天然气分布式能源及其应用

分布式能源概述：以燃气及生物质能、太阳能、氢能、风力和其它可再生的清洁能源为一次能源，在用户现场或靠近用户现场的小型或微型独

分布式能源概述：

以燃气及生物质能、太阳能、氢能、风力和其它可再生的清洁能源为一次能源，在用户现场或靠近用户现场的小型或微型独立输出电、热（冷）能的系统技术，即（广义的）分布式能源技术。

一次能源经过各种转换方式组合，最经济、最高效地直接向用户提供所需要的电力、空调冷水、采暖热水、生活热水、蒸汽等终端能源服务的系统。

相关名称：分布式发电、分布式电源、冷热电联供（CCHP）、热电联供（产）（CHP）、天然气分布式供能等等。

“天然气分布式能源”定义：

摘自国家能源局《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源[2011]2196号）

一般地，“天然气分布式能源”可分为“区域分布式能源（DES）”和“楼宇分布式能源（BCHP）”。

分布式能源系统特点：

分布式能源实现了能源的梯级利用，能源综合利用效率可达70%以上。

分布式能源系统应用领域：

天然气分布式能源参与方：

近期分布式能源系统相关政策：

01.《关于加快天然气冷热电联供能源发展的建议》—国务院研究室研究报告445号(2011.4.6)

发展天然气冷热电联供能源具有重要意义且条件具备、时机成熟。

2.《关于发展天然气分布式能源的指导意见》—发改能源[2011]2196号(2011.10)

“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目；到2020年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模达到5000万千瓦。

3.《天然气利用政策2012》 —国发改委员第15号令 (2012.12.1)

天然气分布式能源属于优先类城市燃气。

4.《国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意见和规范的通知》—国家电网办[2013]1781号 (2013.11.29)

分布式电源发电量可以全部自用或自发自用剩余电量上网，由用户自行选择，用户不足电量由电网提供。

5.《分布式发电管理暂行办法》—发改能源[2013]1381号(2013.7.18)

电网企业负责分布式发电外部接网设施以及由接入引起公共电网改造部分的投资建设，并为分布式发电提供便捷、及时、高效的接入电网服务。

6.《关于印发天然气分布式能源示范项目实施细则的通知》—发改能源[2014]2382号(2014.10.23)

各省（自治区、直辖市）要充分考虑天然气分布式能源项目在节能减排方面的优势和特点，优化和简化审核程序，加快审核办理进度，并网申报、审核和批准过程原则上应不超过60个工作日。

天然气分布式能源项目可向项目所在地有关部门申请冷、热、电的特许经营，允许分布式能源企业在该区域内享受供电、供热、供冷经营权利，与用户分享节能效益。

分布式能源系统相关政策(地方政策)：

1.《上海市天然气分布式能源系统和燃气空调发展专项扶持办法》的通知—沪府办发[2013]14号 (2013.3.19)

对分布式能源项目按照1000 元/千瓦给予设备投资补贴，对年平均能源综合利用效率达到70%及以上且年利用小时在2000 小时及以上的分布式能源项目再给予2000 元/千瓦的补贴。每个项目享受的补贴金额最高不超过5000万元。

2.《关于调整燃气空调和分布式能源系统燃气销售价格》的通知—沪燃集（2010）67号(2010.7)

分布式能源系统发展现状与趋势：

分布式能源提出30余年，项目研究与实践已有15年；

行业初期发展缓慢，2008年之后开始快速发展，近两年来爆发性增长；

项目主要集中于上海、北京、江苏等经济发达及气源有保障的地区。

从项目累计装机容量来看，2009年之后项目装机容量才有较快增长；

截止2014年10月份，天然气分布式能源累计装机容量971MW（97.1万kW)，相比2020年总装机容量5000万kW的目标相差较远。

分布式能源系统发展现状与趋势：

早期的分布式能源项目，都以楼宇型项目如商业中心、工业用户和医院项目居多；

近年来区域能源站项目也得到较快发展；

随着通信行业的飞速发展，数据中心项目成为近年来重点发展的领域之一。

技术发展趋势：

分布式能源系统适用场合及目标用户：

分布式能源系统适用于具有多种能源需求，能源消费量大且集中的地区，以及对供电安全要求较高的单位，如：医院、宾馆、商业综合体、高档写字楼、交通枢纽、数据中心、机关和工厂等。这些用户组织性强，便于集中控制和管理，用电、用冷（热）负荷时间长，产生的效益较高，有利于资金回收。

工业用户用能特点分析：

工业领域涉及行业主要为：钢铁、石化、化工、建材、机械、纺织、电子信息、食品、烟草、陶瓷、医药等。根据各行业的工艺要求不同，对用热的要求也不同，但也有许多共同点。

能源需求种类多：主要为蒸汽、热水、热风、导热油、冷/热空调等；

热耗占比多：工业耗能中一般50%以上为热耗，用热范围大多在80 ℃以上，多数集中在100℃左右，特殊用热在250 ℃左右；

温度恒定：工作温度要求变化范围较小，一般在3 ℃-5℃之间；

用能连续、安全性要求高：工作时要求热量必须连续的供给，供能不能中断，避免影响生产。

用能时间长、能耗波动小：主要为生产工艺用能，主要与计划生产量有关，能耗随季节或时间等波动较小。

国外工业领域分布式能源发展情况：

来源：工业领域分布式供能发展研究，2013。

工业天然气分布式能源系统解决方案：

能源需求特点：持续稳定的电力供应；有稳定蒸汽需求或工艺用导热油需求；对能源成本敏感。

工业分布式能源系统配置的特征：

主要考虑解决工业蒸汽、导热油、或热风等用热需求；

原动机按需求可采用燃气轮机（满足蒸汽需求）或内燃机（加热导热油）或微燃机（热风）等；系统年运行时间长，一般高于5000h。

【例】昆山福伊特纸业工厂分布式能源项目

供能方式：冷热电联供

燃料类型：天然气

发电机组类型：燃气内燃发电机组

总输出功率：电：600kW ，冷：349kW，热：217kW。

类似项目：上海航天装备制造总厂；玉柴联合动力工厂…

【例】上海大众汽车安亭工厂分布式能源项目

上海大众汽车安亭工厂分布式项目是上海市首个工业燃气轮机煤改气项目，系统由4台燃气轮机、余热锅炉及其附属设备组成，系统总发电装机容量26.5MW，同时每小时可产生蒸汽57.3t (10bar )，综合能源利用率可达84.3%。该项目已于2016年2月19日正式投产运行，投运后每年将节省标准煤1.6万多吨，减排二氧化碳5万多吨，同时与燃气锅炉相比，每年可节省运行费用约7000万元。

工业用户分布式能源系统解决方案示意图：

数据中心天然气分布式能源系统解决方案：

能源需求特点：

持续稳定的电力供应；全年空调需求；

供能安全性要求高；较低PUE值（数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比）。

分布式能源系统配置的特征：

冷（热）比电接近1：1，系统配置采用“以冷定电”+冷电平衡原则；

原动机多采用内燃机，主要考虑内燃机发电量和其余热通过溴化锂之后产冷量接近1：1，故此可保障系统经济性；

数据中心供能安全性要求高，系统原动机、溴化锂及水泵等设备需采用N+1配置。

数据中心分布式能源系统解决方案示意图：

【例】斐讯数据中心天分布式能源项目

供能方式：冷电联供；燃料类型：天然气；

发电机组类型：燃气内燃发电机组；

总输出功率：电：6×4.3MW；冷：6×5.1MW。

能源站供能能力为25.8MW电量+30.6MW冷量，可以在市电故障的情况下，独立完成对数据中心的供能，并且解决了用户变压器容量不足的问题，每年可为生产基地节省能源费用5700万元，同时节能21864吨，减排二氧化碳75590吨。

楼宇型天然气分布式能源系统解决方案(医院)：

能源需求特点：

持续稳定的电力供应；全年热水需求；

经济的能源成本；严格的噪声及污染排放。

分布式能源系统配置的特征：

主要考虑解决热水需求并供应一部分电力，系统设计采用“以热定电”原则；

原动机可采用微燃机以保证系统的噪音和污染排放满足要求；

系统年运行小时长，基本上可超过6000h。

医院分布式能源系统解决方案示意图：

【例】上海市第一人民医院松江分院

供能方式：热电联供；燃料类型：天然气；

发电机组类型：微型燃气轮机；

总输出功率：电：3×65kW，热水：3×2t/h。

第一人民医院松江分院是松江地区一家的综合性医院，占地面积150亩，建筑面积10万m2，床位数700个。医院除具有长久稳定的电负荷和冷负荷需求外，24小时需求热水。年平均综合能源利用效率82%，年可节约能源费用90万元，年约节省标煤283.0吨，减少二氧化碳排放量633.4吨。

类似项目：上海市第五人民医院、上海市第一妇婴保健院…

区域能源中心天然气分布式能源系统解决方案：

能源需求特点：

持续稳定的电力供应；空调冷热负荷较大；

可能存在较稳定的生活热水需求，但热水负荷相对较小。

分布式能源系统配置的特征：

遵循“以热定电，热电平衡”的原则进行系统配置，分布式能源系统仅解决区域内的部分能源需求，需配置相应的调峰；设备共同满足整个区域的能源供应；

原动机基本选用燃气内燃发电机组，系统采用冷电/热电联供形式；

条件允许的情况下，多余电力可以上网；

系统过渡季节运行时间较短或不运行，年运行小时相对较短，主要为冬夏空调季。

【例】上海国际汽车城研发科技港

供能方式：冷热电联供；燃料类型：天然气；

发电机组类型：燃气内然发电机；

总输出功率：电：2×800kW，冷：2×605kW，热：2×680kW。

上海国际汽车城港区计划建造120幢300-2000平方米的独立楼宇，可容纳150家左右汽车研发设计企业入驻，一次能源利用率可达78%以上，相比传统分产系统年节省运行费用约522.1万元，年节约标准煤1161吨，二氧化碳减排2035 吨。

类似项目：上海世博B片区、中关村壹号…

天然气分布式能源项目的开发和实施：

分布式能源项目开发流程：

分布式能源项目可行性研究报告编制：

可研报告编制目的和作用：

可研报告格式要求：

需求分析与建设规模：

（1）需求分析关键—负荷分析：

现场调研，历史数据分析；

设计软件和各类型建筑逐时冷、热负荷指标进行设计；

可进行逐时电、冷、热负荷分析。

（2）建设规模关键—装机容量：

“以热定电”，“以电定热”“以基本电负荷定容量”

“热电平衡”。

建设方案：

系统配置与设备选型；系统工艺流程设计；系统运行模式设计；系统经济效益与技术指标分析；系统电气部分设计；系统控制部分设计；能源站选址与布置；工程实施设想。

投资估算与资金筹措：

工程建设其它费用：如建设管理费、工程保险费、前期工作费、勘察设计费等。

财务盈利能力分析：

项目投资使用计划与资金筹措总表；

借款还本付息计划表；

总成本费用估算总表；

利润估算表；

应纳增值税和营业税金及附加估算表；

融资前分析：项目投资现金流量表；

项目资本金现金流量表；

内部收益率、静态及动态投资回收期、净现值分析。

敏感性分析：

不确定因素：电价、天然气价、运行小时数；

项目类型：改造类项目和新建项目

1、项目直接成本的构成：

设备采购成本

设备成本相对固定，并受到系统界面的严重影响；

工程建设成本

工程建设成本的弹性比较大，可以比设备小也可比设备大很多，深受设计理念、建设理念的影响，尤其是新建项目。

2、新建项目的特殊性

是考虑总投资还是考虑增加的投资，两者相差很大。

系统收益=发电收益+供热（冷）收益-天然气消耗费用-运行维护费用

气价、电价决定了分布式能源项目的基本经济效益走向；由于各地的气价差别较大，因此一个完全一样的项目就可以有不一样的结果；由此可以肯定项目评价有研究的必要。

分布式能源技术应用的根本目的是减少排放

如果项目项目评价中能加入减排的收益，将使评价趋于合理、公正；

减排的收益具有持续性；

减排评价具有可操作性；

分布式能源项目的综合评价组成：

分布式能源项目的综合评价组成

1、财务评价

包括：投资回收期、资产负债率、财务内部收益率、财务净现值。

2、国民经济评价

包括：经济投资净效益率、经济净现值率。

包括：一次能源利用率、“火用”效率、一次能源节约率（节约量）、系统利用率。

4、环境评价

包括：二氧化碳排放、粉尘排放等

分布式能源项目实施过程中的注意事项：

经验教训：世博B片区

天然气分布式能源系统设计：

典型分布式能源系统流程图：

天然气分布式能源系统设计原则：

贯彻节约用地、节约用水、以及节约能源的原则。

对机组选型进行优化比较，选用符合我国国情的技术先进、性能可靠、价格合理的产品。

根据实际情况 “以电定热”或“以热定电”，最终以“热电平衡”为设计原则。以基本电负荷和冷热负荷确定装机容量，努力提高分布式能源系统的经济效益。

为便于项目建成后的运营维护，分布式能源系统模块化设计，且使用同一型号机组。

将分布式能源系统的供热系统并入原有供能系统，优先使用分布式能源系统余热供冷、供热、供应生活热水，以尽可能提高系统的效率。

方案规划、系统布置等，应紧密结合工程特点，进行方案优化。

天然气分布式能源技术的特征：

梯级利用，较高的一次能源利用率。

分布式能源技术是一项精细的供能技术，传统的热电厂单从供能方式讲是一项粗放型的供能方式。

余热的输送距离是有限的，因此区域型分布式能源系统的规模一定是受限的。

楼宇型分布式供系统因容量小，可灵活布置，使用场合更为广泛，因此，将是分布式能源不可或缺的一部分。

经济的直供范围：

电：10kV,1~2公里 空调冷水：1~1.6公里

1 MPa 蒸汽：12公里 采暖和生活热水：4~5公里(60℃左右)

分布式能源系统常用形式：

负荷分析：

冷热电负荷分析关系到项目设计、设备选型及后续运营管理等多个方面，冷热电负荷分析准确性关系影响到项目成败；准确合理的负荷分析是项目成功的一半；

根据项目深度及要求，项目性质不同，采取负荷指标法、参考类似建筑法以及实测法等获取可靠的分布式能源冷热电负荷数据；

负荷分析难点：

区域气候；供能对象的多样性；用户能源需求多样化；负荷的动态变化。

负荷特性总结：

经验教训：

上海市黄浦区中心医院

项目于1995年立项，总投资1500万元。

Solar Saturn T1501+余热锅炉+两台溴化锂吸收式机组。发电：1130kW，供蒸汽量：3.3t/h（8 bar），能源利用效率71%，年运行5840h。

实际运行的情况与原先估算存在着较大的差异，最高用电负荷仅为600kW，只占原先估算的能力53%。因此能源生产能力和实际消费严重失衡，余电蒸汽大量浪费，使用费用居高不下，用户不堪承受，已处于停用状态。

关键设备及其选型：

热机：内燃机：往复式

燃气发动机（高速＞1000r/min）、中速(1000~300r/min）、低速（≤300r/min））。

燃气轮机：轴流式（重型、中型、小型）；径流式（微燃机）；旋转式。

外燃机：往复式，斯特林发动机；旋转式，蒸汽轮机

非热机：燃料电池（低温、中温、高温）

发电机组设备：

燃气发动机：单机功率3～22000kW；

发电效率26～46.8％；

氮氧化物排放小于500mg/Nm3

热电比较小；重、体积大；

噪声大，通常大于100dB；余热回收复杂；

系统外围设备多、基础投资大，一般 需要独立的厂房维护周期短、费用较高。

用于分布式能源系统的燃气发动机有高速机、中速机之分，两种类型的机组对系统的适用性也是不同的。

燃气发动机构成的典型热力系统：

燃气发动机模块化结构：

燃气发动机系统典型布置：

燃气内燃发电机组一览：

功率、发电效率、排烟温度、缸套水温度等。

中小型燃气轮机：

THM 1304 Gas Turbine

微型燃气轮机发电机组：

微型燃气轮机发电机组的技术发展—进一步提高发电效率，可达42%；

双轴双级增压两次做功；

耐高压回热器、燃烧室，压比11:1；、中冷器。

分布式能源系统运营维护：

设备运营维护要求：

备品备件分级管理模式：

售后服务提供方式：

关键设备选择：

主设备是否具有连续运行能力，可靠性如何？

发电效率、余热的品质；

考虑实施现场的安装条件、环境条件（振动、噪声、排放）；

机组的维护保养、全寿命周期费用；自动控制要求。

上海大众汽车安亭工厂项目实践：

上海大众汽车有限公司安亭工厂位于上海嘉定区，由于工厂用电量较高且基本稳定，生产厂房全年又都有稳定的蒸汽需求，适合发展分布式热电联产项目，此类天然气高效利用在节能同时，也可为企业产生运行经济性，减少运行成本支出。

为响应政府“煤改气”号召，厂区正在进行锅炉“煤改气”项目改造，原有的燃煤锅炉拟改建为燃气锅炉，已建成2台30吨，1台55吨，还将增加4台55吨燃气锅炉。

电负荷分析：

蒸汽负荷分析：

项目实施：

不同机型比较：

综合比较：

项目方案：

4台德国MAN公司生产的MGT6200型工业燃气轮机；

4台余热蒸汽锅炉；1套CCHP智能系统；

水泵、冷却塔等辅助设施。

项目过程：

能源结构调整，提高能源效率，保障供能安全，提高生活质量，提升经济水平；

随着政策逐步落实，技术及工程实践经验积累，近几年发展较快，但离目标还有很大距离；

分布式能源在工业领域及数据中心、楼宇型、区域型的应用；

没有最好的设备，只有最合适的设备。

本文来源于互联网，作者：高顶云。暖通南社整理编辑。