天然氣CHP、CCHP系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了天然氣熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)、天然氣冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出在工業(yè)企業(yè)應(yīng)用天然氣CHP、CCHP系統(tǒng)，改變采用一次能源直接供應(yīng)熱風(fēng)、熱水的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)能
摘要：介紹了天然氣熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)、天然氣冷熱電聯(lián)供(CCHP)系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出在工業(yè)企業(yè)應(yīng)用天然氣CHP、CCHP系統(tǒng)，改變采用一次能源直接供應(yīng)熱風(fēng)、熱水的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提高能源利用效率。
關(guān)鍵詞：天然氣熱電聯(lián)供；天然氣冷熱電聯(lián)供；工業(yè)企業(yè)
Application of Natural Gas CHP and CCHP Systems to Industrial Enterprises
WANG Zhenxing，QIAO Yanli
Abstract：The development status of natural gas combined heat and power(CHP)and combined cooling，heat and power(CCHP)systems in China is introduced.It is proposed that natural gas CHP and CCHP systems ean be used in industrial enterprises to change the current situation where hot air and hot water are directly supplied by primary energy source，to achieve the gradient utilization of energy source and to improve the utilization efficiency of energy source.
Key words：natural gas combined heat and power(CHP)；natural gas combined cooling，heat and power(CCHP)；industrial enterprise
   隨著能源價(jià)格上漲、環(huán)境不斷惡化，提高能源利用效率、減少環(huán)境污染成為各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)初發(fā)展的熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)，在城市集中供熱及各種消耗熱能的工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以丹麥為例，CHP成為該國(guó)能源系統(tǒng)的核心技術(shù)，也正是因此丹麥成為世界上能源利用效率最高的國(guó)家之一。美國(guó)自能源危機(jī)開(kāi)始，在CHP基礎(chǔ)上積極發(fā)展燃?xì)饫錈犭娐?lián)供(CCHP)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)是建設(shè)在用戶(hù)側(cè)或資源現(xiàn)場(chǎng)的小型能源綜合利用設(shè)施，它是以冷熱電聯(lián)供技術(shù)為基礎(chǔ)，與電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)相結(jié)合，向一定區(qū)域內(nèi)的用戶(hù)提供電力、蒸汽、熱水和空調(diào)冷水等的供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源的“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”[1～9]。本文對(duì)天然氣CHP、CCHP系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討。
1 天然氣CHP、CCHP的發(fā)展現(xiàn)狀
    我國(guó)對(duì)CHP一直高度重視，國(guó)務(wù)院將其列為十一五十大重點(diǎn)節(jié)能產(chǎn)業(yè)之一。但是由于一些地方借CHP名義搞小火電，因此國(guó)家將準(zhǔn)入門(mén)檻設(shè)置為2×300MW的規(guī)模，但我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域熱負(fù)荷規(guī)模較小、布局分散，較少工業(yè)園區(qū)有這樣大的熱負(fù)荷需求[10～11]。加之冬夏季用汽不均衡，在夏季熱電機(jī)組的發(fā)電量受到熱負(fù)荷的限制，不僅發(fā)電量減少，而且單位發(fā)電量的能耗增大，使CHP的效益不能充分發(fā)揮。
    隨著天然氣在我國(guó)普及程度的提高，作為合理利用天然氣的最佳方式之一，天然氣CHP、CCHP得到了國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家、企業(yè)的大力擁護(hù)，目前已經(jīng)在北京、上海、廣州等地建設(shè)了一批試點(diǎn)項(xiàng)目。但總體上天然氣CHP、CCHP在我國(guó)還是呼聲高進(jìn)展慢，影響其發(fā)展的主要原因：一是國(guó)家沒(méi)有必要的規(guī)劃、政策法規(guī)支持；二是天然氣供應(yīng)量不足，價(jià)格不斷趨高，擠壓了天然氣CHP、CCHP的生存空間。
    天然氣CHP、CCHP的集成優(yōu)化涉及氣候條件、能量需求、能源價(jià)格以及與電網(wǎng)、天然氣公司、各種用戶(hù)之間的關(guān)系[12]。與國(guó)外相對(duì)較為完善的政策相比，我國(guó)還缺乏支持天然氣CHP、CCHP的具體政策。
    天然氣價(jià)格是影響天然氣CHP、CCHP發(fā)展的另一重要因素。隨著天然氣聯(lián)動(dòng)價(jià)格機(jī)制的確立，天然氣價(jià)格不斷上漲，天然氣CHP、CCHP的利潤(rùn)空間越來(lái)越小。另一方面，天然氣CHP、CCHP很大一部分收益來(lái)自于供電，而且冷、熱水的傳統(tǒng)供應(yīng)方式也依靠電力，因此電價(jià)是決定天然氣CHP、CCHP收益的另一重要因素。
    用戶(hù)側(cè)負(fù)荷的不均衡性是影響天然氣CHP、CCHP的又一重要因素。由于我國(guó)目前天然氣CCHP的應(yīng)用多集中于建筑領(lǐng)域，而建筑領(lǐng)域的冷熱負(fù)荷受氣候影響明顯，因此運(yùn)行期天然氣CCHP并不能長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)，造成實(shí)際效率低于設(shè)計(jì)效率。在建筑物終端用能的比例中，供暖空調(diào)和熱水能耗占80%，電能只占14%[13]。若采取以電定熱方式，受限于自發(fā)電不能上網(wǎng)銷(xiāo)售的政策，以電定熱方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)。若采取以熱定電，由于建筑系統(tǒng)耗電較少，系統(tǒng)收益也會(huì)隨之降低。
2 天然氣CHP、CCHP應(yīng)用前景
    天然氣CHP、CCHP的發(fā)展雖然在我國(guó)遇到了困難，但不能否認(rèn)天然氣CHP、CCHP作為能源系統(tǒng)中高效的應(yīng)用技術(shù)是有價(jià)值的[14]。
2.1 優(yōu)點(diǎn)
    ① 能源綜合利用率提高。大型天然氣發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電效率一般為35%～55%，扣除廠(chǎng)用電和線(xiàn)損率，發(fā)電效率只能達(dá)到30%～47%，而天然氣CCHP的燃?xì)饫眯首罡呖蛇_(dá)到90%左右。
    ② 環(huán)境效益明顯。天然氣是清潔能源，與燃煤、燃油方式相比，除了有少量的N0。排放外，幾乎沒(méi)有硫化物、碳化物和粉塵的排放，具有較好的環(huán)保效益。
    ③ 燃?xì)夂碗娏Φ碾p重削峰填谷。燃?xì)夂碗娏Φ氖褂镁哂忻黠@的季節(jié)性，隨著城市天然氣用于供暖的比例不斷增大，冬夏季城市的天然氣峰谷差逐年增大，用氣結(jié)構(gòu)的不合理引起供氣成本增加和燃?xì)鈨r(jià)格上漲。夏季由于空調(diào)用電的負(fù)荷不斷增大，造成電力負(fù)荷夏高冬低，電網(wǎng)夏季負(fù)荷加大。因此，天然氣CCHP可擴(kuò)大夏季天然氣的使用量，減少空調(diào)耗電量，具有燃?xì)夂碗娏﹄p重削峰填谷的作用。
    ④ 保障能源供應(yīng)的安全。天然氣CHP、CCHP發(fā)電量不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充的運(yùn)行方式和供熱方式的多樣化，為提高能源供應(yīng)的安全可靠性提供了保障。
2.2 應(yīng)用前景
    目前，天然氣CHP、CCHP在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還沒(méi)有開(kāi)展起來(lái)，那么結(jié)合我國(guó)國(guó)情發(fā)展符合現(xiàn)有政策及條件的項(xiàng)目非常必要[15]。我國(guó)的傳統(tǒng)觀(guān)念認(rèn)為，發(fā)電機(jī)組容量越大，則效率越高，單位發(fā)電功率的造價(jià)越低，發(fā)電成本也越低，因此認(rèn)為電力工業(yè)的發(fā)展方向是“大機(jī)組、大電廠(chǎng)和大電網(wǎng)”。但是，隨著科技的發(fā)展，小型電站的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。隨著天然氣的普及，我們應(yīng)發(fā)展能耗低、可靠性高、效率高、低污染的小型天然氣CHP、CCHP項(xiàng)目。這是提高能源利用效率、降低冷熱電成本和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施。
    我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域有各種工業(yè)加熱爐，燃料消耗量很大，而且加工設(shè)備以電驅(qū)動(dòng)為主，對(duì)電的需求量也很大。因此，在所需工藝溫度并不很高(200～400℃)的工業(yè)企業(yè)中，完全可以應(yīng)用天然氣CHP。這項(xiàng)技術(shù)，在國(guó)外早已成熟并應(yīng)用，目前芬蘭、荷蘭和丹麥的熱電機(jī)組已分別占全國(guó)總裝機(jī)容量的32%、40%、56%，其中70%以上的熱電機(jī)組以天然氣為燃料。但在國(guó)內(nèi)，即使在引進(jìn)項(xiàng)目上天然氣CHP的情況也很罕見(jiàn)。
    隨著國(guó)家政策的逐步完善，可以通過(guò)工業(yè)園區(qū)的機(jī)制，以發(fā)展區(qū)域能源供應(yīng)站的模式，推廣天然氣CHP。
3 天然氣CHP、CCHP應(yīng)用方案
    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，我國(guó)的工業(yè)企業(yè)在用能上面臨諸多難題：燃煤：煙氣難以符合排放標(biāo)準(zhǔn)；燃煤CHP：無(wú)法達(dá)到準(zhǔn)入門(mén)檻；采用天然氣鍋爐：天然氣價(jià)格較高，企業(yè)成本上升。而天然氣CHP與燃煤項(xiàng)目相比規(guī)模小，布置靈活，造價(jià)低，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)越，有很大的市場(chǎng)空間。
    在我國(guó)的多數(shù)工業(yè)企業(yè)中存在著燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t，普遍存在著能耗過(guò)高、熱效率偏低的情況。若按“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原則配置天然氣CHP，可更充分利用低品位余熱。在陶瓷、汽車(chē)、家電、通信設(shè)施、服裝、玩具制造業(yè)等領(lǐng)域，可以根據(jù)不同的工藝需求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。以天然氣為燃料，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電供內(nèi)部使用，余熱根據(jù)需求可以采取以下利用方式：發(fā)電設(shè)備排放的煙氣直接摻混空氣作為工藝所需的熱風(fēng)；對(duì)熱空氣品質(zhì)有較高要求的場(chǎng)所，可將煙氣通過(guò)換熱器加熱潔凈空氣；煙氣通過(guò)換熱器生產(chǎn)熱水；對(duì)于有蒸汽需求的場(chǎng)所，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐，生產(chǎn)蒸汽。
    燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)[16～18]：可以使用壓力較低的燃?xì)?，適應(yīng)城市燃?xì)鈮毫?，可盡量靠近負(fù)荷中心；設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可在現(xiàn)場(chǎng)完成大修，減少機(jī)組停機(jī)時(shí)間，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)是熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率最高的動(dòng)力設(shè)備之一，在額定工況下機(jī)械效率為35%～40%，發(fā)電效率約35%。部分負(fù)荷工況下能維持較高的機(jī)械效率，經(jīng)濟(jì)性較好。
4 天然氣CHP、CCHP經(jīng)濟(jì)性分析
    天然氣CHP、CCHP應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)在于工業(yè)企業(yè)對(duì)電的需求遠(yuǎn)比建筑要多，而且對(duì)熱量的需求較為穩(wěn)定。天然氣CCHP的本質(zhì)是回收發(fā)電系統(tǒng)的余熱，要提高其綜合能效，必須在保證發(fā)電效率的前提下充分利用余熱。天然氣CCHP應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域時(shí)，若沒(méi)有冷量需求，則無(wú)需供冷，減少了能源損耗環(huán)節(jié)，直接變?yōu)樘烊粴釩HP。若有冷量需求，則可以根據(jù)氣、電價(jià)格及熱電需求選擇電制冷或余熱制冷方式。天然氣CHP、CCHP運(yùn)行原則：發(fā)電設(shè)備盡量以額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)，不足電力由電網(wǎng)補(bǔ)充，不足熱量以補(bǔ)燃解決。
    我國(guó)目前還存在著很多的工業(yè)燃煤鍋爐，不少都在10t/h以下，且多半是壓力低于1MPa的低壓鍋爐，這種鍋爐的熱效率很低。
    以10t/h燃煤、燃?xì)忮仩t為例，燃煤鍋爐單位質(zhì)量蒸汽耗煤量按190kg/t計(jì)算，天然氣鍋爐單位質(zhì)量蒸汽耗氣量按80m3/t計(jì)算。燃煤鍋爐場(chǎng)地、排污等費(fèi)用按燃料費(fèi)的15%計(jì)算，燃?xì)忮仩t相關(guān)費(fèi)用按燃料費(fèi)的5%計(jì)算。燃煤價(jià)格按1000元/t計(jì)算，天然氣價(jià)格按3.5元/m3計(jì)算，燃煤鍋爐的熱效率取70%，燃?xì)忮仩t的熱效率取90%，電價(jià)按0.8元/(kW·h)計(jì)算。
    擬采用天然氣CHP替代10t/h燃煤、燃?xì)忮仩t，采用天然氣發(fā)電，發(fā)電后的高溫?zé)煔膺M(jìn)一步產(chǎn)生蒸汽，與需求量10t/h相比不足的蒸汽量由天然氣鍋爐補(bǔ)燃生產(chǎn)。天然氣CHP的熱電效率取80%，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率取35%。
    經(jīng)計(jì)算可得，對(duì)于燃煤鍋爐分供，隨著天然氣CHP供熱比例的增大，天然氣CHP的運(yùn)行費(fèi)用以及發(fā)電收益均在提高，但整體上運(yùn)行費(fèi)用減去發(fā)電收益在不斷降低。當(dāng)天然氣CHP供熱比例達(dá)到47%時(shí)，天然氣CHP的運(yùn)行費(fèi)用減去發(fā)電收益與燃煤鍋爐分供的運(yùn)行費(fèi)用持平。若考慮經(jīng)濟(jì)性，建議天然氣CHP供熱量所占比例應(yīng)在60%以上。對(duì)于燃?xì)忮仩t分供，由于補(bǔ)燃方式與燃?xì)忮仩t供熱相同，當(dāng)天然氣CHP供熱比例達(dá)到10%時(shí)，聯(lián)供與分供的費(fèi)用即可持平。若考慮經(jīng)濟(jì)性，建議天然氣CHP供熱量所占比例應(yīng)達(dá)到30%以上。
5 結(jié)語(yǔ)
    基于天然氣CHP、CCHP的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的高效應(yīng)用方式，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情，將現(xiàn)有由一次能源(天然氣、石油)產(chǎn)生低溫?zé)犸L(fēng)、熱水等工藝改造為天然氣CHP具備可操作性，經(jīng)濟(jì)性可觀(guān)。
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(本文作者：王振興 喬艷麗 新奧能源服務(wù)有限公司 河北廊坊 065001)