毕业论文(设计)天然气发电与分布式供能系统16448.doc
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1、天然气发电与分布式供能系统华 贲(华南理工大学天然气利用研究中心,广州 510640)摘要:从世界能源转型的大视野论述了燃煤热电联产发展为天然气冷热电联供的必然性。相对于集中的千兆瓦级煤、水、核电主力基荷机组,百兆瓦级天然气发电属于分布式能源。“十二五”中国区域型天然气DES/CCHP(分布式冷热电联供能源系统)能够以16h/d运行,肩负起开拓天然气下游市场、提高能效、保障新区能源、提高电力供应可靠性和调峰的四重使命,并均可按“天然气冷热电联供调峰电站”审批,门槛是能效高于70%,以天然气为主的分布式供能在本世纪内都有较强生命力。关键词:天然气发电;冷热电联供;分布式供能;电网调峰;项目审批中
2、图分类号:TM 611 文献标识码:A 文章编号:Natural Gas Power Generation VS Distributed Energy Supply SystemHUA Ben(Research Center of Natural Gas, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: The inevitability of coal CHP towards natural gas CCHP has been explained from the eyesight of worl
3、d energy transit. Relative to the centralized main and basic GW level coal, hydraulic and nuclear power station, natural gas power with hundreds MW level belongs to distributed power. During the “Twelfth Five Year Plan”, China regional type natural gas DES/CCHP can operate 16h/d, with the function o
4、f enhancing energy efficiency, guaranteeing regional energy and power supply, as well as the grid peak shaving;therefore, this kind of projects may be approved as “Natural Gas CCHP and Peak Shaving Power Station”, and taking the 70% total efficiency as the assess criteria. In this century, DES/CCHP
5、has very good prospect. Key words: natural gas power generation; supply of cooling, heating and electrical powers; distributed energy supply; peak shaving of grid; project approval 0 引言过去10年,中国经济以约10%的速度高速增长,但每年需多耗23亿吨煤炭。2010年中国耗煤32.5亿吨,占世界总量的48.3%,是碳排放居世界第一位的主要原因。中国政府为了兑现所承诺的到2020年单位GDP碳排放降低40%45%的
6、目标,在“十二五”能源规划中提出到2015年中国煤耗指标“封顶”在38亿吨/年,而且新增的煤炭消耗主要用于新建先进的超超临界坑口电站和纯氧煤气化多联产项目。因此,所有中、东部新工业园区、新城区占能耗60%80%的燃料需求都不可能再依靠新增燃煤,只能转向天然气。发达国家天然气产业经过30年发展,下游市场发育成熟,大致分布是:发电20%、工业燃料25%、商业/建筑物20%、居民炊事等20%、交通燃料/化工原料15%。将在“十二五”快速发展的中国天然气下游市场,也会朝着这个分布格局演变。以广东省为例,目前天然气发电装机容量仅为3GW多一点,按照“十二五”规划,将新建16个容量共11.88GW的天然气
7、发电项目。到2015年,天然气发电装机容量将达15GW,占总发电装机的14.6%,每年将消耗天然气114亿立方米,占天然气消耗总量的29%1。已经列入广东省“十二五”能源规划的16个天然气发电项目中,列为“热电联产”CHP的有6个,列为“冷热电联供”CCHP的有2个,列为“调峰调频”电厂的1个,其余7个中5个是已有(调峰)电厂扩建,2个新建“燃气电厂”。江苏省要求天然气发电的“热电比”必须达到100%,使业主感到无所适从。这种情况与目前我国学术界、工程界对天然气发电、分布式供能,以及CHP、CCHP的认识和界定五花八门、莫衷一是密不可分。本文试图从一次能源转型和能源技术发展的历史角度对此略作分
8、析。1 从燃煤热电联产到天然气冷热电联供的历史进程2-3热电联产CHP是在20世纪燃煤占一次能源30%80%的历史时期发展起来的,其热力学基础主要是第一定律,其工程基础是热如何在锅炉-汽轮机系统中转换为功。热力学第一定律分析指出纯发电机组中超过30%的能量通过冷凝潜热排弃到环境,如果利用低压抽汽的热能可使一次能源显著节省。燃煤CHP的典型模式是锅炉/汽轮机发电+抽汽供热,着眼点局限在一次能源转换环节,“热电比”是决定一次能源转换效率的指标。自上世纪七十年代后期,因资源、价格、应用便利性和环境等因素,世界一次能源开始向天然气转型,煤逐渐被天然气取代,退出作为工业和建筑物燃料,更多地用于发电、钢铁
9、、水泥等领域。在石油价格攀升的驱动下,天然气价格逐渐提高,天然气冷热电联供CCHP先在美国、陆续在欧、日等发达国家发展起来。天然气CCHP的典型模式是在燃气轮机/内燃机发电+余热锅炉/汽轮机发电+抽汽的基础上、运用包括热泵等各种能源利用技术、各种组合构建的,以高效、经济为目标满足用户所有冷、热、电、汽终端需求的“联供”系统;能源利用效率是其评价指标。热电联产CHP是CCHP的基础,天然气冷热电联供所着眼的不仅是“联产”,而是从一次能源到终端利用“联供”全过程的最高能效、最大经济效益、最少碳排放。这要通过科学用能、梯级利用、系统优化来实现;是能源系统技术的一大飞跃。从燃煤CHP到天然气CCHP,
10、是一个历史性的发展进程。如果从概念和“定义”出发,天然气也可以仅考虑热电联产,燃煤也能够努力实现冷热电联供。但是,最新型天然气联合循环能效已可达60%,仅靠抽汽供热所能够达到的“热电比”却远不如效率只有40%的燃煤CHP,而总体能源利用效率却可以远比燃煤CHP高。所以,天然气的利用只考虑热电联产是不够的,两者比较见表1。表1 燃煤热电联产与天然气冷热电联供的比较项目燃煤CHP天然气CCHP基本模式锅炉/汽轮机发电+抽汽供热燃气轮机或内燃机联合循环一次发电最高效率40%60%着眼点和范围一次能源转换一次能源到终端利用全过程理论基础热力学第一定律热力学第二定律关键参数和考虑内容供热抽汽量和比率梯级
11、利用、各级传热温差、火用损耗;满足所有终端用能需求的最优方案评价指标热电比能效、经济性、碳减排效果审批门槛热电比30%一次能源利用效率70%2 丹麦和美国的DES/CCHP发展电力是高效、便捷的载能介质,或称二次能源。2010年我国电力能源消费占一次能源消费总量的比率已达44.35%。电力生产供应和电源布局经历了从分散到集中,再由集中到部分分散的“否定之否定”发展历程。50年代我国最大的火电机组只有100MW,目前超超临界煤电机组已达1GW,700MW水轮机也已国产化。总装机26GW的核电站、56GW的火电站、1020GW的水电站等大型、高效、集约化的骨干电源,通过数千千米长、500750kV
12、的高压电网乃至1000kV的特高压电网向广大地区供电,提高了能源转换效率、降低了供电成本。然而,2003年发生在北美东部的大停电事故70多个小时难以恢复,以及台湾、日本、伦敦、罗马、我国南方等地各种原因引发的电网中断供电事故,暴露了这种集中电源、大电网供电可靠性的不足。事后纽约市和墨西哥城为保障供电安全分别在境内建设了5个和6个数十兆瓦的天然气联合循环分散式电源(Decentralized Power Resources),作为集中电源大电网的补充和安全保障。另一方面,为了提高效率,城市建筑物供冷、供热模式经历了从分散的一家一户的炉灶、火墙、分体空调、一栋建筑物的小锅炉、中央空调,到几百万平方
13、米的建筑物CHP集中供热、和覆盖几个平方千米、10RT规模区域供冷的、从分散到集中的历程。当然,供冷供热的集中程度局限在冷、热水经济输送距离所决定的几个平方千米范围内,不可能像集中供电那样大的范围。但是,就在这几个平方千米区域内,“分散式电源”和“集中供冷供热”获得了相互结合起来、使能效大大提高的合作共赢的机会。这就使“分散式电源”从热电联产、提高转换效率出发,结合终端的“集中供冷供热”,实现梯级利用,构建成科学用能、大系统优化的“分布式冷热电联供能源系统DES/CCHP”。最早发展DES/CCHP的美国,到1999年的980个项目中,覆盖一定区域的、平均装机容量78MW的27项目占到了装机容
14、量的42.8%,加上平均容量22.4MW的60个项目,共占总装机容量的70%,其余的绝大多数不到1MW见表2。例如一个麦当劳店的DES/CCHP不过300kW左右。美国DES/CCHP的这种格局,是他们的城市早已成型,冷热水管路受限和私有制的自由市场经济体制所决定的。表2 美国1999年DES/CCHP不同系统形式比较2系统形式装机容量(MW)容量比例()系统数量(座)数量比例()平均装机容量(MW)联合循环211042.8272.878.1锅炉/蒸汽134127.2606.122.4燃气轮机93318.910410.69.0内燃机50610.377078.60.7其他360.7191.91.
15、9总计49261009801005.0丹麦国土面积5万平方千米、人口500万,地势平坦、农业发达,人口密度只有100人/平方千米。自1985年至今,丹麦的集中式电源点数目保持在18个没有增加,但到2009年全国各地新建了数以百计的天然气DES/CCHP。几十年来,丹麦的GDP成倍增长,而总能耗基本没有增加,这是丹麦的燃煤CHP和天然气DES/CCHP占能源消耗的50%以上,大幅度提高了能效的结果。 3 当前中国国情下燃煤CHP和天然气DES/CCHP待添加的隐藏文字内容33.1 燃煤CHP的发展空间4-5燃煤CHP不是主力发电机组,而是工业和建筑物终端供能机组。由于历史的原因,中国一次能源以煤
16、为主,发展燃煤CHP却比世界迟了几十年,到2010年,燃煤CHP装机才占电力总装机的10%。为了提高效率,发改委把燃煤CHP项目的准入门槛提高到2300MW。到2011年8月为止,有几十个获准的燃煤CHP项目还在建设中。然而,“十二五”燃煤“封顶”的能源规划已使这些CHP项目面临尴尬。尽管竭力快速开发水电、风电,到2015年,主要设置在中国西部煤矿坑口的新增高效超超临界煤电年发电量4.5万亿kWh,耗煤20亿吨,比2010年增加5.5亿吨,将耗用燃煤增长的全部份额。在建和正在规划的现代煤化工项目的能力,2020年将消耗原煤6.28亿吨9。这只能寄望于现有工业和建筑物燃料中被天然气替代出来的煤炭
17、,新工业区和城区的燃煤CHP项目将无煤可用。世界工业和建筑物燃料由燃煤CHP向天然气CCHP转型已经30年,碳减排压力正进一步促其加速发展,中国目前这种燃煤锅炉+汽轮机的CHP将难以为继。当然,带有CCS(碳捕捉和储存)的现代化煤气化多联产可能还有上百年的发展空间。3.2 “十二五”新工业区、新城区天然气DES/CCHP的规模和目标6-8(1) 基于现有能源终端消费构成,“十二五”中国经济发展所需的新增能耗80%还是在工业和建筑物终端用能领域。“十二五”期间中国天然气平均年增加300亿立方米,约合0.4亿tce/a。如果采用传统利用技术,远不能满足年增超过1亿tce的能源需求,而且用户难以承受
18、高的天然气价格。而若普遍采用能效高一倍的先进天然气DES/CCHP利用技术,300亿m3/a天然气就能够替代相当于0.8亿tce/a的煤炭,支撑工业化和城镇化的能源需求8。(2) 今天中国的国情与美国和丹麦当年发展DES/CCHP时的情况有很大的不同,中国沿海地区人口密度是丹麦的10倍,正处在全球化、低碳转型和快速实现工业化、城市化,大批新建数十平方千米的新工业区和新城区的历史时期,加上城市居住密集,工业、CBD、住宅三种功能区集中布局等特定条件,使得中国可以采用各种最新科技成果集成创新,发展一大批冷热电汽负荷集成度很高的、百兆瓦级区域型天然气DES/CCHP系统,能效比西方国家的DES/CC
19、HP更高。图1是典型的天然气冷热电联供系统流程图,图2和表3是一个38km2工业园区的能源规划实例,可见供应同样的冷热汽需求,按联供模式耗气40106m3,比传统分供模式耗气89106m3的效率提高一倍8。如果发电装机容量匹配适当,总能效可达90%以上。由此可见,推广天然气CCHP系统是中国近10年提高能效最重要的战略举措。 图1 典型的天然气冷热电联供系统流程图 图2 某工业园冷热电联供能源系统布局图表3 某工业园区常规分供系统与CCHP系统各项能耗和总能耗的比较8项目供应规模供热量/MW常规分供耗气量,MW/106m3/aCCHP减少发电/耗气量,MW/亿m3/a发电264MW508/2.
20、33供蒸汽150t/h114127/5826.3/23供热水471t/h27.430/143.6/1.7区域供冷281MW146/1760.7/15.4合计8940.1注:1、发电、供汽、热水按4800h/a,供冷按满负荷1200 h/a计;2、第3、4列因次:斜杠前为MW,斜杠后是折算为106m3/a。(3) 结合“十二五”新区建设,普遍推广区域型DES/CCHP是完全可能的。以珠三角地区为例,正在规划或建设的珠海横琴新区冷热电联供能源站、深圳光明新区能源站、中山嘉明燃机电厂2期、珠海高栏港区域能源站等29F机组,中山南朗深南电厂、民众镇沙仔化工纺织园区电站、东莞东兴冷热电联供电厂、广州科学
21、城北区“中新知识城”等239E机组,清远华侨工业园、中山嘉明电厂改造等26F机组,以广州大学城DES为代表的中型工商住区2FT8机组等规划实例表明,百兆瓦级的天然气联合循环机组实现CCHP是完全可能的。3.3 现有工业区、城区天然气DES/CCHP的局限和解决办法现有区域冷热蒸汽管道的路由是限制大型DES/CCHP的发展的主要因素;但不拘于“楼宇型”或“用户型”框框的小型DES仍有发展的空间。只要努力满足冷、热、汽负荷多种类、多时段互补,减少各级传热温差、安排能量多次梯级利用,尽可能选用高效、廉价设备等三个条件,就有可能实现小型DES能效、经济性和碳减排的目标。选择一个冷热电负荷均较大的用户为
22、投资主体,按照市场机制向邻近用户拓展冷、热水或蒸汽的市场,规模以不向电网售电为度。管道路由的限制并非完全不可克服,一个可借鉴的成功案例就是美国芝加哥市中心世界最大的10万RT的区域供冷项目,就是从2万RT的基础上逐步扩大的。3.4 天然气CCHP电站与调峰电站相互兼容的创新7按照电力发展规划,2015年我国核电和风电装机占比将增大到8%,昼夜调峰和长距离西电东送挑战日益增强。而规划到2015年最适宜调峰的天然气发电只占4.5%,抽水蓄能电站调峰不仅耗费成千亿元的投资,而且损失25%的电量。研究表明,在智能电网即将普遍推广、昼夜分时电价自动切换的条件下,上述区域型DES/CCHP大部分都可以按照
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