天然气CHP、CCHP系统在工业企业的应用

摘 要

摘要：介绍了天然气热电联供(CHP)系统、天然气冷热电联供(CCHP)系统在我国的发展现状，提出在工业企业应用天然气CHP、CCHP系统，改变采用一次能源直接供应热风、热水的现状，实现能
摘要：介绍了天然气热电联供(CHP)系统、天然气冷热电联供(CCHP)系统在我国的发展现状，提出在工业企业应用天然气CHP、CCHP系统，改变采用一次能源直接供应热风、热水的现状，实现能源的梯级利用，提高能源利用效率。
关键词：天然气热电联供；天然气冷热电联供；工业企业
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
   随着能源价格上涨、环境不断恶化，提高能源利用效率、减少环境污染成为各国共同关注的问题。欧美等发达国家在20世纪初发展的热电联供(CHP)系统，在城市集中供热及各种消耗热能的工业领域得到广泛应用。以丹麦为例，CHP成为该国能源系统的核心技术，也正是因此丹麦成为世界上能源利用效率最高的国家之一。美国自能源危机开始，在CHP基础上积极发展燃气冷热电联供(CCHP)系统。这种系统是建设在用户侧或资源现场的小型能源综合利用设施，它是以冷热电联供技术为基础，与电网和天然气管网相结合，向一定区域内的用户提供电力、蒸汽、热水和空调冷水等的供应系统，实现了能源的“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”[1～9]。本文对天然气CHP、CCHP系统在工业企业的应用进行探讨。
1 天然气CHP、CCHP的发展现状
    我国对CHP一直高度重视，国务院将其列为十一五十大重点节能产业之一。但是由于一些地方借CHP名义搞小火电，因此国家将准入门槛设置为2×300MW的规模，但我国工业领域热负荷规模较小、布局分散，较少工业园区有这样大的热负荷需求[10～11]。加之冬夏季用汽不均衡，在夏季热电机组的发电量受到热负荷的限制，不仅发电量减少，而且单位发电量的能耗增大，使CHP的效益不能充分发挥。
    随着天然气在我国普及程度的提高，作为合理利用天然气的最佳方式之一，天然气CHP、CCHP得到了国内许多专家、企业的大力拥护，目前已经在北京、上海、广州等地建设了一批试点项目。但总体上天然气CHP、CCHP在我国还是呼声高进展慢，影响其发展的主要原因：一是国家没有必要的规划、政策法规支持；二是天然气供应量不足，价格不断趋高，挤压了天然气CHP、CCHP的生存空间。
    天然气CHP、CCHP的集成优化涉及气候条件、能量需求、能源价格以及与电网、天然气公司、各种用户之间的关系[12]。与国外相对较为完善的政策相比，我国还缺乏支持天然气CHP、CCHP的具体政策。
    天然气价格是影响天然气CHP、CCHP发展的另一重要因素。随着天然气联动价格机制的确立，天然气价格不断上涨，天然气CHP、CCHP的利润空间越来越小。另一方面，天然气CHP、CCHP很大一部分收益来自于供电，而且冷、热水的传统供应方式也依靠电力，因此电价是决定天然气CHP、CCHP收益的另一重要因素。
    用户侧负荷的不均衡性是影响天然气CHP、CCHP的又一重要因素。由于我国目前天然气CCHP的应用多集中于建筑领域，而建筑领域的冷热负荷受气候影响明显，因此运行期天然气CCHP并不能长期稳定高效运转，造成实际效率低于设计效率。在建筑物终端用能的比例中，供暖空调和热水能耗占80%，电能只占14%[13]。若采取以电定热方式，受限于自发电不能上网销售的政策，以电定热方式无法实现。若采取以热定电，由于建筑系统耗电较少，系统收益也会随之降低。
2 天然气CHP、CCHP应用前景
    天然气CHP、CCHP的发展虽然在我国遇到了困难，但不能否认天然气CHP、CCHP作为能源系统中高效的应用技术是有价值的[14]。
2.1 优点
    ① 能源综合利用率提高。大型天然气发电厂的发电效率一般为35%～55%，扣除厂用电和线损率，发电效率只能达到30%～47%，而天然气CCHP的燃气利用效率最高可达到90%左右。
    ② 环境效益明显。天然气是清洁能源，与燃煤、燃油方式相比，除了有少量的N0。排放外，几乎没有硫化物、碳化物和粉尘的排放，具有较好的环保效益。
    ③ 燃气和电力的双重削峰填谷。燃气和电力的使用具有明显的季节性，随着城市天然气用于供暖的比例不断增大，冬夏季城市的天然气峰谷差逐年增大，用气结构的不合理引起供气成本增加和燃气价格上涨。夏季由于空调用电的负荷不断增大，造成电力负荷夏高冬低，电网夏季负荷加大。因此，天然气CCHP可扩大夏季天然气的使用量，减少空调耗电量，具有燃气和电力双重削峰填谷的作用。
    ④ 保障能源供应的安全。天然气CHP、CCHP发电量不足部分由电网补充的运行方式和供热方式的多样化，为提高能源供应的安全可靠性提供了保障。
2.2 应用前景
    目前，天然气CHP、CCHP在我国工业领域的应用还没有开展起来，那么结合我国国情发展符合现有政策及条件的项目非常必要[15]。我国的传统观念认为，发电机组容量越大，则效率越高，单位发电功率的造价越低，发电成本也越低，因此认为电力工业的发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，随着科技的发展，小型电站的优势愈加明显。随着天然气的普及，我们应发展能耗低、可靠性高、效率高、低污染的小型天然气CHP、CCHP项目。这是提高能源利用效率、降低冷热电成本和保护生态环境的重要措施。
    我国工业领域有各种工业加热炉，燃料消耗量很大，而且加工设备以电驱动为主，对电的需求量也很大。因此，在所需工艺温度并不很高(200～400℃)的工业企业中，完全可以应用天然气CHP。这项技术，在国外早已成熟并应用，目前芬兰、荷兰和丹麦的热电机组已分别占全国总装机容量的32%、40%、56%，其中70%以上的热电机组以天然气为燃料。但在国内，即使在引进项目上天然气CHP的情况也很罕见。
    随着国家政策的逐步完善，可以通过工业园区的机制，以发展区域能源供应站的模式，推广天然气CHP。
3 天然气CHP、CCHP应用方案
    随着经济的发展和对环境保护的要求，我国的工业企业在用能上面临诸多难题：燃煤：烟气难以符合排放标准；燃煤CHP：无法达到准入门槛；采用天然气锅炉：天然气价格较高，企业成本上升。而天然气CHP与燃煤项目相比规模小，布置灵活，造价低，适应性强，经济性优越，有很大的市场空间。
    在我国的多数工业企业中存在着燃煤、燃油、燃气锅炉，普遍存在着能耗过高、热效率偏低的情况。若按“温度对口、梯级利用”的原则配置天然气CHP，可更充分利用低品位余热。在陶瓷、汽车、家电、通信设施、服装、玩具制造业等领域，可以根据不同的工艺需求分别进行设计。以天然气为燃料，采用燃气内燃机或小型燃气轮机发电供内部使用，余热根据需求可以采取以下利用方式：发电设备排放的烟气直接掺混空气作为工艺所需的热风；对热空气品质有较高要求的场所，可将烟气通过换热器加热洁净空气；烟气通过换热器生产热水；对于有蒸汽需求的场所，烟气进入余热锅炉，生产蒸汽。
    燃气内燃机发电机组的优势[16～18]：可以使用压力较低的燃气，适应城市燃气压力，可尽量靠近负荷中心；设备简单，维护方便，可在现场完成大修，减少机组停机时间，节省维护费用。燃气内燃机是热能与机械能转换效率最高的动力设备之一，在额定工况下机械效率为35%～40%，发电效率约35%。部分负荷工况下能维持较高的机械效率，经济性较好。
4 天然气CHP、CCHP经济性分析
    天然气CHP、CCHP应用于工业领域的优势在于工业企业对电的需求远比建筑要多，而且对热量的需求较为稳定。天然气CCHP的本质是回收发电系统的余热，要提高其综合能效，必须在保证发电效率的前提下充分利用余热。天然气CCHP应用于工业领域时，若没有冷量需求，则无需供冷，减少了能源损耗环节，直接变为天然气CHP。若有冷量需求，则可以根据气、电价格及热电需求选择电制冷或余热制冷方式。天然气CHP、CCHP运行原则：发电设备尽量以额定工况运转，不足电力由电网补充，不足热量以补燃解决。
    我国目前还存在着很多的工业燃煤锅炉，不少都在10t/h以下，且多半是压力低于1MPa的低压锅炉，这种锅炉的热效率很低。
    以10t/h燃煤、燃气锅炉为例，燃煤锅炉单位质量蒸汽耗煤量按190kg/t计算，天然气锅炉单位质量蒸汽耗气量按80m3/t计算。燃煤锅炉场地、排污等费用按燃料费的15%计算，燃气锅炉相关费用按燃料费的5%计算。燃煤价格按1000元/t计算，天然气价格按3.5元/m3计算，燃煤锅炉的热效率取70%，燃气锅炉的热效率取90%，电价按0.8元/(kW·h)计算。
    拟采用天然气CHP替代10t/h燃煤、燃气锅炉，采用天然气发电，发电后的高温烟气进一步产生蒸汽，与需求量10t/h相比不足的蒸汽量由天然气锅炉补燃生产。天然气CHP的热电效率取80%，燃气内燃机的发电效率取35%。
    经计算可得，对于燃煤锅炉分供，随着天然气CHP供热比例的增大，天然气CHP的运行费用以及发电收益均在提高，但整体上运行费用减去发电收益在不断降低。当天然气CHP供热比例达到47%时，天然气CHP的运行费用减去发电收益与燃煤锅炉分供的运行费用持平。若考虑经济性，建议天然气CHP供热量所占比例应在60%以上。对于燃气锅炉分供，由于补燃方式与燃气锅炉供热相同，当天然气CHP供热比例达到10%时，联供与分供的费用即可持平。若考虑经济性，建议天然气CHP供热量所占比例应达到30%以上。
5 结语
    基于天然气CHP、CCHP的“温度对口、梯级利用”的高效应用方式，结合我国现有国情，将现有由一次能源(天然气、石油)产生低温热风、热水等工艺改造为天然气CHP具备可操作性，经济性可观。
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(本文作者：王振兴 乔艳丽 新奥能源服务有限公司 河北廊坊 065001)