上海燃气浦东销售有限公司金敏琴
摘要：燃气热电(冷)联产是合理、有效利用天然气资源的手段、解决能源紧缺的良方之一，适用于民用、商业、工业等各种领域。虽然一次投资较高，但是经济效益好、能较快地收回投资；社会效益好，有利于环保。文章用实例分析来说明热电联产的前景与其巨大潜力。 关键词：燃气 热电联产 能源
近年来我国用电缺口愈来愈大，北京、上海等各大城市频频刷新用电记录。2004 年上半年，全国有24 个省级电网拉闸限电，夏季全国电力供需缺口在3 000 万kW 以上。此时，大力发展传统电厂既非合理利用能源的正确之举，同时兴建电厂投资大、建设周期长，也解决不了燃眉之急。现在“西气东输”工程已全线贯通，我国的能源结构随之变化。结合发达国家的经验，推广小型燃气热电(冷)联产是解决能源紧缺的良方之一。
小型燃气热电(冷)联产的定义及主要方式
任何一个企业或家庭，对于能源的需求都是多样的，需要电力、采暖热力、空调制冷、生活热水、炊事燃气等等。这些需求在传统工业社会中是通过明确的社会分工，由各个专业企业分别加以解决。但是最大的问题是能源利用效率低、设备使用效率低，从而带来资源和资金的浪费，以及环境污染的加剧等。世界各国的能源环境专家普遍认为：应将需求供应整合优化，实现能源的温度对口梯级利用，就近供能减少中间环节损耗，这将是解决问题的最佳手段，即：用一个单独的装置，先将一次能源天然气发电，将发电后的余热用于采暖或制冷，以实现对一个企业或家庭的能源供应，这就是小型燃气热电(冷)联产。图1 为其工作示意图。
小型燃气热电(冷)联产的主要方式为燃气轮机和燃气内燃机热电(冷)联产，因其技术成熟，在世界各地有着广泛应用。其他方式有燃气外燃机和燃料电池热电(冷)联产。
市电网
电力用户负载
天然气 燃气轮机发电机 (内燃机) 余热锅炉蒸汽
换热器热水
图1 热电联产机组工作示意
燃气轮机是以燃气为工质，经压缩、加热后在透平中膨胀，将部分热能转换为机械能的旋转式动力机械。燃气轮机一般由压气机、燃烧室、透平、控制系统及必要的辅助设备组成。小型热电联产适用的燃气轮机分为300~20 000 kW 的小型燃气轮机和300 kW 以下的微型燃气轮机。
燃气内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴，驱动发电机发电。最早由美国卡特彼勒公司于1943 年开发生产，是一种传统技术，可选择的机组容量范围大，从几十千瓦到近万千瓦。全世界生产燃气内燃机产品的公司很多，我国也有多家企业可以生产。
3 小型燃气热电(冷)联产的适用性及经济效益
小型燃气热电(冷)联产系统适用于各种民用、商业、工业项目，甚至农业项目：1) 楼宇热电冷：将燃气轮机或燃气内燃机与溴化锂空调联合循环，对楼宇供电、供热、供冷、供卫生热水等；2) 余热直接利用：将热电(冷)联产机组的高温烟气直接用于陶瓷、石膏板、造纸等产品的烘干；3) 直接利用微型燃气轮机参与工艺流程：在食品加工、医药、精细化工等生产工艺中，利用燃机余热和电力就近参加工艺流程；4) 为工厂化农业提供能量：有足够的CO2 和少量肥料，植物就可以茂盛生长。热电(冷) 联产机组可以将烟气中的低温热量、水蒸气、少量NOX 和CO2 注入大棚，支持无害蔬菜、水果和花卉等农产品的生产。
小型燃气热电(冷)联产系统一次性设备投入较大，但由于即使不采用燃气轮机或内燃机，也要投资建设采暖、制冷和热水系统。实际上，真正增加的支出只是燃气轮机或内燃机部分，设备回收周期一般为3~5 a ，而使用周期长达20~30 a 之久，其投资效益极为明显。同时在项目建设中，采用热电(冷) 联产技术，可以减少一路供电投资，包括电力线路排管施工费用和电力增容费。当设备投入使用后，由于其就近供能减少中间环节损耗，能源利用效率高，采用热电(冷)联产技术的能源支出比采用其他技术方式的经济。
表1 为上海地区50 000 m2 级商业建筑几种能源解决方式的能源支出比较。
表1 上海地区商业建筑各种能源解决方式的能源支出比较*
购电
项目 小燃机热电冷
燃气锅炉电空调 直燃机
总发电功率/kW 1 200
供电量/kW 1 170 -1 170 -1 170
预计年设备发电小时/h 5 628 5 628 5 628
年发电购电量/kWh 6 584 760 -6 584 760 -6 584 760
平均电价/元·(kWh)-1 0.72 0.72 0.72
年发购电收入支出/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
预计年设备供热小时/h 1 260 1 260 1 260
年供热量/ kWh 2 832 480 2 832 480 2 832 480
热价/元·(kWh)-1 0.2550 0.2550 0.2550
供热收入 /元·a-1 722 211.32 722 211.32 722 211.32
总制冷功率/kW 2 871 2 871 2 871
预计设备制冷小时/h 4 368 4 368 4 368
年制冷量/kWh 12 540 528 12 540 528 12 540 528
冷价/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
天然气总耗量/m3·h-1 501.03 272.94 272.94
天然气价格/ 元m-3 2.1 2.1 2.1
年耗气量/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
小时运行费用/元·h-1 46.8 23.4 23.4
年运行费用/元·a-1 -263 390 -131 695 -131 695
总支出/元·a-1 -6 184 993 -8 604 660 -8 098 600
节约支出/元·a-1 2 419 667 0 506 061
*摘自中国能源网《50 000 平方米级建筑分布式热电冷联产综合技术解决方案》
4 案例分析 区的天然气大用户。目前该公司的动力设施：1) 总用电负荷为16 000~17 000 kWh ，分二路10 000 V
4.1 工程概况进线，按三部制电价收费；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东地2 台，4 000 L/h 3 台，使用燃气锅炉产热对进料(湿
浆)加以干燥。该公司现已满负荷生产，计划扩大规模，扩展规模(二期)与当前规模(一期)相当，但因上海用电日趋紧张，用电计划未获供电局批准，因此扩展项目无法实施。上海燃气浦东销售有限公司建议该公司对一期项目进行技术改造，采用热电联产技术，获得富余电力后即可按计划实施二期项目。当然，对二期项目亦建议其采用热电联产技术。
2 基本数据拟对2 台10 000 L/h 干燥塔使用热电联产技术。
4.2.1 干燥塔的数据
现耗用天然气约1 280 m3/h；进出料25 t/h，每吨料需要热量为1 591~1 675 MJ，则满足工艺要求所需热量25×1 633 000÷3 600=11 339 kWh ；干燥塔每年生产350 d，按二天换一次料，每次需4 h 左右。
3 天然气价格
燃气锅炉每月天然气耗量180 万m3 以下为2.05 元/m3，超过180 万m3 部分为1.97 元/m3，则天然气价格按2.0 元/m3 计算。热电联产每月天然气耗量8 万m3 以上为1.9 元/m3。
4.2.3 电力价格
峰电为0.935 元/kWh ，平电为0.548 元/kWh， 谷电为0.252 元/kWh，则平均电价为：
0.935×6 +0.548×10 +0.252×8
24 =0.546 1 元/kWh。
4.3 装机方案
根据“以热定电”、“不足电力从电网补充，不足热量补燃解决”和“电力并网不上网”的设计原则，建议选用2 套5 000 kW 级燃气轮机热电联产设备。国内使用最多的小型燃气轮机是索拉(Solar) 透平公司的产品，该机组双燃料系统为标准装备，可自动进行油气切换以应付紧急状况，所以小型燃气轮机选用Solar 金牛座60 机组。
机组数据如下：
天然气耗量/m3h-1 1 816
热量/kWh 17 952
发电量/kWh 5 069
发电效率/% 28.24
余热/kWh 10 247
热效率/% 57.08
烟气温度/℃ 514
从上述数据可以获悉Solar 金牛座60 机组的余热满足10 000 L/h 干燥塔的热量略嫌不够，同时考虑湿浆进料的不均匀性，建议采用补燃方式增加热量，补燃量为原燃气锅炉耗气量的10%，即128 m3/h 天然气。
4.4 经济效益分析
目前一台10 000 L/h 干燥塔每年耗用天然气：1 280 m3/h×7 700 h =9 856 000 m3 9 856 000 m3×2.0 元/ m3 =1 971.2 万元
改用热电联产机组后：每年耗用天然气：(1 816+128)m3/h×(24×350)h =16 329 600 m3 每年支出天然气费用：16 329 600 m3×1.9 元/ m3 =3 102.62 万元每年得到电力：5 069 kW×(24×350) h =42 579 600 kWh 每年收入电力费用：42 579 600 kWh ×0.546 1 元/kWh =2 325.27 万元采用热电联产技术后每年可减少能源支出：1971.2－(3 102.62－2 325.27)=1 193.85 万元考虑设备维修费用和润滑油费用：维修费用，按经验测算为50 万元/年每年润滑油费用：
0.5L/h×(24×350) h×16 元/ L =6.72 万元则采用热电联产技术后每年净节省费用：1193.85－50－6.72 =1 137.13 万元
热电联产机组总投资费用约3 000 万元，则投资回收期为2.6 年。
4.5 电力接入
Solar 燃气轮机可与电网同步供电，通过一个安装在线路上的探测器自动跟踪电网送电的频率、象限周波，通过控制计算机调节发电机的频率，并通过控制燃气供应量调节功率输出，可以确保电力不反送上网，保证用户电网和公共电网的安全运行。
4.6 政策优惠
上海市政府鼓励发展小型燃气热电(冷)联产系统，根据沪府办(2004)52 号文，小型燃气热电(冷) 联产系统可享受700 元/kW 装机容量的政府补贴，并对其进口自用设备(除国家规定不能免税的设备外)经批准可予免征关税和进口环节增值税。因此，该项目可进一步降低一次性设备投资。
5 推广小型燃气热电(冷)联产的巨大潜力
我国正以日新月异的变化引来全世界的注目，北京、上海正在筹办2008 年的奥运会和2010 年的世博会，更是令人瞩目。保持适度的、稳定的国民经济增长和良好的环境质量是维护和提升城市形象的关键所在。小型燃气热电(冷)联产的特性对上述两者有积极意义。
我国电力供应日趋紧张，错避峰用电措施给正常的生产经营活动带来不便。若电力紧张持续下去，还可能影响投资环境，扰乱正常的生产秩序，直接影响国民经济。为此，政府正积极采取措施，出台了《关于发展热电联产的规定》，以此推动热电联产事业的发展，支持小型燃气热电(冷)联产系统用于厂矿企业，写字楼、宾馆、商场、医院、银行、学校等较分散的公用建筑。小型燃气热电(冷)联产系统不仅可采暖、制冷，而且可直接供电，对缓解电力紧张问题更为直接，有利于电力供应安全可靠。同时，它既可以填补夏季天然气利用的低谷，也可以有效地避免夏季电力高峰的出现，起到优化能源结构的效果，为国民经济的增长打下坚实的基础。
天然气是一种清洁能源，燃烧时不产生硫氧化物(SOx) ，而产生的NOX 为燃煤的20%~40%，CO2 为燃煤的60%。小型燃气热电(冷)联产机组使用燃气内燃机时，由于采用贫氧燃烧，NOX 排放浓度较低；使用燃气轮机时，由于采用低氮燃烧技术或喷水或喷蒸汽技术，NOX 排放浓度可以控制在25 ×10-6，大大降低其单位浓度。
若进一步利用燃气热电(冷)联产机组排放的CO2、水蒸汽、少量NOX 和余热，促进植物的生长，就可达到零排放和全能量利用的效果。CO2 的排放量减少，可减小温室效应，缓解全球变暖趋势，是人类的一大福音。因此，采用小型燃气热电(冷)联产技术可减少大气污染，对环境保护大有裨益。
6 结语
综上所述，小型燃气热电(冷)联产是合理、高效利用天然气资源的最佳手段，不仅自身经济效益好，而且其引发的社会效益对北京、上海这样的大城市更为显著，因此笔者认为现阶段在城市推广小型燃气热电(冷)联产不仅科学合理，而且十分必要，其市场前景是广阔的。
