上海燃氣浦東銷售有限公司金敏琴 摘要：燃氣熱電(冷)聯產是合理、有效利用天然氣資源的手段、解決能源緊缺的良方之一，適用于民用、商業、工業等各種領域。雖然一次投資較高，但是經濟效益好、能較快地收回投資；社會效益好，有利于環保。文章用實例分析來說明熱電聯產的前景與其巨大潛力。 關鍵詞：燃氣 熱電聯產 能源 近年來我國用電缺口愈來愈大，北京、上海等各大城市頻頻刷新用電記錄。2004 年上半年，全國有24 個省級電網拉閘限電，夏季全國電力供需缺口在3 000 萬kW 以上。此時，大力發展傳統電廠既非合理利用能源的正確之舉，同時興建電廠投資大、建設周期長，也解決不了燃眉之急。現在“西氣東輸”工程已全線貫通，我國的能源結構隨之變化。結合發達國家的經驗，推廣小型燃氣熱電(冷)聯產是解決能源緊缺的良方之一。 小型燃氣熱電(冷)聯產的定義及主要方式 任何一個企業或家庭，對于能源的需求都是多樣的，需要電力、采暖熱力、空調制冷、生活熱水、炊事燃氣等等。這些需求在傳統工業社會中是通過明確的社會分工，由各個專業企業分別加以解決。但是最大的問題是能源利用效率低、設備使用效率低，從而帶來資源和資金的浪費，以及環境污染的加劇等。世界各國的能源環境專家普遍認為：應將需求供應整合優化，實現能源的溫度對口梯級利用，就近供能減少中間環節損耗，這將是解決問題的最佳手段，即：用一個單獨的裝置，先將一次能源天然氣發電，將發電后的余熱用于采暖或制冷，以實現對一個企業或家庭的能源供應，這就是小型燃氣熱電(冷)聯產。圖1 為其工作示意圖。 小型燃氣熱電(冷)聯產的主要方式為燃氣輪機和燃氣內燃機熱電(冷)聯產，因其技術成熟，在世界各地有著廣泛應用。其他方式有燃氣外燃機和燃料電池熱電(冷)聯產。 市電網 電力用戶負載 天然氣 燃氣輪機發電機 (內燃機) 余熱鍋爐蒸汽 換熱器熱水 圖1 熱電聯產機組工作示意 燃氣輪機是以燃氣為工質，經壓縮、加熱后在透平中膨脹，將部分熱能轉換為機械能的旋轉式動力機械。燃氣輪機一般由壓氣機、燃燒室、透平、控制系統及必要的輔助設備組成。小型熱電聯產適用的燃氣輪機分為300~20 000 kW 的小型燃氣輪機和300 kW 以下的微型燃氣輪機。 燃氣內燃機將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點火引發其爆燃做功，推動活塞運行，通過氣缸連桿和曲軸，驅動發電機發電。最早由美國卡特彼勒公司于1943 年開發生產，是一種傳統技術，可選擇的機組容量范圍大，從幾十千瓦到近萬千瓦。全世界生產燃氣內燃機產品的公司很多，我國也有多家企業可以生產。 3 小型燃氣熱電(冷)聯產的適用性及經濟效益 小型燃氣熱電(冷)聯產系統適用于各種民用、商業、工業項目，甚至農業項目：1) 樓宇熱電冷：將燃氣輪機或燃氣內燃機與溴化鋰空調聯合循環，對樓宇供電、供熱、供冷、供衛生熱水等；2) 余熱直接利用：將熱電(冷)聯產機組的高溫煙氣直接用于陶瓷、石膏板、造紙等產品的烘干；3) 直接利用微型燃氣輪機參與工藝流程：在食品加工、醫藥、精細化工等生產工藝中，利用燃機余熱和電力就近參加工藝流程；4) 為工廠化農業提供能量：有足夠的CO2 和少量肥料，植物就可以茂盛生長。熱電(冷) 聯產機組可以將煙氣中的低溫熱量、水蒸氣、少量NOX 和CO2 注入大棚，支持無害蔬菜、水果和花卉等農產品的生產。 小型燃氣熱電(冷)聯產系統一次性設備投入較大，但由于即使不采用燃氣輪機或內燃機，也要投資建設采暖、制冷和熱水系統。實際上，真正增加的支出只是燃氣輪機或內燃機部分，設備回收周期一般為3~5 a ，而使用周期長達20~30 a 之久，其投資效益極為明顯。同時在項目建設中，采用熱電(冷) 聯產技術，可以減少一路供電投資，包括電力線路排管施工費用和電力增容費。當設備投入使用后，由于其就近供能減少中間環節損耗，能源利用效率高，采用熱電(冷)聯產技術的能源支出比采用其他技術方式的經濟。 表1 為上海地區50 000 m2 級商業建筑幾種能源解決方式的能源支出比較。 表1 上海地區商業建筑各種能源解決方式的能源支出比較* 購電 項目 小燃機熱電冷 燃氣鍋爐電空調 直燃機 總發電功率/kW 1 200 供電量/kW 1 170 -1 170 -1 170 預計年設備發電小時/h 5 628 5 628 5 628 年發電購電量/kWh 6 584 760 -6 584 760 -6 584 760 平均電價/元·(kWh)-1 0.72 0.72 0.72 年發購電收入支出/元·a-1 4 741 027.20 -4 741 027.20 -4 741 027.20 供暖功率/ kW 2 248 2 248 2 248 預計年設備供熱小時/h 1 260 1 260 1 260 年供熱量/ kWh 2 832 480 2 832 480 2 832 480 熱價/元·(kWh)-1 0.2550 0.2550 0.2550 供熱收入 /元·a-1 722 211.32 722 211.32 722 211.32 總制冷功率/kW 2 871 2 871 2 871 預計設備制冷小時/h 4 368 4 368 4 368 年制冷量/kWh 12 540 528 12 540 528 12 540 528 冷價/元·(kWh)-1 0.196 0.240 0.196 制冷收入/元·a-1 2 459 630.72 -3 009 726.72 2 459 630.72 天然氣總耗量/m3·h-1 501.03 272.94 272.94 天然氣價格/ 元m-3 2.1 2.1 2.1 年耗氣量/m3 2 819 811 343 910 1 536 132 年燃料成本/元·a-1 -5 921 602.79 -722 211.32 -3 225 877.22 小時運行費用/元·h-1 46.8 23.4 23.4 年運行費用/元·a-1 -263 390 -131 695 -131 695 總支出/元·a-1 -6 184 993 -8 604 660 -8 098 600 節約支出/元·a-1 2 419 667 0 506 061 *摘自中國能源網《50 000 平方米級建筑分布式熱電冷聯產綜合技術解決方案》 4 案例分析 區的天然氣大用戶。目前該公司的動力設施：1) 總用電負荷為16 000~17 000 kWh ，分二路10 000 V 4.1 工程概況進線，按三部制電價收費；2) 5 座干燥塔，10 000 L/h 上海斯米克建筑陶瓷有限公司是上海浦東地2 臺，4 000 L/h 3 臺，使用燃氣鍋爐產熱對進料(濕 漿)加以干燥。該公司現已滿負荷生產，計劃擴大規模，擴展規模(二期)與當前規模(一期)相當，但因上海用電日趨緊張，用電計劃未獲供電局批準，因此擴展項目無法實施。上海燃氣浦東銷售有限公司建議該公司對一期項目進行技術改造，采用熱電聯產技術，獲得富余電力后即可按計劃實施二期項目。當然，對二期項目亦建議其采用熱電聯產技術。 2 基本數據擬對2 臺10 000 L/h 干燥塔使用熱電聯產技術。 4.2.1 干燥塔的數據 現耗用天然氣約1 280 m3/h；進出料25 t/h，每噸料需要熱量為1 591~1 675 MJ，則滿足工藝要求所需熱量25×1 633 000÷3 600=11 339 kWh ；干燥塔每年生產350 d，按二天換一次料，每次需4 h 左右。 3 天然氣價格 燃氣鍋爐每月天然氣耗量180 萬m3 以下為2.05 元/m3，超過180 萬m3 部分為1.97 元/m3，則天然氣價格按2.0 元/m3 計算。熱電聯產每月天然氣耗量8 萬m3 以上為1.9 元/m3。 4.2.3 電力價格 峰電為0.935 元/kWh ，平電為0.548 元/kWh， 谷電為0.252 元/kWh，則平均電價為： 0.935×6 +0.548×10 +0.252×8 24 =0.546 1 元/kWh。 4.3 裝機方案 根據“以熱定電”、“不足電力從電網補充，不足熱量補燃解決”和“電力并網不上網”的設計原則，建議選用2 套5 000 kW 級燃氣輪機熱電聯產設備。國內使用最多的小型燃氣輪機是索拉(Solar) 透平公司的產品，該機組雙燃料系統為標準裝備，可自動進行油氣切換以應付緊急狀況，所以小型燃氣輪機選用Solar 金牛座60 機組。 機組數據如下： 天然氣耗量/m3h-1 1 816 熱量/kWh 17 952 發電量/kWh 5 069 發電效率/% 28.24 余熱/kWh 10 247 熱效率/% 57.08 煙氣溫度/℃ 514 從上述數據可以獲悉Solar 金牛座60 機組的余熱滿足10 000 L/h 干燥塔的熱量略嫌不夠，同時考慮濕漿進料的不均勻性，建議采用補燃方式增加熱量，補燃量為原燃氣鍋爐耗氣量的10%，即128 m3/h 天然氣。 4.4 經濟效益分析 目前一臺10 000 L/h 干燥塔每年耗用天然氣：1 280 m3/h×7 700 h =9 856 000 m3 9 856 000 m3×2.0 元/ m3 =1 971.2 萬元 改用熱電聯產機組后：每年耗用天然氣：(1 816+128)m3/h×(24×350)h =16 329 600 m3 每年支出天然氣費用：16 329 600 m3×1.9 元/ m3 =3 102.62 萬元每年得到電力：5 069 kW×(24×350) h =42 579 600 kWh 每年收入電力費用：42 579 600 kWh ×0.546 1 元/kWh =2 325.27 萬元采用熱電聯產技術后每年可減少能源支出：1971.2－(3 102.62－2 325.27)=1 193.85 萬元考慮設備維修費用和潤滑油費用：維修費用，按經驗測算為50 萬元/年每年潤滑油費用： 0.5L/h×(24×350) h×16 元/ L =6.72 萬元則采用熱電聯產技術后每年凈節省費用：1193.85－50－6.72 =1 137.13 萬元 熱電聯產機組總投資費用約3 000 萬元，則投資回收期為2.6 年。 4.5 電力接入 Solar 燃氣輪機可與電網同步供電，通過一個安裝在線路上的探測器自動跟蹤電網送電的頻率、象限周波，通過控制計算機調節發電機的頻率，并通過控制燃氣供應量調節功率輸出，可以確保電力不反送上網，保證用戶電網和公共電網的安全運行。 4.6 政策優惠 上海市政府鼓勵發展小型燃氣熱電(冷)聯產系統，根據滬府辦(2004)52 號文，小型燃氣熱電(冷) 聯產系統可享受700 元/kW 裝機容量的政府補貼，并對其進口自用設備(除國家規定不能免稅的設備外)經批準可予免征關稅和進口環節增值稅。因此，該項目可進一步降低一次性設備投資。 5 推廣小型燃氣熱電(冷)聯產的巨大潛力 我國正以日新月異的變化引來全世界的注目，北京、上海正在籌辦2008 年的奧運會和2010 年的世博會，更是令人矚目。保持適度的、穩定的國民經濟增長和良好的環境質量是維護和提升城市形象的關鍵所在。小型燃氣熱電(冷)聯產的特性對上述兩者有積極意義。 我國電力供應日趨緊張，錯避峰用電措施給正常的生產經營活動帶來不便。若電力緊張持續下去，還可能影響投資環境，擾亂正常的生產秩序，直接影響國民經濟。為此，政府正積極采取措施，出臺了《關于發展熱電聯產的規定》，以此推動熱電聯產事業的發展，支持小型燃氣熱電(冷)聯產系統用于廠礦企業，寫字樓、賓館、商場、醫院、銀行、學校等較分散的公用建筑。小型燃氣熱電(冷)聯產系統不僅可采暖、制冷，而且可直接供電，對緩解電力緊張問題更為直接，有利于電力供應安全可靠。同時，它既可以填補夏季天然氣利用的低谷，也可以有效地避免夏季電力高峰的出現，起到優化能源結構的效果，為國民經濟的增長打下堅實的基礎。 天然氣是一種清潔能源，燃燒時不產生硫氧化物(SOx) ，而產生的NOX 為燃煤的20%~40%，CO2 為燃煤的60%。小型燃氣熱電(冷)聯產機組使用燃氣內燃機時，由于采用貧氧燃燒，NOX 排放濃度較低；使用燃氣輪機時，由于采用低氮燃燒技術或噴水或噴蒸汽技術，NOX 排放濃度可以控制在25 ×10-6，大大降低其單位濃度。 若進一步利用燃氣熱電(冷)聯產機組排放的CO2、水蒸汽、少量NOX 和余熱，促進植物的生長，就可達到零排放和全能量利用的效果。CO2 的排放量減少，可減小溫室效應，緩解全球變暖趨勢，是人類的一大福音。因此，采用小型燃氣熱電(冷)聯產技術可減少大氣污染，對環境保護大有裨益。 6 結語 綜上所述，小型燃氣熱電(冷)聯產是合理、高效利用天然氣資源的最佳手段，不僅自身經濟效益好，而且其引發的社會效益對北京、上海這樣的大城市更為顯著，因此筆者認為現階段在城市推廣小型燃氣熱電(冷)聯產不僅科學合理，而且十分必要，其市場前景是廣闊的。