天然气热电冷联供系统的效益分析

摘要：结合热电冷联供系统的应用，分析了天然气热电冷联供系统的技术特征与效益。

关键词：天然气应用；热电冷联供；节能

Benefit Analysis of Co-operation of Heating and Power and Cooling of Natural Gas

XUE Mei，DONG Hua

(Qingdao Institute of Architecture and Engineering，Qingdao 266033，China)

Abstract：In association with application of system combined heating and power and cooling．technological feature and characteristics of system of co-operation of heating and power and cooling of natural gas are ex-pounded ．

Key words：natural gas application；co-operation of heating and power andcooling；energy saving

1 引言

天然气是一种高热值的洁净能源。天然气不但是珍贵的化工原料和优质的民用燃料，而且还作为发电燃料使用。这首先是由于天然气的储量丰富，全球天然气探明储量在不断增加。其次是环保对削减C02排放量的迫切要求。据1995年全球能源消费统计，C02的排放量达58.4l亿t／a，预计到2010年将增至83．30亿t／a[1]。因此，大力削减能源消费过程中CO2排放，促进了火电化石燃料向天然气转换。第三是天然气能源利用效率的不断提高。在采用天然气热电冷联供系统中，发电效率得到很大的提高，清洁、高效是衡量发电技术先进与否的两条最重要的标准。天然气热电冷联供系统集天然气清洁能源与高效发电方式于一身，成为当今世界最受重视的实用发电技术。本文就天然气作为燃料在热电冷联供系统中，对热电的有效利用及环境保护进行论述。

2 技术特征与效益分析

天然气热电冷联供是以天然气燃烧产生的热量驱动燃气发动机或燃气轮机，带动发电机发电并回收排放热，排放热用于工厂的供热、民用建筑的集中供暖和制冷系统，形成既发电，又能供热、供冷的复合系统[2-4]。天然气热电冷联供系统具有以下技术特征与特点。

(1)综合效率高

对普通的火力发电系统，输入热量按100％计算，扣除送电损失2％、未利用的排热60％，其综合效率为38％。而对天然气热电冷联供系统，同样输入热量按100％计算，发电占25％～40％ ，排热利用占40％～50％，如果把用电和用热分配好，综合效率可以达到70％～80％，而没利用的排放热仅为20％～30％[5]。因此，天然气热电冷联供系统由于增加了排放热的利用，其综合效率比普通的火力发电系统高约30％～40％。

(2)节省能源

天然气燃烧可得到1500℃以上的高温能源，首先利用这部分能源驱动发电机发电，然后逐级利用排放热供应热水、蒸汽进行多阶段利用，这是提高能源利用率的有效方法之一。为了使宝贵能源更有效利用，不仅要提高耗能设备效率，尽量减少排放热损失，而且要使能源产生的能量由高温到低温实行多阶段利用，也就是按能量品位的高低，安排好功、热和物料热力学能的各种能量之间合理配合，实现不同形式、不同品位能量的梯级利用，以获得整个系统能量综合利用最佳效果。能量梯级利用途径见表1。

天然气热电冷联供系统是由一种一次能源连续产生两种以上的二次能源的系统，品位高的热能用来发电，稍低的继续用来发电或做动力，更低的用于供热。如图1所示，热电冷联供系统与电力和锅炉热能分供系统进行比较，可节省能源25％。

(3)有利于环保

电力工业是排放污染物较多的行业之一，燃煤发电使二氧化硫、氮氧化物、烟尘和二氧化碳排放量逐年增长，酸雨危害日趋严重，大气环境不断恶化，成为21世纪人类面临的极为严峻的问题。与煤炭相比，天然气是一种清洁优质能源，特别在环境方面，不会产生造成酸雨的SOx和灰尘等，和其他化石燃料相比，产生C02和NOx的量也少。因此，发达国家的能源结构正在改变，如日本天然气占城市燃气的80％，占一次能源的10％以上，成为全国基本能源之一。

&nbs p; 在产生相同的电和热的前提下，热电冷联供系统和一般商业用电力与燃气锅炉组成的分供系统比较，如图1所示[6]，C02排放量可减少33％。此外，随着技术的进步，天然气燃烧时产生的NO 浓度可以低于国家和地方制定的排放标准。根据目前的技术发展状况，利用三元催化剂和选择还原脱硝等技术，可以降低NOx的排放，另外可以开发控制NOx排放的低成本技术，如预混合稀相燃烧方式等。

(4)有利于调节电力负荷的峰谷

天然气热电冷联供系统可以作为传统电力系统的补充，更好地保证电力供应。在用电高峰时，能使电力负荷平均化。夏季城市大量使用电力空调时，电力负荷会在数天内出现负荷高峰，同时夏季也是用气低谷，有多余的供气能力。通过利用天然气热电冷联供系统可满足高峰用电的同时，还可利用排放热来补充制冷，可减少电力调峰装置投资和运行费用，用电负荷得以改善，更好地发挥天然气基础设施的效能。特别是近年来燃气轮机可采用蒸汽返回循环技术调节热电比，更有利于适应用户在不同季节和工艺条件下对热电的需求。

(5)经济性较好

配备由热电冷联供系统组成的发电设备的单位，可以减少对电网电力使用量。虽然天然气费随着天然气用于发电的需求量的增加而增加，但由于排放热的利用使其他热源设备减少，整体来说能源费用大大削减。

另外热电冷联供系统虽然比原来系统设备费用增加了，但可减少受变电设备，并可兼用自备应急用发电设备，也减少了自备应急用电设备的费用。

(6)增强能源供给可靠性

热电冷联供系统在保证商业电力电源的多来源的同时，也可保证供热设备的多渠道，并且天然气热电联供系统可作为防灾设施使用。对原来的电力系统，需配备应急发电机，天然气作为供热热源。而天然气热电冷联供系统的发电机可作为电力公司供电的应急发电机。在供热方面，天然气和天然气热电冷联供系统的排放热利用共同作为供热热源，增加了供给可靠性。

天然气供应设备材料、设计施工等技术都很成熟，管道敷设在地下，不受气象条件、交通等影响，具有很高的可靠性。对天然气需要量多的用户供应天然气往往采用中压输送，热电冷联供系统的天然气供给大多数也采用中压输送，中压以上的燃气管道一般使用强度高、延伸性好的钢管和能吸收地形位移变化的机械接口的铸铁管，地震时能承受较大的振动。

3 应用

日本是世界上最大的液化天然气进口国，天然气消费的70％ 以上用于发电。从1981年在东京国立竞技场设置了1号机组开始，日本进入了天然气热电冷联供系统的新时代。随着人们逐渐认识到该系统在节能、环保和经济方面的优越性以及能源问题和环境问题的日益严重，热电冷联供系统越来越引起人们的关注。特别是随着技术的开发和政策方面的鼓励，日本天然气热电冷联供系统的数量从1989年开始到1991年突然猛增。1992年以后受到一些影响，但还是在不断发展。

到1997年3月末，日本天然气热电冷联供系统累计820座、142万kW(蒸汽轮机包括在内)。其中民用520座、30万kW，工业用300座、112万kW(蒸汽轮机包括在内)。民用座数较多，而工业的装机容量大约是民用的4倍。民用中以商业店铺、医院、旅馆占较大比例，工业中铁钢、造纸、食品较多。

日本煤气协会对日本包括天然气热电冷联供系统在内的，整个热电冷联供潜在的需要量、供应量进行了预测。预测以采用热电冷联供技术为前提。分别对民用和工业按以下原则进行了估算。民用方面，在一定规模(5000m2)以上的建筑物，在新建成改建时考虑采用本系统，商业用大规模建筑物是以使用面积的热负荷为基础。有关工业方面，为了尽可能利用排放热生产蒸汽，工业用的蒸汽锅炉在设备更新时可考虑采用天然气热电冷联供系统，以蒸汽锅炉的容量为基础进行预测。预测的结果为，2030年系统潜在需要量是6120万kW，供给量是1102万kW[6]。

4 结语

我国具有较丰富的天然气资源，目前已基本拥有天然气发电技术，完全可以确保天然气发电的可靠性。随着西气东输工程的实施，火电用气指日可待。天然气热电冷联供技术比传统蒸汽轮机发电技术更具有竞争力，是值得推荐的能源技术之一。

参考文献：

[1] 谭恢曾．天然气与联合循环发电[J] ．电气时代，2001，(6)：13—13．

[2] 林承方，鲁德宏．吐鲁番市热电冷联产联供方案的探讨[J]．煤气与热力，2000，(4)：303—304．

[3] 胡文斌，华 贲．建筑物小型热电联供技术的研究展望[J]．煤气与热力，2002，(2)：147—150．

[4] 盛凯夫，饶如鳞．燃气机驱动冷热电联供系统的发展前景[J]．煤气与热力，2002，(6)：510—514．

[5] 徐德明．天然气在热电联产和联合循环发电中的利用[J]．石油与天然气化工，1997，(1)：156—159．

[6] 日本能源学会．天然气热电冷联供系统规划设计手册98(日文)[M]．东京：日本工业出版社，1998．