燃氣分布式供能系統(tǒng)規(guī)劃設計與后評價(一)

1、燃氣分布式供能系統(tǒng)規(guī)劃設計與后評價（一）目前，我國正在加速推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源需求多元化進程，能源結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)型的選擇方案之一。2019年后，進口管輸燃氣陸續(xù)進入我國，由于采用照付不議合同，需要培育下游大宗穩(wěn)定用戶，分布式能源系統(tǒng)是最好的大宗穩(wěn)定用戶。分布式能源系統(tǒng)：按照“分布利用、綜合協(xié)調(diào)”的原則，重點在城市工業(yè)園區(qū)、旅游集中服務區(qū)、生態(tài)園區(qū)、大型商業(yè)辦公設施等能源負荷中心建設區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)和樓宇型分布式能源系統(tǒng)。 燃氣分布式供能系統(tǒng)是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜

2、合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)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(yè)園區(qū)、學校、綜合商業(yè)體、辦公樓、數(shù)據(jù)中心、綜合園區(qū)，這些用戶對冷、熱、電存在較大且較穩(wěn)定、連續(xù)的負荷需求。我國的樓宇型、區(qū)域型燃氣分布式能源項目在數(shù)量上幾乎各占一半。各類園區(qū)由于具有比較穩(wěn)定的電、冷、蒸汽需求，動力設備以燃氣輪機、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)為主，醫(yī)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(nèi)燃機和微燃機為主。 國家政策將持續(xù)支持分布式能源的發(fā)展，這是長期、穩(wěn)定、可靠的行業(yè)，可認為是我國能源領域中的朝陽行業(yè)。在我國煤電

3、飽和、出現(xiàn)過剩產(chǎn)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(yè)。 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(yè)開始了研究，并積極推動分布式能源在我國的發(fā)展。在2003年左右，國內(nèi)陸續(xù)開始建設分布式能源站，先后建成了北京燃氣大廈調(diào)度中心、上海浦東機場、上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院、北京火車南站等燃氣分布式能源項目。2011年關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見的發(fā)布以及發(fā)展燃氣分布式能源被寫入“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃，標志著發(fā)展燃氣分布式能源被正式納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。 燃氣分布式能源在我國已經(jīng)有十余年的發(fā)展歷史，但是由于我國經(jīng)濟與體制的特殊性，燃氣分布式能源的發(fā)

4、展也很曲折。目前我國燃氣分布式能源發(fā)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(jīng)濟、社會和環(huán)保效益；但也有部分項目因政策、經(jīng)濟、技術(shù)等問題，經(jīng)濟效益不好。 主要是由于我國大部分地區(qū)面臨電力產(chǎn)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(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)的發(fā)展，以及國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見等系列文件的出臺，推動了國內(nèi)天然氣價格下調(diào)和保證了供應市場趨于穩(wěn)定?！笆濉逼陂g，智能電網(wǎng)、售電平臺建設步伐加快，專業(yè)化服務公司方興未艾，燃氣分布式能源在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。燃氣分布式能源由于其在能源轉(zhuǎn)換效率方

5、面所具有的突出優(yōu)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(xiàn)代化將取得重大進展，發(fā)展不平衡、不協(xié)調(diào)、不可持續(xù)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(fā)展。目前，需要對燃氣分布式能源項目建設進行全面總結(jié)、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(shù)角度介紹燃氣分布式供能系統(tǒng)的規(guī)劃設計問題、某項目的后評價摘要情況。分布式供能系統(tǒng)典型工藝流程燃氣分布式能源系統(tǒng)是指以天然氣清潔能源為燃料，應用燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、微燃機等各種熱動力發(fā)電機組

6、和余熱利用機組的能量轉(zhuǎn)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(tǒng)。本節(jié)是對燃氣分布式能源系統(tǒng)工藝流程完整而通俗介紹。 一、系統(tǒng)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(nèi)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(chǎn)生蒸汽，蒸汽進入汽輪發(fā)電機組中進行發(fā)電，在汽輪機中，可抽出一部分已經(jīng)過發(fā)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(diào)機組進行空調(diào)供冷熱。余熱鍋爐的低溫排煙可繼續(xù)生產(chǎn)熱水，對外供生活熱水或者采暖。這樣就真正實現(xiàn)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

7、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(xiàn)了能源的梯級利用，分布式能源系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。分布式能源是天然氣利用的最佳途徑。與傳統(tǒng)的電、熱、冷分產(chǎn)系統(tǒng)相比，分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率與減排率如圖2所示。 圖-2分布式能源節(jié)能減排原理示意圖在系統(tǒng)配置時，余熱回收利用設備與燃機發(fā)電裝置所產(chǎn)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450600的高溫煙氣，燃氣內(nèi)燃機的余熱形式為400550的高溫煙氣和80120的冷卻水，微燃機的余熱形式為200300的高溫煙氣。余熱利用設備通

8、常包括余熱吸收式空調(diào)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(diào)峰設備則指電空調(diào)（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(diào)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(diào)機組；高溫煙氣進入煙氣型吸收式空調(diào)機組進行吸收式制冷，高溫缸套水進入熱水型吸收式空調(diào)機組進行吸收式制冷；煙氣型吸收式空調(diào)機組與熱水型吸收式空調(diào)機組合并在一起，煙氣作為高溫發(fā)生器熱源，熱水與高溫發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽作為低溫發(fā)生器的熱源，即煙氣熱水型吸收式空調(diào)

9、機組。燃氣分布式供能系統(tǒng)按照原動機的不同分為三種類型，即燃氣輪機系統(tǒng)、燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)、微燃機系統(tǒng)。而根據(jù)燃氣分布式供能系統(tǒng)的余熱利用設備和調(diào)峰設備的不同，可對系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(jù)需求不同，有不同的發(fā)電方式和余熱利用形式，根據(jù)發(fā)電形式不同分為兩大類。第一大類是簡單循環(huán)發(fā)電形式，余熱利用設備主要有余熱鍋爐、余熱吸收式空調(diào)機組、煙氣水換熱器等，根據(jù)余熱利用形式不同對系統(tǒng)進行劃分，主要有三種較為典型的工藝路線：燃氣

10、輪機+煙氣型（補燃）吸收式空調(diào)機組+調(diào)峰設備，余熱利用設備為煙氣型吸收式空調(diào)機組； 燃氣輪機+煙氣余熱（補燃）鍋爐+蒸汽吸收式空調(diào)機組+調(diào)峰設備，余熱利用設備為余熱鍋爐； 燃氣輪機+煙氣水換熱器+熱水型吸收式空調(diào)機組+調(diào)峰設備。 第二大類是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電形式，即燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電+吸收式空調(diào)機組+調(diào)峰設備。 采用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，系統(tǒng)發(fā)電量高，但工藝系統(tǒng)復雜，造價較高，而簡單循環(huán)發(fā)電的形式，有利于提高系統(tǒng)冷熱量輸出比例，且系統(tǒng)造價較低，工藝相對簡單。 相對而言，聯(lián)合循環(huán)的冷熱量輸出比例低于簡單循環(huán)發(fā)電，應根據(jù)實際需求選用合適的能源利用方式。1.燃氣輪機簡單循環(huán)工藝路線一該系統(tǒng)工藝流程如圖3

11、所示，系統(tǒng)中余熱型溴化鋰吸收式空調(diào)機組（簡稱“余熱溴化鋰機組”），可根據(jù)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(diào)峰設備可根據(jù)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(jīng)壓氣機壓縮的空氣在燃燒室燃燒后，驅(qū)動透平機發(fā)電和排出450600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(diào)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(diào)峰設備進行

12、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(diào)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(tǒng)采用余熱吸收式空調(diào)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(zhì)較高（只有高溫煙氣一種形式），熱電比大，當采用簡單循環(huán)發(fā)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(wěn)定的場所。 尤其是數(shù)據(jù)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

13、簡單循環(huán)工藝流程（工藝路線一）2.燃氣輪機簡單循環(huán)工藝路線二 該工藝流程如圖4所示，系統(tǒng)中余熱利用設備是余熱鍋爐，且可以根據(jù)項目需要選用帶補燃和不帶補燃兩種形式。調(diào)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(diào)峰設備也可選用直燃機優(yōu)化廠房布置和氣源條件。而且在具備水地源熱泵技術(shù)應用條件的地區(qū)，可以采用熱泵型電制冷機作為制冷設備。系統(tǒng)工作原理：燃氣輪機的高溫煙氣經(jīng)余熱鍋爐生產(chǎn)出一定壓力的飽和蒸汽，在制冷季，蒸汽進入蒸汽型吸收式空調(diào)機組制冷，產(chǎn)生冷凍水，當蒸汽制冷量不足時，可通過電制冷機、水地源熱泵或直燃機等調(diào)峰設備進行補充。在供暖季，通過汽水換熱器，將蒸汽

14、熱量轉(zhuǎn)換成與用戶末端散熱裝置匹配的熱水供給用戶，不足的熱量由燃氣鍋爐或者市政熱力進行補充。 適用條件及主要特點：該方案工藝流程較復雜，在制冷季，能源轉(zhuǎn)化傳遞環(huán)節(jié)較多，導致能源利用效率不合理，但是經(jīng)過多重環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化傳遞，給用戶提供多種能源利用方式，增加了余熱利用方式的選擇性，提高供能服務的靈活性。特別的，當蒸汽負荷與供冷負荷一般不在同一時間段出現(xiàn)，增強了余熱利用的靈活性，可充分保證余熱被利用?？紤]經(jīng)濟性時，當燃氣價格較高，采用余熱制備蒸汽的成本相對更低，因此此種工藝路線多適用于食品、化工、醫(yī)藥類工廠和醫(yī)院，以及其他有蒸汽需求且采用其他方式獲取蒸汽成本較高的場合。 圖-4燃氣輪機簡單循環(huán)工藝流程（

15、工藝路線二）3.燃氣輪機簡單循環(huán)工藝路線三該系統(tǒng)流程如圖5所示，系統(tǒng)中，余熱利用設備是煙氣水換熱器，供熱時直接供出，夏季制冷時需要通過熱水型吸收式空調(diào)機組轉(zhuǎn)換后供冷；調(diào)峰設備是電制冷機和燃氣鍋爐，調(diào)峰設備也可選用直燃機優(yōu)化廠房布置和氣源條件。系統(tǒng)工作原理：燃氣在燃氣輪機內(nèi)進行燃燒轉(zhuǎn)化后，驅(qū)動透平發(fā)電和排出高溫煙氣。在制冷季，燃氣輪機發(fā)電后產(chǎn)生的高溫煙氣，進去煙氣水熱交換器，制備出高溫熱水進入熱水型吸收式空調(diào)機組，通過吸收式制冷提供冷凍水，不足的冷量則由電制冷機補充；如果有生活熱水需求，也可分出一個支路，作為生活熱水熱源。在制熱季時，高溫煙氣則直接通過煙氣水熱交換器，制備出高溫熱水，提供采暖熱源

16、，不足的熱量則由燃氣鍋爐補充。 主要特點及適用條件：該方案的余熱設備是煙氣水熱交換器，設備造價較低。在制冷季時，熱水不僅可以制備生活熱水，還可以作為制冷源。因此本方案適用于熱水負荷較大且不穩(wěn)定的場合，適應性較強，能保證燃氣輪機運行穩(wěn)定。 圖-5燃氣輪機簡單循環(huán)工藝流程（工藝路線三） 4.燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的工藝路線 該系統(tǒng)流程如圖6所示，系統(tǒng)中余熱利用設備是余熱鍋爐，余熱鍋爐還可選擇帶補燃和不帶補燃兩種形式。供冷調(diào)峰設備可以選用電制冷機，供熱調(diào)峰設備可以選用燃氣鍋爐或市政熱力。 系統(tǒng)工作原理：燃氣輪機的高溫煙氣通過余熱鍋爐制取蒸汽，利用蒸汽推動汽輪機（抽凝機或背壓機）發(fā)電，使用分集汽缸匯集汽輪機

17、排出的蒸汽，利用吸收式空調(diào)機組和汽水換熱裝置進行供冷和生產(chǎn)生活熱水，或直接送往用汽點。 主要特點和適用條件：燃氣輪機和蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，大大提高了系統(tǒng)發(fā)電效率，但是系統(tǒng)的造價相對簡單循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)較高，適用于用電和蒸汽需求高的場合，尤其對于機房用電要求較高，更加適合于工廠的自備電廠。圖-6蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)的工藝流程 三、燃氣內(nèi)燃機分布式能源系統(tǒng)典型工藝路線 燃氣內(nèi)燃機分布式供能系統(tǒng)的余熱形式有高溫煙氣和缸套冷卻水、潤滑油冷卻水三種。對應余熱利用設備仍為余熱鍋爐、吸收式空調(diào)機組和熱交換器（煙氣水型、水水型）。根據(jù)系統(tǒng)的余熱設備不同，則系統(tǒng)的典型工藝路線可以大致分為三種，基本可以涵蓋不同工藝路

18、線的內(nèi)燃機分布式供能系統(tǒng)的特點，具體分類如下：燃氣內(nèi)燃機+煙氣熱水型吸收式空調(diào)機組（補燃）+缸套水換熱器+調(diào)峰設備；燃氣內(nèi)燃機+煙氣余熱鍋爐+蒸汽吸收式空調(diào)機組+缸套水換熱器+調(diào)峰設備；燃氣內(nèi)燃機+煙氣水換熱器+熱水型吸收式空調(diào)機組+缸套水換熱器+調(diào)峰設備，其中調(diào)峰設備可以是電制冷機、水/地源熱泵、燃氣鍋爐和直燃機。 1.內(nèi)燃機的工藝路線一 該系統(tǒng)工藝流程如圖7所示，系統(tǒng)中，與內(nèi)燃機的余熱形式高溫煙氣、高溫缸套水及潤滑油冷卻水相對應的余熱利用設備是煙氣熱水型吸收式空調(diào)機組和水水換熱器。 系統(tǒng)工作原理：燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)在發(fā)電電的同時，也產(chǎn)生了400550的高溫煙氣、80110的缸套冷卻水和4065

19、的潤滑油冷卻水等，利用余熱設備對熱能進行轉(zhuǎn)化，物盡其用。內(nèi)燃機產(chǎn)生的高溫煙氣和高溫缸套水將進入吸收式空調(diào)機組，制備冷熱負荷。高溫缸套冷卻水和潤滑油冷卻水也可通過板式換熱器，制備出采暖熱水或洗浴熱水；當供熱量不足時，可以先通過補燃提供，仍然不足的部分，則由燃氣鍋爐提供。 主要特點和適用條件：燃氣內(nèi)燃機系熱水負荷需求的建筑物比較適合，如用于采暖只能適用于末端采用風機盤管、地板采暖等低溫供暖的形式。此外，還比較適合于熱泵系統(tǒng)（土壤源、水源熱泵等）進行匹配設計。 圖-7內(nèi)燃機工藝流程（工藝路線一） 2.內(nèi)燃機工藝路線二 該系統(tǒng)工藝流程如圖8所示，系統(tǒng)工作原理：燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)在發(fā)電的同時，產(chǎn)生的余熱高溫

20、煙氣進入余熱鍋爐，在余熱鍋爐內(nèi)生產(chǎn)出飽和蒸汽后，在夏季制冷工況時通過蒸汽雙效吸收式空調(diào)機組進行吸收式制冷，向系統(tǒng)提供冷凍水，不足的冷量由電空調(diào)進行補充，同時通過汽水換熱器向用戶提供生活熱水；在冬季供熱工況時，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接送往用汽點，或通過換熱器制備出采暖熱水和生活熱水，當供熱量不足時，由燃氣鍋爐補充。 主要特點和適用條件：由于內(nèi)燃機II型系統(tǒng)相對復雜，但是余熱利用形式通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽后，利用蒸汽間接進行制冷，該系統(tǒng)對有蒸汽和制冷需求的場合非常適用。通過不同時段的不同需求，調(diào)配蒸汽和制冷的供汽比例，降低成本，節(jié)省能源成本；例如在制冷成本較高時，可以將制冷比例加大，在供汽價格較高時，

21、可以優(yōu)先滿足供汽需求，保證經(jīng)濟效益最大化。圖-8內(nèi)燃機工藝流程（工藝路線二）3.內(nèi)燃機工藝路線三該系統(tǒng)工藝流程如圖9所示，系統(tǒng)工作原理：在冬季供熱工況時，燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)在發(fā)電的同時，尾部的高溫煙氣通過煙氣水熱交換器，制備出高溫熱水，與高溫缸套水和潤滑油冷卻水通過板式換熱器制備的熱水一同為熱用戶提供采暖熱水和生活熱水，如果熱量供應不足，則通過燃氣鍋爐補充。在夏季制冷工況時，燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生的煙氣余熱通過煙氣水熱交換器交換出高溫熱水，與高溫缸套水制備的熱水一同在熱水型吸收式空調(diào)機組進行吸收式制冷，向用戶提供冷凍水，當冷凍水供應量不足時，剩余不足冷量由電制冷機補充。主要特點和適用條件：熱水型吸收式空調(diào)機組的COP較低，一般是0.7左右，所以余熱設備制備出的熱水可以直接供應用戶最好，盡量降低吸收式制冷供應的比例。所以該系統(tǒng)方案適合于用戶電價較高，且熱水負荷較大的建筑物，如商場、交通樞紐等。 圖-9內(nèi)燃機工藝路線（工藝路線三） 四、微燃機分布式能源系統(tǒng)典型工藝路線 微燃機和燃氣輪機的余熱類型相同，都是高溫煙氣，但是微燃機的煙氣余熱溫度較低（在200300），因為微燃機設有回熱器，余熱被部分回收。微燃機燃氣分布式供能系統(tǒng)根據(jù)余熱利用設備的不同，可以分為兩大類典型的工藝路線：微燃機+煙氣余熱吸收式空調(diào)機組（補燃）+調(diào)峰設備；微燃機+煙氣水換熱器+熱水吸收式空調(diào)機組+調(diào)峰設備。