天然氣分布式能源技術在國家會展中心(上海)的應用

林文非

華電平潭投資發展有限公司

1 前言

分布式能源是一種建在用戶端的能源供應方式，可獨立運行，也可并網運行，是以資源、環境效益最大化確定方式和容量的系統，將用戶多種能源需求，以及資源配置狀況進行系統整合優化，是相對于集中供能的分布式供能方式。

天然氣分布式能源是以天然氣為燃料，利用燃氣發電以后產生的煙氣余熱，實現夏季供冷、冬季供熱和一年四季供應生活熱水，通過冷、熱、電三聯供的方式實現能源的梯級利用，在負荷中心就近實現能源供應的一種高效供能方式，能節約大量空調用電，減少或避免能源輸送環節和再次轉換過程的損失，根據當前技術條件，綜合能源利用效率在80%以上，遠遠高于其他利用形式，是高效利用一次能源的重要方式。

天然氣分布式能源技術，核心問題在于能量的綜合梯級利用，即按能量品位的高低，“高能高用，低能低用”，進行梯級利用，實現冷、熱、電三聯供，大幅度提高能源利用率，減少碳排放，改善城市環境，從而得到社會效益、經濟效益、能源利用率和碳排放等多方面都比較滿意的一體化能源利用系統。

國家會展中心(上海)(以下簡稱國展中心)是商務部和上海市政府合作建設的具有國際競爭力的一流會展中心，國展中心總建筑面積為147萬平方米，其中地上建筑面積127萬平方米，地下建筑面積20萬平方米，建筑高度43米。國展中心是一個集展覽館、鉆石交易中心和知識產權交易中心、辦公、酒店和配套商業等組成的綜合體，是目前世界上最大的單體建筑，空調負荷和電負荷等綜合用能集中、用量大，整體規模適合采用集中供能體系。

天然氣分布式能源技術在國展中心的應用能充分體現國展中心“使用經濟高效，運行綠色生態”的設計理念，天然氣分布式能源技術的應用能充分體現低耗節能、集約用地、發展新興能源的國家策略，符合低能耗、低污染、低排放的綠色經濟，實現可持續發展。

2 天然氣分布式能源技術工作原理

國展中心天然氣分布式能源系統是以天然氣為一次能源的分布式冷、熱和電(Combined Cooling Heat and Power)三聯供系統(簡稱CCHP系統)，是以能量的梯級利用為基礎，能同時為國展中心提供冷、熱和電的一種分布式能源系統。

國展中心天然氣CCHP系統的熱動力設備是6套GE顏巴赫JMS 624 GS-N.L型4MW級燃氣內燃發電機組，一對一配置6臺煙氣熱水型溴化鋰機組。調峰設備采用10臺7032kW(2000RT)離心式冷水機組，2臺7MW燃氣熱水鍋爐。蓄能設備采用2座12000m3蓄能罐。基本流程是先將天然氣燃燒產生的1000℃以上高溫燃氣用以驅動內燃機做功、發電，再利用內燃機發電做功后的300～500℃的高溫余熱及內燃機缸套水在夏季用于驅動吸收式溴化鋰制冷機組制冷，對外提供6℃左右的冷水，供國展中心夏季用冷；在冬季則驅動吸收式溴化鋰機組制熱并對外提供65℃的熱水供國展中心供暖，從而實現能源的綜合梯級利用。

燃氣內燃機其工作原理是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。400℃左右的內燃機排氣和100℃左右的汽缸套冷卻水，作為吸收式制冷(熱)機的驅動熱源。內燃機——余熱煙氣型吸收式分布式能源流程如下圖。

內燃機—余熱煙氣型吸收式分布式能源流程圖

國展中心天然氣分布式能源冷、熱、電三聯供系統采用以冷/熱定電、冷/熱電平衡的原則，最大限度利用發電余熱制冷制熱，確保整個供能系統的效率最高，因此，綜合能源利用效率可達到84%左右。

考慮到展館用能負荷特點是用能負荷不穩定且尖峰負荷特別大，能源站設計的原則是以余熱利用系統供能為主，同時通過余熱利用系統結合調峰設備以滿足所有負荷需求。根據以往會展中心的能耗數據和用能設備的運行記錄，計算并繪制出該會展綜合體集中供冷和供熱系統典型設計日運行模式曲線(圖1和圖2)如下。

圖1 供冷系統100%負荷設計日運行模式曲線

圖2 供熱系統100%負荷設計日運行模式曲線

3 國展中心采用分布式供能系統的優勢和不足

國展中心采用天然氣分布式供能系統具有其它供能源系統不可替代的諸多優勢，歸納總結主要有以下幾個方面的優點：

(1)能源利用率高，經濟效益巨大

天然氣分布式能源系統能實現能源的梯級利用，充分利用發電余熱，就地供熱、供電，可減少電力與熱力長距離輸送的損耗，能源綜合利用率在80%以上，超過大型煤電發電機組一倍；同時節約電網、熱力管網輸送環節的投資費用，產生巨大的經濟效益。

本應用除了設備、工藝方面的節能外，更重要的是整個供能系統的節能。因為供能系統建在國展中心的東南角，靠近負荷中心，這樣就地供熱、供電減少了能源長距離輸送中的損耗；同時，還應用了能量梯級利用原理，利用余熱直接向國展中心供應冷、熱空調負荷，減少了能源轉換過程的損失，使能源綜合利用效率大幅度提高。傳統的燃煤火力發電廠，煤燃燒發電的能源利用率全國平均是40%左右，即使是目前世界上運行能耗指標最好的上海外高橋第三發電廠的超超臨界燃煤機組的綜合能源利用率也不超過50%，但國展中心天然氣分布式能源站的能源利用效率可達到84%，比上海國際旅游度假區核心區天然氣分布式能源站年平均能源綜合利用率83.41%略高，也比目前正在運行的全國最大的分布式能源站廣州大學城分布式能源站的能源綜合利用率(78%)高出6%。

(2)大電網的有益補充，提高能源供應安全性

由于能源站建在國展中心旁，有力地彌補了大電網在安全穩定性方面可能存在的不足，有效提高了國展中心的供電安全性。尤其是在電網崩潰或意外災害(地震、暴風雪、嚴重冰凍、戰爭、人為破壞等)情況下，如2008年南方冰雪災害直接經濟損失1516.5億元，大部分是電網癱瘓造成。適度的發展分布式電源可提高地區能源供應安全性。

采用天然氣分布式供能系統的燃氣內燃機可不依靠外部電源直接啟動，并快捷地帶上負荷，因此本系統可以作為應急保安電源繼續為中心或電網供電，大幅提高了國展中心的供電可靠性、供電質量和供電、用電的安全性。

(3)環境保護效益

采用清潔一次性能源的分布式功能系統，可大幅度減少煙塵、二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳等污染物排放。“十二五規劃”預計的天然氣分布式能源裝機5000萬千瓦，相當于可以減少1億千瓦燃煤裝機，相當于減少消耗2億噸煤炭，減排4億噸二氧化碳。

本分布式能源站采用的是天然氣清潔燃料，由于其綜合利用率的提高，實際上也起到了減排的效果，經測算本能源站投入使用后與目前的燃煤電廠平均指標相比每年可節約標煤24257噸，僅此每年可減少碳排放量85447噸，相當于種樹4272350棵，節能和減排的效果十分顯著，從而達到能源的高效利用和減少排放等環保效應。

(4)降低天然氣以及電力調峰壓力，能源優勢互補

天然氣分布式能源項目可成為可中斷、可調節的發電系統，對天然氣和電力具有雙重“削峰填谷”作用。有效地緩解天然氣冬夏季峰谷差，提高夏季燃氣設施的利用效率，增強供氣系統安全性。同時減少電力設備的峰值裝機容量以及天然氣儲氣設施的投資，有效降低電網以及天然氣管網的運行成本。

本供能系統具有削峰填谷的功能優勢，上海夏季多采用電制冷，冬季用燃氣鍋爐供熱，電力及燃氣供應存在很大的季節性峰谷差，采用三聯供分布式能源系統，發電余熱可用于供熱和制冷，既能減小電空調造成的供電高峰，又填補了燃氣供應在夏季的低谷，緩解了各自的峰谷差。國展中心夏天若全部用電空調直接供冷，將增加電網調峰電功率74.6MW，而采用天然氣分布式能源供能則可減少電網調峰電功率74.6MW，同時每天可消耗15.84萬m3的天然氣，有效地緩解了各自的峰谷差。

(5)社會經濟效益

同時考慮分布式能源以上節能、減排、環保、安全以及削峰填谷優化能源結構等諸多優勢，天然氣分布式能源系統能實現低排放，促進循環經濟發展，實現可持續發展。

綜上所述，國展中心采用天然氣分布式供能系統既符合國家鼓勵發展的分布式能源政策，其建設又有利于提高能源效率，降低系統網損，加強地區供電的可靠性等優勢。

由于種種原因，本系統還不是完美的供能系統，分布式能源供能技術的全部優勢沒有全部得到體現，還存在以下幾點需改善的地方。

一是本能源站建在國展中心的東南角處，致使供能管網較長，不但增加了管網的投資，也增加了供能過程的輸送損失，本能源站的最佳位置應該是建在國展中心圓樓的地下室，這樣可大幅降低供能管網的投資和供能輸送過程的不必要的能源損失，提高供能效率。國展中心能源站建在國展中心東南角處雖不是最佳選擇，但已大大優于其他周邊能源站向其供能的方案。

二是由于國家政策所限，本能源站所發電量無法實現就近向國展中心直供電，沒有就地消耗，而是通過升壓后輸送給電網，由電網降壓后再供給相關用戶，增加了電力輸送環節的無謂損失。

4 天然氣分布式能源技術的發展有待解決的問題

由于天然氣分布式能源投資大，天然氣價格高，天然氣分布能源的發展受到很大的制約，要大力發展天然氣分布式能源技術需要解決的問題如下。

一是政策支持。現行的電力體制是阻礙天然氣分布式能源發展的最主要的問題。根據我國電力法規定“一個供電營業區內只設一個供電營業機構”限制了分布式能源項目業主將多余電力就近銷售給其他用戶，分布式發電無法與電力終端用戶直接“見面”，無法充分調動企業和用戶的積極性，阻礙了分布式能源系統的發展。

二是天然氣價格高。缺乏競爭力。我國天然氣資源分布不均，大量的天然氣通過長輸管道從資源地輸送到上海地區，氣價較高，用它作分布式能源裝置的燃料，成本必然會高，在市場上缺乏競爭力。

三是環保成本沒有得到合理的分攤。雖然以煤為燃料的供能企業自身燃料成本低，生產經營競爭力相對較強，但帶來的環境問題使國家和普通百姓無形之中被動地分擔了大量的社會成本，國家每年亦需花費大量的投資用于改善大氣質量。而分布式能源技術能源利用效率的提高(是普通燃煤電廠的兩倍多)及輸送環節的成本節約，可以部分彌補因燃料成本高所帶來的效益損失，但它的節能環保成本沒有得到合理的分攤，制約了它的發展。

四是稅收支持。天然氣分布式能源項目總體經營成本高，應給予天然氣分布式能源項目合理的稅收優惠，并允許其縮短資產的折舊年限。

5 小結

天然氣分布式能源技術已成為世界能源技術的發展潮流，符合事物發展的客觀規律，當前我國經濟快速發展，但發展過程中遇到的環保、電力緊缺及負荷峰谷差大的問題日益突出。在這種情況下，天然氣分布式能源技術必將發揮積極作用。

國家會展中心(上海)使用天然氣分布式能源系統發電、制冷(空調)、供熱(采暖加熱水)，由于一次能源利用率的提高，必然大量減少溫室氣體和其他污染氣體的排放，既保護環境，又提供了好的生態環境，利國利民。

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