城市天然气采暖的新途径

专冢建议城市天然气采暖的新途径清华大学江亿付林【摘要】随着我国城市能源结构调整和环境保护措施的加强,北方地区煤改气,以天然气作为主要的釆暖一次能源逐渐成为主要趋势。然而,由于天然气价格远高于燃煤,直接燃烧天然气导致运行成本过高,经济效益差。即使釆用联合循环,热电联产,运行费也高于燃煤发电和燃煤供热。我国城市能源系统的另一问题是电力负荷日益加大的峰谷差。城市电力系统的削峰填谷也是困扰电力部门的大问题。面对上述背景,本文提出解决上述问题的新途径:用燃气轮机发电,余热作为集中供热系统的热源。机组按调峰方式运行,电力负荷高峰发电并供热,电力负荷低谷时,停止发电和供热,由于供热管网及建筑物巨大的热惯性,低谷期停止供热6~8h釆暖房间室温的降低不会超过1℃,不会影响供热效果。调峰发电可享受髙发电电价,从而抵消燃气价格高导致的采暖成本上升。按此模式运行,目前的“以热定电”方式应改为“热电兼顾”,甚至于“以电定热”。【关健词】热电联产;天然气应用;电力削峰填谷【中图分类号】TE65【文献标识码】B【文章编号】1003-2355(2001)06-000805Abstract: As one of the key policies of environment protection, turning to gas from coal for urban district heatingbecome one of the major actions in many cities in north China. However as the cost of gas in China is much higherthan coal, direct heating by gas will rise the cost of district heating. Combined power and heating cogenerationcannot solve the problem due to the low cost of the fire- coal-electricity stations. On the other hand, the increasingof peak-vale difference in electricity demand fazes utility companies a lot. As a solution of above problem,a newapproach is present: a cogeneration system with gas as the fuel. Chang the operation mode from heating demandfirstto utility demand first. During high electrical demand, general electricity and heat by the cogenerationsystem. When the utility demand goes low, stop both electric generation and heat generation. Because the hugethermal mass both in the piping network and buildings, after 6-8 hours stop, drop in room air temperature will beless than 1 C. This means little effect on the comfort level of the heated space. Due to the peak load electricitygeneration can be paid at quit high price, the cost of heating can be reduced greatly.Key words: CHP; Gas application; peak load cutting引言次能源的角度,采暖效率却只有30%。这意味着目前,我国北方地区的大中城市采暖仍以污染资源的浪费和整体环境污染的加重,因而不符合我严重的煤为主要燃料。随着环保意识的增强,如何国可持续发展战略。调整采暖用能结构,改善环境,是这些城市面临的在经济方面,天然气是一种清洁燃料,但过于重大课题。为大批以电、天然气为能源的采暖方式昂贵,一般比煤贵4倍左右,以天然气为燃料的燃开始出现,如电暖气、电热膜、电热泵燃气锅炉、家气锅炉采暖方式使得一般居民难以承受,许多“煤用燃气炉等等。然而,这些采暖方式是否合理?是否改气”的供热工程需要靠政府补贴维持,大量推广具有更理想的采暖方式呢?天然气锅炉采暖会给政府背上沉重经济包袱。在能电采暖具有调节灵活、局部无污染的优点。加源利用方面,这样宝贵的能源白白用锅炉烧掉,而之电力的相对过剩,这种采暖形式的应用逐渐增没有实现梯级高效利用,可以说是对能源的一种浪多。但是,将电直接变为热的采暖方式能源浪费是费,这符合我国可持续发展的战略要求。很大的。虽然电几乎能百分之百地转化为热,但从在这种情况下,人们开想到以天然气为燃料的感专家建议热电联产方式采暖。众所周知,热电联产方式的能、燃气热电联产调峰运行方式的提出源利用效率远大于锅炉采暖。通过这种天然气利用先看一下北京的电力状况。在电力的需求侧效率的提高来降低采暖运行成本。于是,北京市一随着经济的发展,北京的电力负荷增长迅速,早在些地方开始酝酿由燃气轮机或燃气一蒸汽联合循环1996年最大负荷还不到4500MW,今年已达到了装置构成的热电厂供热。这种热电联产装置在满足6500MW,到2005年预测会达到9000MW。同时,电采暖供热的同时,发电效率可高达40%以上,从能力负荷的峰谷差也不断拉大。随着第三产业和居民源利用效率的角度看,燃气热电联产是一种更先进用电的增长,日负荷曲线中峰谷差呈逐年增大趋势,的采暖方式。它以高于最大负荷增长速度2个百分点的速度增、燃气热电联产在采暖应用中面临的困难长,目前最小负荷率(日最小负荷与最大负荷之比从经济角度看,由于燃气热电联产系统投资比已达06,到2005年会降至058。从电力供应侧看分散的小燃气锅炉高,燃料成本又比燃煤热电厂贵,北京供电的基荷主要靠外埠购入,这主要是由于北往往只有在发电上网电价较高的条件下,才会体现京以外的山西内蒙煤炭资源丰富,发电成本低廉,同出其相对与燃气锅炉和燃煤热电联产的优势。一方时考虑减轻首都污染等原因。一般来说,为了电网面,北京市的几个燃气热电联产工程的可行性论证安全经济运行,电力调峰平衡原则是“就地平衡”。中上网电价均在0.45元以上。另一方面,由于北京实际上,北京供电中的外埠受电部分还是具有一定目前电网并不缺电,又可从内蒙、山西等地电网调入调峰能力的。尽管如此,在电网负荷中心,即市区及大量价格为0.28元/kWh的用电。因此,燃气热电近郊,也需要设置若干相当容量的调峰电厂。据有厂每上网一度电,就要多付出至少0.17元。燃气热关文献分析,2005年以前,京津唐电网需要这种调电厂以如此高的电价上网是否可以接收,下面简单峰电厂的容量至少1,000~1,500MW。从调峰能力地算一个帐就会一目了然。对于燃气一蒸汽联合循和环保角度,这些调峰电厂的形式,一种是燃气轮机环热电厂,每供1kWh的采暖热量,要发1.2kWh的电厂,一种是抽水蓄能电站。这样,北京电网合理平电,就相应地多承受0.2元以上的代价。如果单位平衡方式是,外埠受电承担北京主要的基荷用电,并具米建筑采暖的热电厂耗热量为0.45CJ,相当于有一定的调峰能力,在北京市及近郊建设一定容量125kWh的热量。于是,这种热电厂每供热1m2,北京的燃气轮机电厂并配合以抽水蓄能电站来参与电力有关方面要倒贴约125×0.2=25元这已经与燃气调峰。据有关文献分析,一个8:00~21:00运行,其锅炉采暖的成本相当。这就意味着,为建这种热电它时间停运的两班制燃气一蒸汽联合循环调峰电厂厂所倒贴的钱足以建一套相同规模的燃气锅炉采暖的发电成本高达0.67元/kWho系统并无偿供暖。既然这样,建热电厂有何意义?显既然这样,如果一个燃气电厂即能起到上述电然,这种燃气热电联产的实施没有经济基础。即便力调峰作用,又能利用发电时所产生的余热向市区从广义上讲,它相对于纯凝汽发电和锅炉供热来讲供热,则这种热电厂即是调峰电厂又是热电厂,必然节能并减小了对整个大区域的环境污染。但是,对具有强大的生命力。因为它在发电方面起的作用是于环保要求越来越高的北京市区,与天然气锅炉相调峰,而上网电价可以低于调峰电价。它所供的热比,却增加了污染物的排放量。从另一角度看,由于是经发电利用后的低品位热,它的热价可显著低于我国能源利用水平还很低,只要有资金,可改善环境燃气锅炉的热价。在环保方面,与产出同样热量和的工程项目还是相当多的。对于一个100MW的北电量的燃气锅炉和调峰燃气电厂相比,它消耗的一京燃气热电联产系统,如果采暖季运行小时数为次能源,即天然气明显减少,有害气体排放量也将大3000,则电力部门每年要为该系统的电上网多付出幅度减少。因此,这种以调峰方式运行的热电厂对100MW×300h×k0.17元/kWh,即五千万元之多。国家,对电力部门,对热用户均有利,必然是一种可如果拿这些资金投入环保项目,对环境污染的改善以市场化的先进采暖方式。程度会明显优于这种燃气热电联产所带来的环境效四、实现燃机热电厂电力调峰运行的途径益如何使一个燃气轮机电厂既作为热电厂来承担那么,以天然气为燃料的热电联产采暖供热方采暖负荷,同时又起到调峰电厂的作用呢?实现燃气式就一定不可取呢轮机热电厂以电力调峰方式运行的关键是,如何处专家建议理电网负荷和供热负荷之间相互耦合的问题。例需的汽轮机抽汽参数低,有利于热电厂的经济运行。如,对于采暖用户来讲,全天需要供热,而在电力负3.设置适当容量的燃气锅炉一般热电联产荷低谷期燃气轮机组因停机而无法供热,如何满足系统中的锅炉是在严寒期作为尖峰锅炉使用的。而这段时间供热负荷的要求呢?为此,解决燃气轮机热当热电厂参与电力调峰时,热电联产机组供热量无电厂电力调峰问题可通过以下方式:法满足采暖负荷要求时,则可以投入锅炉补充热1.充分利用房间和建筑物的热惯性在采暖量。例如,在电力负荷低谷时段,燃气轮机组停机时,供热系统的实际运行中,一天中某一时段供热量的燃气锅炉投入使用来满足该时段采暖负荷的要求。改变对室温的影响并不显著。热网实时运行数据表以下结合一个燃气轮机热电联产采暖系统的例明,随着室外温度的下降,热网供热量并不立刻随之子对上述电力调峰方式运行加以分析。升高,外温升高时供热量也不立刻随之下降。这说如图1所示,一个燃气热电厂主要由燃气轮供明,热网和采暖建筑物具有很大的热惯性。热惯性热杋组、燃气锅炉和蓄热罐组成。燃气轮机组的形大小与热网规模和采暖用户建筑结构有关。因此,式为燃气一蒸汽联合循环。最大抽汽工况下发电和利用这种热惯性,通过动态方法获得采暖建筑物室供热容量均为100MW。燃气锅炉的容量为60W温与热网供热量、外温之间的关系,则可以在不影响(80/h)。用户采暖效果的前提下,改变一天之中不同时段的热网供热量,从而使热电厂参与电力调峰成为可能供电2.增设蓄热装置当采暖负荷的变化与电力燃气轮负荷不一致时,要实现更好的调峰目的,更彻底的方机组法是增设蓄能装置。在电力负荷高峰时段,燃气轮机组除了满足采暖负荷外,向蓄热器蓄热。在电力供热燃气锅炉负荷低谷期,燃气轮机组停运,这时的采暖负荷可由蓄热装置放热来承担。这样,通过改变蓄热装置热图1以调峰方式运行的燃气热电联产示意图量的蓄放量来调整供热机组工况,从而改变机组不蓄热形式为分层水蓄热。蓄热罐容积为8000m3同时间的发电量,最终实现电力调峰优化运行。取蓄热效率为85%,蓄热温差为40℃(55℃蓄热按蓄存介质的不同有直接蓄存和间接蓄95℃),则蓄热容量可达1400J。本例所取的蓄热罐存。间接蓄存采用某种中间介质作为蓄存介质来蓄容量仅是为了说明问题。实际上,在热网和建筑物热。这种蓄热方式的蓄热温度较高,如岩和油组成热惯性大的热力系统中蓄热器的容量还可更小,甚的蓄存介质蓄热温度达304℃,而用一种熔化的硝至不设置蓄热器。酸盐作为蓄热介质蓄热温度可达566℃,但间接储这个热电厂拟承担面积为200×10m2的用户存方式的投资大而采暖所用热量温度相对较低故采暖,采暖负荷的延时曲线如图2所示。热电厂采取不宜釆取这种蓄热方式。直接蓄热可将待蓄存的热两班制调峰运行方式。根据北京电力负荷日分布情水或蒸汽直接储存在蓄热容器内。直接蓄热又可分况,从晚22:00至第二天早7:00的夜间共10个h为无压蓄热力有压蓄热。无压蓄热方式最高蓄热温是电力负荷低谷期,燃气轮发电机组停运。其它时度可达95℃,且投资低。有压蓄热方式是将蒸汽或间,即从早8:00至晚21:00共14个h认为是电力高温热水直接存蓄在球状或圆柱形压力容器内,蓄负荷高峰期,燃气轮机组满负荷发电运行。停运的热温度最高可达200℃。但有压蓄热方式投资大,相这段时间的供热由蓄热罐放热和锅炉出力完成。根当于无压方式的2~5倍。据蓄热罐的蓄热容量可知,在这10个h连续放热能在无压直接蓄热中,水蓄热是将热水直接蓄存于力可达3MW针对燃气锅炉运行工况的特点整个蓄热容器的显热蓄热方式。主要有分层式蓄热和隔膜采暖季热电厂的运行可以简化为三种情况描述。法蓄热等型式。由于以显热蓄热,这种蓄热装置占用第一种情况是在严寒期,由于这是采暖负荷最空间较大但当蓄热量大时,水蓄热相对经济适用于大的一段时期,在电力负荷低谷的燃气轮机组停运区域供热。同时,由于蓄热温度要求不高于10℃,所时段燃气锅炉满负荷运行。在电力高峰时段,燃气专家建议运行工况如图3b所示,纵坐标正值为蓄热,负值为放热,即在电力高峰期蓄热,低谷期放热。第二种情况是,随着采暖负荷的降低,燃气锅炉只在电力负荷低谷的夜间运行,而在电力负荷高工况1工况2工况3峰时段燃气轮机组仍满负荷供热。在图4的采暖负荷下,如果要保持一天中均匀供热,则蓄热罐的蓄时间h)热能力已达不到了(见图4b)。因此,可利用供热系图2采暖负荷延时曲线及相应的热电厂三个典型工况分布统的热惯性,适当改变一天中的供热量,而不影响采暖效果。轮机组满负荷供热,同时燃气锅炉也要投入使用以第三种情况是,在采暖负荷更小的初末寒期,满足采暖负荷的要求,如图3a)所示。电力峰谷期之燃气锅炉停止使用,全天供热均由燃气轮机组在电间供热量差别较大,可以靠热网、采暖建筑热惯性力负荷高峰期提供,见图5。由图5b可知,在图5的以及蓄热罐对热量的蓄放来保证釆暖效果。如果只釆暖负荷下,要保持一天中均匀供热,显然蓄热罐利用蓄热罐来实现热网一天中均匀供热,则蓄热罐的蓄放能力也不够,需要利用热网和建筑物的热惯燃气轮机组E燃气锅炉—热负荷40据2011131517192113579l1131517192123时间(h)a)燃气轮机组和锅炉供热出力时间(hb)蓄热饿热工况图3严寒期热电厂典型运行工况(工况1)性,采取一天中的非均匀供热。节能和环保对于上述举例中一个采暖期三种工况在整个采暖期的分布情况反映在负荷热电厂的发电量和供热量,如果采用热电分产,则需延时曲线图2上。燃气轮机组的供热量和燃气锅炉要分别耗天然气3.90×107Nm3和2.74×107Nm3热供热量的分布见图6。整个采暖期燃气轮机组供热电联产比热电分产节约天然气1.12×107Nm3,即采量和燃气锅炉供热量之间的比例为3:1。用燃气热电厂供热比燃气锅炉供热节约天然气经计算,整个采暖季上述热电厂采暖供热量41%,热电联产比热电分产节能17%。8.63×10GJ,其中燃气轮机组供热6.49×10°CJ,燃天然气是清洁燃料,相对于燃煤来讲,天然气采气锅炉供热2.14×105CJ。如果燃气一蒸汽联合循环暖污染物的排放量已降低到很低的程度。采取燃气装置在最大供热工况下的发电效率为40%,能源利热电联产供热相对于建在北京市及近郊的调峰电厂用效率为82%,凝汽工况下发电效率为50%,燃气发电和燃气锅炉供热节能,这也就意味着污染物排锅炉效率为90%(考虑管道损失),则整个采暖季发放量的减少。当然,由于调峰电厂可以建在郊区,热电量1.89×10kWh,热电厂热耗为1.93×10°GJ,电联产相对于热电分产对北京市区上空的污染物排折合天然气5.52×10Nm3(取1Nm3天然气热值为放量是增加了。但是,天然气的SO2和悬浮颗粒的排0.035GJ)。整个采暖季全厂能源利用效率为放量极少,而主要排放物NOx对环境的影响也远低80.5%,热电比为1.27。于环保标准。这种燃气热电联产所带来的节能和经五、效益分析济效益远超过对环境所产生的影响。将燃气热电厂供热方案与热电分产方案,即以2.经济性从初投资方面看,燃气热电联产明燃气锅炉供热和以纯燃气由厂调峰发电作比较。显比热电分产方案投资低,主要原因是热电厂增加专家建议燃气轮机织燃气锅炉热负荷热m热惯性08043sn13517192113579111315171921时间(h)a)燃气轮机组和锅炉供热出力时(hb)箐热罈热工况图4一般釆暖期热电厂典型运行工况(工况2)B热罐■热惯性10018燃气轮机组—热负荷2413579113151719211357911131517192123B)燃气轮机和锅炉供热出力b)豁热罐热工况图5初末寒期热电厂典型运行工况(工况3)因而运行成本会高于常规热电厂。但它在发电方面■燃气锅炉洪热所起的作用是调峰,而上述问题同样存在于调峰电厂。因此,与调峰电厂相比,上述问题并不会影响以调峰方式运行的燃气热电厂的经济性。如果北京在未来的几年内共建设容量1000WM的电力调峰燃气热电厂,则每个采暖季可节约天然气量1.12亿Nm3,在经济上,仅燃料一项就每年节图6燃气轮机组和燃气锅炉两种供热量分布省运行费1.57亿元六、结论的供热系统投资比单独建设供热厂的投资要低的燃气轮机电厂由于启停方便灵活而通常用于电多。虽然联产系统要增加蓄热罐,但相对于上述投力调峰,以天然气为燃料的燃气轮机热电厂同样也资,其所占的份额很小(一般低于1000元/m3)。在可利用这一特点,以电力调峰方式运行。本文提出运行费方面,由于热电联产的能耗明显低于热电分了这种采暖运行方式,并得出以下结论产,因而造成运行成本也会明显降低。在上例中,对1.由于天然气燃料昂贵和北京外埠购电的低于一个200万m2采暖面积的燃气热电联产系统,仅廉,燃气锅炉和常规燃气热电联产运行方式经济性能耗费每采暖季就相对于热电分产节省1.57×10差。元(取天然气价格为14元/Nm3)。总之,由于无论2.提出燃气热电联产系统电力调峰的采暖运在初投资方面还是在运行费方面,这种热电联产电行方式,该方式可通过利用热网和建筑物热惯性、增力调峰运行方式的经济性均好于热电分产,这会最设蓄热罐和适当容量的燃气锅炉等方式实现。终使得其调峰电价比一般的燃气调峰电厂低,而供3.以电力调峰方式运行的燃气热电厂节能、环热价也会低于燃气锅炉。因此,以电力调峰方式运保、经济性好,值得推广。行的燃气热电联产比调峰电厂和燃气锅炉具有更强燃气热电厂在非采暖季可根据电网的要求,和的市场竞争力。其他调峰电厂一样,参与电力调峰。尤其在夏季,在当然,两班制调峰运行,会导致与常规热电机组条件允许的情况下,除满足调峰要求外,还可承担供相比,启停费用的增加。同时,也使热电机组供热份冷负荷,形成热电冷三联供的电力调峰运行方式额降低和发电量减少,尖峰锅炉的供热份额增加。(参考文献略)