單循環工藝流程(工藝路線一)2.燃氣輪機簡單循環工藝路線二該工藝流程如圖-4所示,系統中余熱利用設備是余熱鍋爐,且可以根據項目需要選用帶補燃和不帶補燃兩種形式。調峰設備是電制冷機和燃氣蒸汽鍋爐,其中燃氣鍋爐也可以用高溫熱水鍋爐。在項目設計過程中,調峰設備也可選用直
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