天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)發(fā)展中的理論探討與規(guī)劃實(shí)例研究

周路燕

【摘 要】隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們?cè)谏a(chǎn)生活中對(duì)電能、冷能和熱能的需求日益增加。文章闡述了天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的含義，對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和總結(jié)，并就規(guī)劃建設(shè)實(shí)例分析了某市推廣應(yīng)用天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的機(jī)遇和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】 天然氣 ?冷熱電聯(lián)供 ?規(guī)劃 ?實(shí)例 ?集中供冷

1 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡(jiǎn)介

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cold Heat and Power， CCHP）是與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)相連接的，向一定區(qū)域內(nèi)的用戶同時(shí)提供電能、冷能和熱能的能源服務(wù)系統(tǒng)。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與大電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)相連接的，向一定區(qū)域內(nèi)的用戶同時(shí)提供電力、蒸汽、熱水和空調(diào)冷水（或風(fēng)）等的能源服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)以天然氣作為燃料，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)首先做功，400-600°C的排出煙氣通過(guò)各種方式按不同的溫位進(jìn)行逐級(jí)利用，最終可以達(dá)到80%以上的利用效率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一次能源的梯級(jí)利用，直接面向用戶端，按照用戶的需求供電、供冷、供熱和提供生活熱水等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將天然氣燃燒產(chǎn)生的高品位熱能用于發(fā)電，然后將燃?xì)廨啓C(jī)排放的蒸汽用于制冷、采暖和生活熱水等等，符合綜合用能和按質(zhì)用能的原則，實(shí)現(xiàn)了“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的利用方式。

2 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)與運(yùn)行方式

（1）天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用尚處于起步階段，地方供電管理部門對(duì)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的并網(wǎng)問(wèn)題仍持相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，與公共電網(wǎng)在主回路上存在電氣連接，電氣連接包括電纜直接連接、經(jīng)變壓器連接、經(jīng)逆變器連接等方式。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)并網(wǎng)必須遵照兩個(gè)原則：一是保證機(jī)組設(shè)備與電網(wǎng)的安全可靠性，及公共電網(wǎng)其他用戶的電能質(zhì)量不受損害;二是確保公眾與運(yùn)行人員的安全，不對(duì)電力供給設(shè)備和其他用戶設(shè)備造成不良影響。

（2）天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行方式。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電力裝機(jī)可以根據(jù)實(shí)際區(qū)域負(fù)荷情況靈活配置，小到1MW大到100MW以上均可。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“冷熱電聯(lián)供”狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)所發(fā)的電應(yīng)首先在區(qū)域內(nèi)直供和消納，當(dāng)系統(tǒng)所發(fā)的電不足以滿足用戶側(cè)的電量需求時(shí)，需要從公共電網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)充;當(dāng)系統(tǒng)所發(fā)的電大于用戶側(cè)的電量需求時(shí)，可以向公共電網(wǎng)輸送多余的電量。相較于燃煤發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“冷熱電聯(lián)供”狀態(tài)運(yùn)行時(shí)多發(fā)的電應(yīng)給予優(yōu)先調(diào)度。電網(wǎng)調(diào)峰首先安排具有調(diào)節(jié)能力的水電、燃?xì)?、燃油、抽水蓄能機(jī)組和燃煤發(fā)電機(jī)組，然后再視電力系統(tǒng)需要安排其他機(jī)組，必要時(shí)安排火電機(jī)組進(jìn)行降出力深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰。因此，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以“調(diào)峰電廠”狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其所發(fā)的電也能給予優(yōu)先調(diào)度。

3 國(guó)內(nèi)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用狀況

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)方面的發(fā)展相對(duì)滯后，尚處于起步階段，隨著近幾年天然氣的廣泛應(yīng)用，北京、上海、廣州等城市相繼建設(shè)了一批天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項(xiàng)目，主要安裝在商業(yè)樓宇、醫(yī)院、居民小區(qū)和大學(xué)城等，我國(guó)目前已有天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)總裝機(jī)容量近100萬(wàn)kW。我國(guó)最早應(yīng)用的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的是上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院，于1998年IH式投產(chǎn)（現(xiàn)停運(yùn)）。隨后上海又進(jìn)行了一些項(xiàng)目的試點(diǎn)，包括上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上海閔行中心醫(yī)院等項(xiàng)目。在相關(guān)政府部門和專業(yè)公司的推動(dòng)下，我國(guó)開(kāi)發(fā)了北京燃?xì)庵笓]中心、北京燃?xì)鈴V渠門站和中關(guān)村軟件園等樓宇式天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能源項(xiàng)目，也開(kāi)發(fā)了廣州大學(xué)城等區(qū)域型能源站項(xiàng)目。

在一些城市商業(yè)中心、居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)，用戶比較集中，電力負(fù)荷和冷、熱負(fù)荷密度都比較大，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以利用不同用戶對(duì)冷、熱、電的不同需求在季節(jié)和一天中各個(gè)時(shí)段的區(qū)別性和互補(bǔ)性獲得更高的效率，并且由于規(guī)模效應(yīng)而具有更好的經(jīng)濟(jì)性，從而體現(xiàn)出天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)潛在的廣闊發(fā)展空間。我國(guó)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以有以下幾種類型作為主要目標(biāo)市場(chǎng)：①北方集中供暖市場(chǎng)，在滿足大部分城市居民冬季供暖的需求基礎(chǔ)上，開(kāi)拓非采暖季制冷和熱水用戶;南方區(qū)域供電及供冷市場(chǎng)，以滿足城市商業(yè)、行政中心區(qū)公共建筑集中供冷需求為主要負(fù)荷，同時(shí)可以向附近住區(qū)建筑物居民提取生活熱水來(lái)提高能源利用效率;大型工業(yè)園區(qū)，主要以大量使用蒸汽的用戶為主;大型聯(lián)合循環(huán)調(diào)峰電廠，同時(shí)兼顧向周邊供冷、暖和熱水;現(xiàn)有城鄉(xiāng)工業(yè)園區(qū);大城市規(guī)劃新區(qū);新規(guī)劃中的中小城鎮(zhèn);對(duì)現(xiàn)有城市燃煤熱電廠的改造等。

4 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)遇

在我國(guó)環(huán)境污染較為嚴(yán)重的今天，尤其是近期的PM2.5問(wèn)題嚴(yán)重影響了人們的生活，我國(guó)迫切需要發(fā)展清潔的能源生產(chǎn)方式。截至2012年，我國(guó)煤電裝機(jī)規(guī)模7.58億kW，占總裝機(jī)規(guī)模的66.2%，煤電發(fā)電量3.68萬(wàn)億kWh，占總發(fā)電量的73.9%，我國(guó)煤炭資源豐富的稟賦決定了我國(guó)將在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)保持以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)。我國(guó)燃煤發(fā)電的碳排放量和S02排放量分別在全國(guó)總排放量中所占的比例是比較大的，天然氣作為較為清潔的常規(guī)化石能源，燃燒排放的S02和PM10、PM2.5等顆粒物較少。

由于傳統(tǒng)的冷熱電分產(chǎn)和熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合終端空調(diào)等提供電能、冷能和熱能的生產(chǎn)方式，在一定程度上存在一次能源利用效率低下等問(wèn)題，因此，高效靈活的冷熱電聯(lián)供生產(chǎn)方式逐漸發(fā)展起來(lái)。隨著人們節(jié)能意識(shí)的提高，用于生產(chǎn)電能、冷能和熱能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源也逐漸向較為清潔的天然氣以及風(fēng)能、太陽(yáng)能和潮汐能等可再生能源轉(zhuǎn)變，但是一些可再生能源冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)存在受地域和季節(jié)影響較大、短期內(nèi)大容量大規(guī)模發(fā)展較為困難等問(wèn)題。因此，高效率、低污染且容量較大的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)成為未來(lái)較為合適的發(fā)電供能方式。

隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑空調(diào)用電占城市總用電的比例逐年上升，給電網(wǎng)供電造成很大負(fù)擔(dān)。而采用含有電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)組和蓄冷裝置的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可以在夜晚利用電網(wǎng)的低谷低價(jià)電來(lái)制冷，并儲(chǔ)存在蓄冷裝置，在第二天空調(diào)用電負(fù)荷高峰期用儲(chǔ)存的冷量來(lái)替代部分空調(diào)負(fù)荷，可以在夏季空調(diào)用電高峰期緩解電力高峰的壓力，進(jìn)一步降低對(duì)電網(wǎng)電力負(fù)荷需求。

此外，我國(guó)發(fā)展天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)還具有政策導(dǎo)向方面的優(yōu)勢(shì)。2011年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等四部委發(fā)布的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出“十二五”期間建設(shè)1000個(gè)天然氣分布式能源項(xiàng)目，2020年天然氣分布式能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)5000萬(wàn)千瓦的目標(biāo)。2012年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的新版《天然氣利用政策〉〉相較于2007年的版本，幾乎放寬了所有天然氣發(fā)電利用方式的優(yōu)先級(jí)別，將天然氣分布式能源和除十三個(gè)大型煤電基地所在地區(qū)之外的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目列入優(yōu)先類。因此，靠近區(qū)域用戶負(fù)荷附近的以天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為代表的綜合發(fā)電和供能方式擁有了前所未有的歷史機(jī)遇和發(fā)展使命，成為我國(guó)未來(lái)能源和電力領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。

5 規(guī)劃建設(shè)實(shí)例

以筆者在對(duì)華南某市空港區(qū)能源規(guī)劃中對(duì)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用為例。該市提出“以城市發(fā)展引領(lǐng)各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展”的理念，加快建設(shè)現(xiàn)代化國(guó)際化先進(jìn)城市，以重大項(xiàng)目推動(dòng)城市高水平建設(shè)，將建設(shè)六大新型功能區(qū)，其中就包括“加快西部空港區(qū)建設(shè)，打造推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的新載體”。

根據(jù)該市空港區(qū)的自然條件，空港區(qū)夏熱冬暖，夏季長(zhǎng)、平均氣溫高、供冷需求長(zhǎng)期存在;根據(jù)空港區(qū)的規(guī)劃，空港區(qū)和該市機(jī)場(chǎng)相鄰，空港區(qū)啟動(dòng)區(qū)內(nèi)有會(huì)展商貿(mào)區(qū)，需集中制冷的建筑面積約達(dá)30萬(wàn)平方米以上，周邊配套辦公商業(yè)約50萬(wàn)平方米，而機(jī)場(chǎng)正規(guī)劃新建3號(hào)、4號(hào)航站樓，兩座航站樓建筑面積約40萬(wàn)平方米。根據(jù)該市一年中約有八個(gè)月以上時(shí)間的制冷需求，而機(jī)場(chǎng)一天中約有20小時(shí)的供冷時(shí)間，因此該區(qū)域非常適合采用集中供冷的方式。

根據(jù)以上分析，規(guī)劃擬在空港區(qū)與該市機(jī)場(chǎng)接壤的南部區(qū)域，新建一座天然氣冷熱電三聯(lián)供分布式能源站，保障3號(hào)、4號(hào)航站樓、會(huì)展商貿(mào)區(qū)的集中供冷需求，還可在其經(jīng)濟(jì)可行的服務(wù)半徑內(nèi)，充分發(fā)展有集中供冷需求的公共建筑用戶，以期達(dá)到環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、能源利用效率最大化。

根據(jù)核算，空港區(qū)分布式能源站服務(wù)范圍包括規(guī)劃的會(huì)展中心約35萬(wàn)平方米，近期建設(shè)配套辦公商業(yè)約50萬(wàn)平方米，機(jī)場(chǎng)航站樓約40萬(wàn)平方米。會(huì)展中心及航站樓空調(diào)負(fù)荷以140瓦/平方米估算，商業(yè)、辦公空調(diào)負(fù)荷以80瓦/平方米估算，總空調(diào)負(fù)荷約14.5萬(wàn)千瓦。取集中供冷率0.7，同時(shí)使用率0.7，輸送效率0.95，能源站非電空調(diào)制冷將滿足約7.5萬(wàn)千瓦用冷需求。

按擬建300兆瓦分布式能源站計(jì)算，所產(chǎn)熱量大部分用于供冷，按制冷季9個(gè)月、平均負(fù)荷率60%考慮，分布式能源站一年可節(jié)約電空調(diào)用電量約865萬(wàn)千瓦時(shí);發(fā)電機(jī)組按5800小數(shù)運(yùn)行考慮，可提供約17億瓦時(shí)電量，對(duì)該市西部區(qū)域長(zhǎng)期存在電力缺口也是個(gè)非常不錯(cuò)的補(bǔ)充。同時(shí)，分布式能源站可供應(yīng)空港區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀保留的一些工業(yè)生產(chǎn)所需高溫蒸汽，可逐步取消區(qū)內(nèi)的工業(yè)小鍋爐，減少環(huán)境污染。

該市由于西部區(qū)域工業(yè)集中，用電負(fù)荷較大，而電力設(shè)施又集中在該市東部，故而長(zhǎng)期存在電力供需不平衡，西部電力缺口大的問(wèn)題，空港區(qū)的快速發(fā)展又加重電力缺口的問(wèn)題?？崭蹍^(qū)供冷需求集中，時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)行集中供冷可大大減少空港區(qū)發(fā)展電力空調(diào)帶來(lái)的電力需求增量。該市的天然氣主要來(lái)源于西氣東輸二線，由該市的西北部輸入，氣源充足，天然氣高壓網(wǎng)絡(luò)完善，可作為能源站的穩(wěn)定天然氣供應(yīng)來(lái)源。因此，將天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用納入西部空港區(qū)的能源規(guī)劃，是非常適宜和值得推廣的，規(guī)劃與空港區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)同步，由國(guó)內(nèi)大型電力生產(chǎn)集團(tuán)投資建設(shè)。

6 結(jié)語(yǔ)

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 能夠大大提高能源的利用效率，減少輸配電線路的損耗和供熱管網(wǎng)的能耗，節(jié)能效果明顯，還可以減輕電網(wǎng)的高峰負(fù)荷壓力。在北方推廣應(yīng)用天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可結(jié)合熱電廠和集中熱網(wǎng)系統(tǒng)改建，滿足冬季集中供熱、夏季集中供冷;在南方，則主要結(jié)合區(qū)域集中供冷，在集中供冷面積大，時(shí)間長(zhǎng)，供冷需求較大的區(qū)域建設(shè)，同時(shí)所產(chǎn)電力入網(wǎng)，也是智能電網(wǎng)的一部分補(bǔ)充?？傊?，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng) 將在能源綜合利用方面占有十分重要的地位，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

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