燃气分布式能源技术介绍

2023年4月26日北京天然气分布式能源技术介绍目录一、分布式能源产业政策分布式能源是集中式发电重要补充，与大型电网相互支撑、互为补充。主力发电厂升压变压器配电站降压站配电站配电站政府大楼工业商业住宅燃气发电厂燃气轮机燃气微燃机光电燃机燃气内燃机储能燃料电池燃气轮机分布式电源燃气分布式能源定义是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供给的现代能源供给方式，是天然气高效利用的重要方式。优点与传统集中式供能方式相比，天然气分布式能源具有:能效高:≥70%，超超临界45%～48%；清洁环保:无SO2、粉尘、固体废弃物排放，CO2只有煤电的60%；平安性好:就近生产就近使用耗水:只有煤电的1/3用地:只有煤电的30%～40%削峰填谷：降低天然气以及电力调峰压力《中国的能源政策〔２０１２〕》白皮书(国务院2023年10月)促进清洁能源分布式利用。中国坚持“自用为主、充裕上网、因地制宜、有序推进〞的原那么，积极开展分布式能源。在能源负荷中心，加快建设天然气分布式能源系统。以城市、工业园区等能源消费中心为重点，大力推进分布式可再生能源技术应用。因地制宜在农村、林区、海岛推进分布式可再生能源建设。制定分布式能源标准，完善分布式能源上网电价形成机制和政策，努力实现分布式发电直供及无歧视、无障碍接入电网。“十二五〞期间建设1000个左右天然气分布式能源工程，以及10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。《天然气利用政策》(开展改革委令第15号2023年10月)第一类：优先类。天然气分布式能源工程〔综合能源利用效率70%以上，包括与可再生能源的综合利用〕《关于开展天然气分布式能源的指导意见》(发改能源[2023]2196号2023年10月)主要任务：“十二五〞初期启动一批天然气分布式能源示范工程，“十二五〞期间建设1000个左右天然气分布式能源工程，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。未来5-10年内在分布式能源装备核心能力和产品研制应用方面取得实质性突破。初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。目标：2023年前完成天然气分布式能源主要装备研制。通过示范工程应用，当装机规模到达500万千瓦，解决分布式能源系统集成，装备自主化率到达60%；当装机规模到达1000万千瓦，根本解决中小型、微型燃气轮机等核心装备自主制造，装备自主化率到达90%。到2023年，在全国规模以上城市推广使用分布式能源系统，装机规模到达5000万千瓦，初步实现分布式能源装备产业化。《天然气分布式能源示范工程实施细那么》《天然气分布式能源领域鼓励和引导民间投资开展实施细那么》〔国家发改委将公布〕突破分布式能源上网难等瓶颈问题。推动相关科技攻关和装备制造业开展，提高国产化水平，降低天然气分布式能源投资本钱。完善相关扶持政策，支持专业化公司效劳，为天然气分布式能源开展创造更好条件。二、天然气分布式能源开展现状起步阶段，投产工程主要集中上海、北京、广州等少数大城市。长期以来，国内分布式能源开展举步维艰，鲜有特别成功的案例。并网困难，经济本钱高，不少已建天然气分布式能源系统处于闲置状态。工程前期开发多,实际实施少，华电在全国范围内建一些示范工程。天然气分布式能源开展制约因素：资源：天然气供给紧张，价格高；技术：系统集成及运行控制技术待提高；设备：中小型及微型燃机仍依赖进口，价格贵。政策：《电力法》电力特许经营经济性：未表达节能、减排价值，与煤电比无竞争力。设计用规程标准国家能源局制定《分布式发电管理方法》〔征求意见〕；《燃气冷热电三联供工程技术规程》CJJ145-20232023年3月1日实施。适用于发电机总容量小于或等于15MW的工程设计、施工、验收和运行管理；电力行业标准《分布式供能站设计标准》〔征求意见〕；《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》DLT5174-2003；四部委下达首批国家天然气分布式能源示范工程(发改能源[2023]1571号)首批天然气分布式能源示范工程清单序号项目名称项目地址规模1华电集团泰州医药城楼宇型分布式能源站工程江苏4000kW2中海油天津研发产业基地分布式能源项目天津4358kW3北京燃气中国石油科技创新基地（A-29地块）能源中心项目北京13312kW4华电集团湖北武汉创意天地分布式能源站项目湖北19160kW燃机设备国产化现状2023年8月，华电集团与通用公司合资在上海成立了华电通用轻型燃机设备,2023年第一台设备下线：从事15～50MW级航空改造燃气轮机成套机组的设计、采购、生产、组装、测试、分销〔包括进口和出口〕以及在客户场所提供相关安装、调试和维修的售后效劳和客户培训。2023年1月，GE颜巴赫燃气内燃机组装线在杭州投运。三、天然气分布式能源系统及设备天然气分布式能源的类型燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽轮机＋蒸汽型溴冷机适合：以燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电的冷热电联供系统。特点：发电效率高，可供蒸汽。适用：区域型〔工业园区、商业区〕燃气轮机＋烟气型溴冷机适合：以燃气轮机为发电机组的冷热电联供系统；特点：燃气轮机排烟直接驱动烟气型溴冷机运行，可减少设备配置，降低设备投资费用，提高系统能量综合利用率。适用：楼宇型〔宾馆、医院、办公楼〕燃气分布式能源主要设备

原动机

余热锅炉

汽轮机

制冷机

热交换器

控制系统

能量管理系统原动机〔1〕重型燃气轮机设计用于发电；主要由压气机、燃烧室和透平三局部构成；一般为单轴设计。〔2〕航改型燃气轮机从航空发动机改型而来；可用于发电或工业驱动；同样由压气机、燃烧室和透平三局部构成；一般为双轴或三轴设计，这样其压气机或透平就分为低压和高压级。原动机〔3〕微型燃气轮机同样由压气机、燃烧室和透平三局部构成，但结构更简单；通常带回热器，利用尾部烟气加热入口空气，提高机组效率；采用空气轴承等技术，不需要润滑油。〔4〕燃气内燃机和汽车发动机原理类似；多缸布局；利用汽缸带动活塞、连杆和飞轮，往复结构。按转速分为高速、中速和低速内燃机，发电用一般为高速和中速。燃烧室燃料喷嘴回热器尾气出口冷却翅片空气入口高速发电机空气压缩机气浮轴承涡轮透平原动机原动机型式和特点项目燃气内燃机中小型燃气轮机微型燃气轮机功率从数百千瓦至数千千瓦（一般中速机的功率范围较高速机大，某些中速机可达上万千瓦）从数千千瓦至数万千瓦从数十千瓦至数百千瓦发电效率较高，大约35%-48%（一般中速机的效率高于高速机）稍低，大约30%-43%（一般轻型机效率高于重型机）较低，大约25%-35%环境影响温度和海拔对功率和效率的影响较小温度和海拔对功率和效率的影响较大温度和海拔对功率和效率的影响较大部分负荷特性部分负荷对效率的影响较小部分负荷对效率的影响较大（相对来说，轻型机比重型机的影响要小）部分负荷对效率的影响较大余热回收方式烟气余热回收+机体热水余热回收烟气余热回收烟气余热回收原动机原动机型式和特点项目燃气内燃机中小型燃气轮机微型燃气轮机余热利用特点余热品味较低，烟气温度较低，部分余热为热水余热品味较高，一般烟气温度较高（轻型燃机的烟气温度相对较低）一般微型燃机多采用回热器，余热品味较低，烟气温度低。启动特性启动很快，启停对寿命无影响。启动相对较慢（轻型机相对重型机启动快），重型机启停对寿命有影响，轻型机启停对寿命无影响启动较快燃气压力要求燃气压力要求较低，可直接采用市政管网燃气压力要求高（轻型机的压力要求更高），需专用管网或者设置增压机燃气压力要求较低，可直接采用市政管网尺寸和重量外形尺寸大，结构笨重外形尺寸相对小，结构较轻便（轻型燃机相对更轻便）外形尺寸紧凑，结构非常轻便原动机原动机型式和特点项目燃气内燃机中小型燃气轮机微型燃气轮机运行维护结构复杂，运行维护工作量大，且消耗润滑油结构较简单，运行维护工作量较小，使用但不消耗润滑油结构简单，运行维护工作量小，部分机组可不使用润滑油可靠性往复运动，运动部件多，可靠性较差回转运动，运动部件少，可靠性较好回转运动，运动部件少，可靠性好振动和噪声振动大，噪声大振动小，噪声小振动小，噪声小氮氧化物排放较高，需要设置脱硝装置较低，采用低氮燃烧器可不设脱硝装置较低，采用低氮燃烧器可不设脱硝装置适用条件适合于楼宇和较小的区域应用，特别是有采暖和热水需求的用户。适合于区域应用适合于楼宇应用，用户的经济承受能力较高原动机原动机选型的考虑因素：机型的效率机型的价格和维护本钱机型的负荷调节能力机型的启停特性：快慢、对寿命的影响对燃料的要求：进气压力、燃料热值和成分技术的先进性和成熟度使用业绩环保性能余热锅炉余热锅炉选型：型式：自然循环/强制循环，卧式/立式，直流炉压力级数：三压、双压或单压，一般无再热蒸汽参数，和汽轮机或供热参数匹配尾部烟气余热利用旁路烟囱补燃/不补燃汽轮机汽轮机选型：型式：凝汽、抽汽、补汽、背压进汽参数：一般根据机组容量和排烟温度等确定，高压进汽多采用中压参数或次高压参数；低压补汽参数对排烟温度有影响，可优化确定；由于机组容量较小、参数较低，一般不采用再热系统；抽汽级数、参数，和工业热负荷和采暖热负荷的匹配及优化。制冷机制冷机选型：溴化锂吸收式制冷机组：用于余热利用，可以采用：蒸汽型制冷机、热水型制冷机、烟气型冷水机组、烟气热水型冷水机组等；可分为单效机和双效机，单效机COP约0.7，一般用于余热品味较低场合；双效机COP约1.4，一般用于余热品味较高场合；带补燃式溴化锂吸收式制冷机组；电制冷机，COP约4-5；直燃机，直接利用燃气燃烧制冷，COP约1.4。热交换器换交热器主要有三种型式：汽水换热器余热锅炉产生的蒸汽或汽机抽汽可以通过汽水换热器制热水供热用户使用；热水换热器内燃机的缸套冷却水也可以通过热水换热器制热水供用户使用；烟气换热器烟气也可以通过烟气-热水换热器直接制热水供用户使用。四、天然气分布式能源典型工程广州大学城分布式能源站工程按冷、热、电三联供设计，本期考虑发电及供热，预留供冷条件；于2023年5月投产。机组容量2×78MW机组年利用小时：6500小时一次能源利用率：78%工程总投资：77435万元，4810元/kW气价2.38元/m3上网电价0.78元/kWh向广州大学城一期18万平方公里区域内的10所大学及周围用户20万人提供全部生活热水、空调冷冻水和局部电力。能源站系统集成及设备根本情况大学城区域能源站系统图燃机FT8-3型燃气轮发电机组由两台燃气轮机和一台发电机组成，两台燃气轮机通过联轴器直接连接到一台双端驱动的发电机上，额定出力60MW。FT8燃气轮机为轻型燃机，每台燃机由一台燃气发生器和一台动力透平组成，燃机效率39％，产生479℃的烟气进入余热锅炉循环利用。特点如下：〔1〕结构紧凑，质量轻〔2〕体积小，占地面积小〔3〕启停快〔启动到并网约6分钟〕〔4〕安装周期短〔5〕效率高〔6〕污染排放低〔7〕耗水少锅炉与FT8-3双联燃气轮机匹配的锅炉，为中国船舶重工集团公司第七○三研究所生产的Q495/479-66.8〔10〕-3.82〔0.6〕/445〔170〕型双压无补燃、自支持式结构、正压运行、自然循环余热锅炉，主要用于从燃机排气中回收热量，产生中、低压蒸汽发电，同时余热锅炉还产生低压蒸汽供给除氧器除氧。汽轮发电机组能源站选用了两种型号汽轮机，均为武汉汽轮机厂生产。第一种是C15-3.43/0.7型中温、中压、单缸抽汽凝汽式汽轮机〔2号机〕，具有一级工业调整抽汽，抽汽压力为0.7MPa，额定抽汽量为19T/h,额定功率为15000Kw，可工作于纯冷凝、抽汽两种工况，纯凝工况下最大功率17000Kw。配套QF-18-2发电机。第二种是N21-3.43/0.6型中温、中压、单缸、冲动、凝汽式双压、补汽式汽轮机〔4号机〕，额定补汽压力为0.6MPa，额定补汽量为10T/h,额定功率为19750Kw,纯凝工况下功率为18530Kw，补汽量为20T/h时最大功率21000Kw。配套QF-25-2发电机。国家863冷电联产示范工程中国南方电网有限责任公司承担了2007年度国家863方案“高效节能与分布式能源技术专题〞中的目标导向类课题“MW级燃气轮机分布式冷电联供技术集成与示范研究〞。课题以佛山供电局季华路大院三栋大楼为依托，建成一个具有代表性的高效天然气冷、电联供示范系统。示范工程位于广东省佛山市供电局季华路变电站大院。院内包括已经建成的送电大厦、试验研究所和禅城区供电局新大楼。联供系统为上述三座办公楼提供冷、电供给。〔建筑面积22604m2〕我院作为该工程的总承包单位完成该工程的建设，2023年1月投产；作为课题组成员之一我院负责完成了课题核心研究内容《系统集成与优化运行技术方案》；2023年8月－10日期间，课题组完成现场优化运行试验；目前已提交结题报告，国家科技部已验收。工程总投资4000.4万元，单位造价66673元/kW，其中：设备投资2200万元。机组容量3×200kW设备年利用小时数2000h一次能源利用率75.9%气价3元/m3提取折旧费后，联供系统年生产本钱328万元。回收年限约42年。燃气轮机+烟气制冷机系统〔佛山863〕佛山863系统配置3套美国CAPSTONE200KW微型燃气轮机1套远大低温双效烟气制冷机，额定制冷量949kW；冷电联供一次能源综合利用率为81.77%NOX排放5.28mg/m3分布式能源系统佛山863研究亮点多模式集成优化运行控制技术ABDC以冷定电模式经济最优模式能源综合利用率最优模式以电定冷模式运行本钱最低为控制目标一次能源综合利用效率最高为控制目标以跟踪电负荷为首要控制目标以跟踪冷负荷为首要控制目标长沙黄花机场工程长沙黄花机场工程系统配置序号设备名称规格型号主要参数单位数量1燃气内燃机发电机组C1160N5C发电量：1160kW发电效率：39.5％台22烟气热水型余热直燃机组BZHE400制冷量：4652kW制热量：4312kW台23燃气直燃机组BZ400制冷量：4652kW制热量：5021kW台14离心式电制冷机组YKM2MRK25DBG制冷量：4571kW台25燃气热水锅炉WNSCQ8000-1.0/70/95制热量：2800kW台1分布式能源站设备夏季流程-长沙黄花机场燃料供电燃气内燃发电机组离心式电制冷机组市电热泵蓄冷（二期）市电供冷供冷余热直燃机组烟气余热换热器（二期）烟气余热供生活热水供冷供冷燃料燃料直燃机组燃料供冷缸套水余热分布式能源站设备冬季流程-长沙黄花机场燃料供电燃气内燃发电机组燃气锅炉燃料热泵（二期）市电供热供热余热直燃机组烟气余热换热器（二期）烟气余热供热/生活热水供热供热燃料燃料直燃机组燃料供热缸套水余热换热器供热北京燃气大厦工程北京燃气大厦工程系统配置序号设备名称规格型号主要参数单位数量1燃气内燃机发电机组G3508发电量：480kW台12燃气内燃机发电机组G3512发电量：725kW台13余热吸收式冷热机组BZHE100制冷量：1163kW制热量：901kW台14余热吸收式冷热机组BZHE200制冷量：2326kW制热量：1799kW台1流程示意-北京燃气大厦五、关注问题以区域分布式能源工程为主，楼宇分布式能源工程为辅(1)我国正处在大规模的城市建设阶段，各经济兴旺地区为了调整经济结构，转变增长方式，正在规划和建设一批新型工业开发区，这些工业开发区的经济模式有别于以传统重工业为代表的工业开发区，对能源的需求是多元化的。这些工业开发区成立之初就定位于环保、节能型的新型工业开发区。由于天然气分布式能源在为用户提供电、热、冷等多种能源形式的同时，还有节能、环保、高效的优点，因此这些新型工业开发区对天然气分布式能源的需求较大，宜作为天然气分布式能源的主要用户。〔2〕楼宇天然气分布式能源系统在欧美日本等兴旺国家和地区已是成熟的东西，但是在我国推广应用还有一定的困难。主要原因是由于所发的电不能上网，单个楼宇系统冷、热、电的负荷平衡有很大的困难；另外，由于不能上网，缺少了电力这局部主要收益，工程的经济性就不能得到保证。目前，我国在北京、上海等中心城市建成的假设干个楼宇天然气分布式能源系统普遍存在经济性较差的问题，影响了投资者的积极性。而区域天然气分布式能源系统〔如广州大学城分布式能源系统〕是作为区域能源站向区域〔至少10平方公里〕内的工业和民用用户提供电、热、冷。所发的电通过110KV或220KV变电站上网〔电网公司易接受〕，热和冷提供给区域用户，工程的