天然气分布式能源介绍教材

天然气冷热电联产分布式能源的发展山东建筑大学一当前能源形势存在严重能源危机我国一次能源可开采期限约为：煤炭 90年石油 22年，对外依存度56%

天然气 52年，到2020年对外依存度将超过50%

可燃冰500年以上能源利用效率低下我国每公斤标准煤能源产生的国内生产总值仅为世界平均值的40%左右，能耗高。能源形势严峻我国2011年实际能耗约39亿吨，计划2020年末使用40亿吨标准煤，实际将远远超过40亿吨标准煤。大电网供电存在的问题燃煤发电效率低下火电厂能源利用效率煤炭30－40％远输线损7％存在安全隐患纽约大电网故障导致城市瘫痪，前南首都电力设施遭美国破坏，墨西哥大电网故障导致其都市圈瘫痪，今年7月30日，印度北部包括首都新德里在内的9个邦发生大面积停电,逾3.7亿人受到影响。据有关专家论证，为保证城市供电安全北京外埠供电量应小于40％（目前大于40％） 上海要求小于20％纽约大停电以后造成城市瘫痪供热供冷存在的问题：以煤炭为主北方城市在采暖季空气污染指数严重超标燃气锅炉引起用气量巨大的季节性峰谷差如北京市已建储气库建设投资50亿，还将增加单纯采暖燃气管网利用率仅30%左右大量使用电空调空调电负荷占夏季负荷40%，实际用电量只有6%为电空调供电的电力设施投资巨大，利用率低造成使用空调地区夏季电网严重缺电，为了保民生，对工业用电进行限制，影响生产拓展能源供应方式提倡各种高效能源利用技术，开发可再生能源，大力发展分布式能源系统。“分布式能源”是指分布在用户端的能源综合利用系统。它将能源系统以小规模(数千瓦至50MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电三种形式的能源。能源利用率高，大气污染物排放少，是一种高效的能源综合利用方式。分布式能源是一种环保节能的能源供应方式，对提高供电的可靠性和效率，实现对天然气供应和电力供应的削峰填谷有重要的作用。天然气是世界上储存量最大的矿物能源1）常规天然气能源机构预测：176×1012m3

国际煤气联盟：257×1012m32）煤层气

全世界平均：25m3/吨煤共有：233×1012m33）地质紧密结构中的天然气地质紧密结构：渗透<1%

美国：13.4×1012m3

全世界：114×1012m34）压力溶水天然气

16200×1012m35）天然气水化物

pp公司预测：9000×1012m320000×1012m3

我国的南海700亿吨油当量，水化物相当于油当量的1/26）非生物产生的生成气可燃冰的性质及来源储气能力：

110kg甲烷/m3水合物＋1m3

可燃冰0.8m3水164m3

天然气

天然气可燃冰的储量自然界中天然气水合物中的碳量

11013吨相当于已探明所有化石能源碳量总和的2倍海洋沉积层内可燃冰中甲烷的资源量为3×1015~7.6×1018m3可满足人类需要500~1000多年天然气水合物资源状况未来的接替能源天然气可燃冰的分布

地球上27%的陆地和90%的海域均具备天然气可燃冰的生成条件，天然气水合物在广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起区、极地大陆架、海洋和一些内陆湖的深水环境，永冻层可燃冰、海洋可燃冰水深大于100-250米（两极地区）和大于400-650米（赤道地区）的深海海底以下数百米至1000多米的沉积层内，这里的压力和温度条件能使天然气可燃冰处于稳定的固态。

？平均水深18米最深85米大陆架极低大陆架我国的天然气水合物资源天然气水合物存在的区域：南海西沙海槽东沙陆坡台湾西南陆坡南沙海槽冲绳海槽等2007年5月，我国在南海北部的首次采样成功，证实了我国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。各国水合物技术进展2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。其中以美国的计划最为完善，并且每年用于可燃冰研究的财政拨款达上千万美元。

日本世界最前沿，目前已经能够进行商业开采，2011年4月已经完成对本州岛附近可燃冰开采的演练。各国水合物技术进展中国2006年8月，中国宣布，未来10年，中国将投入8亿元进行“可燃冰”的勘探研究，预计2020年进行试开采。乐观估计，中国在30年内能够实现“可燃冰”的商业开发。中国绘制可燃冰的商业开发战略规划路线：2010年-2020年：研究调查阶段；2020年-2030年：开发试生产阶段；2030年-2050年：中国可燃冰进入商业生产阶段。环境问题是可燃冰开采的瓶颈

可燃冰的开采会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件,引起天然气水合物的分解。在天然气水合物藏的开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制,就可能产生一系列环境问题：温室效应的加剧海洋生态的变化

——天然气泄漏到海洋中，氧化加剧，海洋缺氧海水汽化和海啸,甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用

海底滑塌以天然气为核心的分布式能源系统将成为城市能源供应的重要组成部分。燃气冷热电联产热泵技术蓄能技术风电技术其它技术燃料电池太阳能电能冷能热能高效节能环保安全二分布式能源三联供简介燃气冷热电三联供技术简介

天然气分布式能源就是在用户终端实现冷热电三联供，也叫CCHP(CombinedCooling,Heating&Power)，它主要是利用燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，对作功后的余热进一步回收，用来制冷、供热和生活热水，就近供应。特点：1、它将能源系统以小规模(数千瓦至50MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近。

2、可独立地输出冷、热、电三种形式的能源。天然气利用率高，大气污染物排放少，是一种高效的能源综合利用方式。

3、电原则上以自用为主，并网不上网，并网的目的是调峰和应急。三联供系统基本原理-----能源的梯级利用

电能

驱动热泵

驱动吸收式制冷机

除湿生活热水

供热等级

排放燃料高温段1000OC以上

中温段300~500OC低温段200OC以下

环境废热26高温热能中温热能低温热能燃烧温度燃机轮机透平燃烧室高温火焰燃气电能制冷余热锅炉蒸汽轮机透平高温蒸汽排烟分布式能源的能量梯级利用环境温度发电机吸收制冷机组发电机电能采暖工业蒸汽余热回收换热器卫生热水水蓄能空气分配得当，各得所需，温度对口，梯级利用。1400℃450℃180℃30℃500℃1200℃90℃高温烟气中温蒸汽中温热水供电系统HG

FE1700℃(?)1500℃(G)1430℃(H)1350℃(F)1150℃(E)发电设备余热利用设备燃气轮机余热锅炉余热驱动热泵30%左右的电蒸汽轮机20%的电抽气、循环水供热15%供热、制冷15~25%发电30%~40%余热锅炉燃气内燃机微燃机供热余热驱动热泵分布式冷热电联产系统的典型流程1）燃气轮机-余热吸收式分布式联产

蒸汽型联产系统，余热锅炉透平排气的余热被回收，用以产生蒸汽。夏季用蒸汽驱动溴化锂吸收式机组制冷；冬季可利用这部分蒸汽直接供热或驱动吸收式热泵供热。排烟温度多为350~550℃，发电效率为24~34%，冷电比（热电比）通常为1.5~2.5.

直接通过烟气型溴化锂吸收式机组回收利用，没有余热锅炉这一中间环节。排烟温度多为350~550℃，发电效率为24~34%，冷电比（热电比）通常为1.5~2.5.2）燃气轮机烟气吸收式分布式联产与简单循环燃气轮机-烟气吸收式分布式联产系统相比，系统增加一套空气预热器，利用排气给空气预热。发电效率相对于简单循环燃机要高，有高达38%，冷电比（热电比）多为1.0~1.53）回热循环燃气轮机—烟气吸收式分布式联产4)汽轮机-余热吸收型分布式联产系统

系统性能与机组容量关系很大，容量较小的机组性能比较差，而大型机组生产冷量对外传输半径小；用蒸汽送至用户端然后做吸收式制冷，管道造价高；蒸汽系统以水为循环工质，系统复杂，不适合中小型用户。5）内燃机-余热吸收型分布式联产系统

内燃机排气温度350~450℃，缸套水温度大于90℃，其余热量占输入燃料能量的30~40%，可直接用供热，另外可考虑在烟气型机组尾部增加一级换热器，回收170℃以下的余热用于生产热水。冷电比（热电比）通常为1.0~1.5。6）斯特林发动机-余热吸收性分布式联产系统该系统与内燃机联产系统相似，斯特林机是一种外部加热的闭式循环发动机，与内燃机相比，斯特林机的排气温度更高，回收利用是更便利；但冷却水温相对于内燃机的缸套水低，同时冷却水带走的热量在全部输入能量中所占的份额较大。7）燃料电池-燃气轮机-余热吸收型分布式联产系统SOFC固体氧化物燃料电池，单独发电效率为50~60%，与燃气轮机组合成混合动力系统，其发电效率可达到70%，NOx的排放量低于1ppm,是目前最洁净的能源系统之一。电输出占很大比重，冷电比（热电比）仅为0.2~0.5。此系统技术发展还不成熟，尚处实验阶段。天然气(100%)电力(联合循环50%，内燃机30%)

锅炉（或进直燃机）制冷用冷水采暖用热水生活热水排出高温烟气(30~60%)损失（10~20%）

综合能源效率:70%~90%通过能源的梯级利用，提高能源利用效率发展三联供系统的意义缓解电力短缺、平衡电力峰谷差.每增加1KW三联供系统相当于为电网减少1.78KW的夏季电负荷,可为电网减少数百亿投资;减少电力装机容量，提高地区供电安全性;降低排放保护大气环境燃机SO2排放浓度1.43mg/m3(国家标准20）NOx排放浓度51.53mg/m3(国家标准200）扩大燃气使用量，平衡燃气峰谷差,提高燃气管网使用率项目冬季天然气耗量夏季天然气耗量总耗量峰谷差燃气锅炉＋电制冷142.20142.2冷热电联产204.3130.5334.81.57:1以软件园CCHP项目为例万m3

目前峰谷差超过8:1,管网利用率约为35%,广泛采用三联供系统可将管网利用率提高到75%内燃机蓄能装置燃料电池风能微燃机光电分布能源技术冷热电联产

分布式能源发展趋势以分布式多联供技术为核心，结合可再生能源构建区域“小型化区域能源网络”，形成多能互补的智能电网（微电网）与智能冷热气网相融合；区域型能源系统的优势在于可以引进高效热电机组，实现燃气、电、热、冷的最优匹配，提高能源利用率；实现建筑物之间、企业之间的连接和能源共享，有效融入太阳能发电、太阳热利用、生物质发电、地热利用等，从而有效减低二氧化碳排放风电光电技术光热技术蓄能技术多能互补—智能电网热泵技术燃料电池燃气分布式三国内外发展状况日本日本仅2000年一年，燃气冷热电三联产项目装机容量就达到478MW东京新宿区冷热电系统大阪京都日本东京地区CCHP系统47日本1985-2006年CHP/CCHP累计装机容量（单位：兆瓦MWe）资料来源：国际分布式能源联盟482005年：

——100个示范工程；

——10％的联邦建筑物采用CCHP2010年：

——25％的新建商业/学院采用CCHP

——4％的已建商业/学院采用CCHP

——20％的联邦建筑物采用CCHP2020年：

——50％的新建商业/学院采用CCHP

——10％的已建商业/学院采用CCHP美国能源部制订的CCHP发展目标502000:美国商业、公共建筑CCHP为980座，总装机490万千瓦，工业CHP1016座，总装机4550万千瓦，合计超过5000万千瓦2003年，CCHP总装机5600万千瓦，占全美电力装机7%，发电量占9％2010年装机达9200万千瓦，占全国发电量14％2010～2020再新增9500万千瓦，占全国发电装机容量29％在天然气分布式能源的基础上发展微电网，将微电网连接发展成为智能电网在智能电网的平台上解决各种可再生能源的自由接入问题，增加清洁电力供应，消纳可再生能源不稳定对电网的影响在智能电网的平台上发展智能电动汽车，实现电网的及插及拔和自由互动为物联网创造连接平台，为云计算提供空间，实现信息技术的再发展调动全社会的资金投入新能源技术，创造新的经济增长浪潮和就业机会美国基于天然气和分布式能源的新能源战略全球第一个直接利用发电尾气制冷的项目2001美国马里兰大学CCHP项目制冷、制热时效率：82.6%

电力60kWC60燃气轮机310℃烟气97kWBDE6N310烟气单效冷温水机制冷74kW制热90kW天然气230kW110℃烟气除湿33kW85m3/h干燥空气2004美国奥斯汀CCHP系统系统能源效率：74%天然气15441kW电力4430kW制冷9302kWCentaur50燃气轮机组BE800N514烟气冷温水机514℃烟气6967kW（制热时6868kW）美国霍尼韦尔能源效率：80.2%天然气17160kW电力5376kW制冷3489kWTaurus60燃气轮机组BE300N514烟气双效冷温水机514℃烟气总量35.4%2860kW514℃烟气总量64.6%5522kW供热4970kW德比波林格机房德比波林格全景西班牙巴塞罗那论坛机房西班牙巴塞罗那论坛会址马来西亚双塔楼CCHP系统上海、广州序号项目地点设备情况备注1上海浦东机场1台4000kWSolar燃气轮机1台9.7t/h余热蒸汽锅炉运行2上海闵行医院1台400kW坚泰燃气内燃机1台350kg/h余热蒸汽锅炉运行3上海花园酒店1台450kW内燃机1台0.5t/h蒸汽锅炉运行4广州铝业集团1台725kW重油内燃机1台bz200型余热直燃机运行5上海理工大学1台60kWCapstone燃气微燃机1台15万大卡余热直燃机运行国内三联供发展处于起步阶段燃气轮机：1台4000KW余热锅炉：9.7t/h上海浦东国际机场产生0.9Mpa蒸汽综合利用率：77%序号项目名称总投资（万元）工作内容进展情况1燃气集团控制中心大楼3,000工程管理运行2燃气集团次渠门站300工程管理备用3中关村软件园CCHP项目4,000工程管理建设阶段4中关村生命医疗园CCHP项目14,592项目开发意向书签订阶段5大钟寺现代商城CCHP项目6,131项目开发项目可研阶段6国贸三期CCHP项目5,192项目开发意向书签订阶段7汽车城CCHP项目10,522项目开发意向书签订阶段北京三联供项目北京发展情况燃气集团调度指挥中心建筑面积3.2万平米北京建成项目：设备选型

发电设备：卡特彼勒公司燃气内燃机发电机组：G3508（480Kw）*1G3512（725Kw）*1空调设备：远大公司余热型空调机组：BZHR100Ⅷ（100*104）Kcal/h*1BZHR200Ⅷ（200*104）Kcal/h*1北京燃气集团CCHP项目建筑面积0.3万平米次渠燃气城市接收站综合楼北京建成项目：

北京燃气集团茨渠门站

微燃机+余热直燃机微燃机：80KW余热直燃机：20万Kcal1.中关村软件园区：软件园是首都“二四八”重大创新工程的重点基地项目和北京市软件园群体的核心和龙头。

北京在建项目发电机组：1210kw燃气轮机X1

空调机组：300万大卡余热直燃机X1

300万大卡标准直燃机X1北京在建项目奥运能源展示中心项目为体现绿色奥运、科技奥运，我公司联合能源领域多位院士提议在奥林匹克公园内建设奥运能源展示中心。能源中心以燃气轮机冷热电三联供技术为核心，利用热泵、蓄能等高效能源利用技术，并集成太阳能光热、光电、地热、风能等分布式能源形式。奥运能源展示中心项目奥运能源展示中心运动员公寓燃料电池体育馆中温水低温水内燃机内燃机吸收式制冷机蓄电系统蓄电系统高温水燃气轮机微燃机光电电池燃料电池外燃机氢能地源热泵天然气控制中心会展中心游泳馆商场奥运能源展示中心效果图三联供系统电厂电空调锅炉燃料输入100电23.2冷60.7热水27燃料燃料燃料69.745.629.9145节能率31％奥运能源中心三联供方案制冷工况下节能率三联供系统电厂锅炉燃料输入100电20.7热83.8燃料燃料62.393.1节能率35.6％奥运能源中心三联供方案供热工况下节能率155.4四分布式能源适应条件1、影响分布式能源经济性的因素发电效率：联合循环，45%~55%，机组类型及厂商、天然气供气压力、抽气量内燃机、微燃机循环，30%—40%，机组类型及厂商热负荷的均匀性：采暖、制冷是季节性负荷，采用分布式能源一般工业企业蒸汽热负荷相对稳定，可保证系统相对稳定运行价格问题：

天然气价格

上网电价和末端用户电价济南市各类用户天然气价格折合燃煤价格用户名称价格（元/m3）单位热量价格（元/kcal）折标准煤价格（元/吨）居民2.70.3182223.53工商3.610.4252972.94工业3.610.4252972.94汽车4.220.4963475.29注：1.济南市物价局规定，各燃气经营单位可根据实际情况，非居民用户在下浮15%的幅度内协商优惠，并报市物价局备案后执行。2.表中天然气低热值取8500kcal/m3。图1单位面积采暖年耗热量图2单位面积采暖年耗气量天然气供气压力，一般城区只有中压和次高压天然气管道，没有高压管道，城区只能建设内燃机为驱动的分布式能源冬季天然气的储气量，季节峰较大，采用LNG调季节峰代价太大，需建地下储气库系统的投资、由于主要设备以进口和合资为主，造价较高。2、分布式能源适应条件化工、轻工、食品和酿造等需要蒸汽企业，采用联合循环，效益好。采暖制冷采用内燃机驱动相对较好对内燃机驱动方式，所得电应采取并网、不上网，提高发电的经济性采用分布式能源的建筑必须是节能建筑天然气价格给予优惠，政府对采用分布式能源企业给予适当补助和减税。五国内外相关鼓励政策

各国制定优惠政策鼓励三联供系统发展一些国家允许电力并网、多余电力上网销售美国能源部成立专门机构，并要求政府机构首先推广应用三联供系统法国对热电联产工程投资给予15%的政策补贴欧盟制定了强制购买热电联产和可再生能源电量的政策芬兰给予节能项目补助、征收能源税，实行建筑节能标准等丹麦鼓励燃气热电联产的优惠政策必须将1MW以上的燃煤燃油锅炉改造成天然气热电联供，热网工程可以从政府得到30％的补贴政府给予天然气热电厂30％的无息贷款，在投产年内给予0.07丹麦克郎／KWH的补贴在工商业中引入环保税，税收所得作为投资拨款返还给工商业。

实施资金补贴计划将小型CHP项目的投资回报期缩短到3年左右，如果第三方投资或通过合同能源管理，则回收期为5年，此类支持的最大补贴额为项目总造价的25％

英国燃气供应商及热电联产协会向1－20MW规模的为社区及工业企业供热的热电厂项目可行性研究经费提供75％的补贴英国鼓励燃气热电联产的优惠政策美国鼓励燃气热电联产的优惠政策2010年前再增加4600万kW小型热电联产，达到全美总发电能力的29%给予热电项目减免10%的投资税美国能源部成立专门机构，并要求政府机构首先推广应用三联供系统使热电项目获得经营许可证的程序简单化欧盟鼓励燃气热电联产的优惠政策欧盟要求成员国在节能和可用能需求的基础上支持热电联产各国应在电网系统和税率上支持热电，尽可能为高效率小型热电联产机组并网提供方便减少监督和非监督方面对热电发展的障碍法国对热电联产工程投资给予15%的政策补贴

日本的相关政策日本热电上网电价高于一般火力发电的电价日本政府对于热电联产发电设备补助其设备费及安装费的1/5。对于采用冷热电联产的项目在收入所得税上实行一定的减免优惠。关于发展天然气分布式能源的指导意见发改能源[2011]