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天燃氣在城市供暖中的應(yīng)用
【摘要】闡述了燃氣鍋爐、燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)和燃氣熱泵等天然氣供暖應(yīng)用方式、技術(shù)特點及目前發(fā)展情況，進而以一次能源消耗和經(jīng)濟性為指標，分析比較了這些形式的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。
【關(guān)鍵詞】天然氣；能耗；經(jīng)濟性
我國天然氣開發(fā)和建筑的快速進展，使得東部城市大量抗議使用天然氣的條件逐漸成熟，天然氣在大城市，尤其是在供暖空調(diào)領(lǐng)域的廣泛利用的春天已經(jīng)到來。
1. 天然氣在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用形式
1.1燃氣鍋爐。
對于燃氣鍋爐，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量直接用于供暖，是最簡單的一種供熱方式。從規(guī)模一來看，這種供暖方式包括用于一家一戶的家用燃氣爐，一幢樓或一個小區(qū)的小型燃氣鍋爐以及用于大片面積供熱的區(qū)域性燃氣鍋爐。
1.1.1家用燃氣爐，這是目前應(yīng)用較為廣泛的一種天然氣供暖方式，通常設(shè)置于廚房或陽臺，配有先進的電子點火控制、安全保護和溫度調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，操作簡單，調(diào)節(jié)靈活，還能同時滿足生活熱水需求。但是，由于是分散燃燒，會影響社區(qū)的空氣品質(zhì)，同時也存在燃氣泄漏、燃燒故障甚至發(fā)生爆炸等安全性問題。
1.1.2小型燃氣鍋爐實際上是一種規(guī)模較小的燃氣集中供熱系統(tǒng)，在用戶附近設(shè)置統(tǒng)一的燃氣鍋爐，向各用戶房間提供供暖熱水。這種供暖系統(tǒng)一般用于一幢商業(yè)建筑或辦公樓。由于將用戶熱源集中為一個，便于管理，提高了安全性，對用戶空氣的污染問題也相應(yīng)減輕。但需要增設(shè)鍋爐房和管網(wǎng)。
1.1.3區(qū)域燃氣鍋爐的規(guī)模更大，它需要通過熱網(wǎng)向大面積的用戶供熱。由于熱源更為集中，供熱系統(tǒng)運行工況更加穩(wěn)定，鍋爐運行效率更高，同時大型鍋爐更有條件采用先進的低氮燃燒技術(shù)，環(huán)境污染更小，在一些已有的“煤改氣”區(qū)域供熱系統(tǒng)中可根據(jù)具體情況慎重應(yīng)用。但是，由于熱網(wǎng)投資大，熱水管網(wǎng)輸送能耗和熱損失高，這種燃氣供暖方式不宜于在新建區(qū)域供熱系統(tǒng)中推廣。
1.2燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)。
對于純熱力發(fā)電系統(tǒng)，燃料一般只有少部分的能源轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率只有30%左右，而大部分燃料的能量形成余熱排到大氣。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)則在發(fā)電的同時，利用了這部分余熱用以供熱，從而使得熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用效率可以達到80%以上。由于實現(xiàn)了能量的梯級利用，因而是比燃氣鍋爐先進的供暖形式。評價熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率的指標主要有熱電比和發(fā)電效率等。熱電比是指熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)或裝置的供熱量和發(fā)電量之比。
1.2.1鍋爐加供熱汽輪機是我國最常見的熱電聯(lián)產(chǎn)形式。燃料在鍋爐中燃燒后將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽A或背壓排汽用于供熱。這種系統(tǒng)適用于以煤為燃料，技術(shù)已非常成熟，主要設(shè)備也早已國產(chǎn)化。但由于占地大，負荷調(diào)節(jié)能力差，發(fā)電效率低，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般只在煤改氣的熱電聯(lián)產(chǎn)中得以應(yīng)用，而在新建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中很少采用。
1.2.2燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，分為單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)兩種形式。
（1）單循環(huán)的工作原理是：空氣經(jīng)壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000°C以上、壓力在1.0～1.6MPa的范圍內(nèi)進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并拖動發(fā)電機發(fā)電。從燃氣輪機排出的煙氣溫度一般為450～600°C，通過余熱鍋爐將熱量回收用于供熱。大型的燃氣輪機效率可達30%以上，熱和電輸出的總效率一般能夠保持在80%以上。當(dāng)機組負荷低于50%時，熱效率下降顯著。燃氣輪機組啟停調(diào)節(jié)靈活（平時啟動時間約為10～15min，快速啟動為6min左右），因而對于變動幅度較大的負荷較適應(yīng)。目前工業(yè)燃氣輪機的生產(chǎn)基本上來自西方國家。
（2）上述單循環(huán)中余熱鍋爐可以產(chǎn)生參數(shù)很高的蒸汽，如果增設(shè)供熱汽輪機，使余熱鍋爐產(chǎn)生的高參數(shù)蒸汽在供熱汽輪機中繼續(xù)做功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工程的發(fā)電效率進一步得到提高，甚至可達到50%以上。
1.2.3另一種燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)形式以往復(fù)式內(nèi)燃機為動力裝置。
（1）當(dāng)規(guī)模較小時，它的發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中往往采用這種內(nèi)燃機形式。但是，由于內(nèi)燃機的潤滑油和氣缸冷卻放同的熱量品位較低（溫度不超過90°C），而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當(dāng)，因而這種供暖形式在供熱溫度要求高的情況下受到了限制。
（2）樓宇式熱電（冷）聯(lián)產(chǎn)是特別適用于商業(yè)建筑的小型高效天然氣供熱系統(tǒng)。所采用的動力裝置均小型化，如小型燃氣輪機、微燃機及小型內(nèi)燃機等。與大型集中供熱（冷）方式的熱電（冷）聯(lián)產(chǎn)相比，樓宇式熱電（冷）聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)省去了外網(wǎng)的投資和相應(yīng)的熱損失。但小型動力裝置單位發(fā)電容量投資偏高。從熱、電、冷3種負荷的動態(tài)平衡出發(fā)，如何優(yōu)化系統(tǒng)配置和運行是決定該系統(tǒng)經(jīng)濟性的關(guān)鍵。
1.2.4燃料電池是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。
（1）它有3個基本構(gòu)件，即燃料（由CH4生成H2）處理裝置，燃料電池基本構(gòu)件和換流裝置（直流轉(zhuǎn)換成交流）。其基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)。燃料（H2或CO等）及氧化劑（O2）在電池的陰極和陽極上借助氧化劑作用，電離成離子；因離子能通過在二極中間的電介質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，當(dāng)電極同外部負載構(gòu)成回路時就可向外供電。給出質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理：天然氣中的氫被分離成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過膜，而電子繞過膜而形成電流；在膜的另一側(cè)，質(zhì)子和電子與氧結(jié)合，生成水，并產(chǎn)生另一副產(chǎn)品——熱量，用于供熱。燃料電池的種類不少，根據(jù)使用的電解質(zhì)不同，有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。
（2）燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運轉(zhuǎn)等優(yōu)點。它的發(fā)電效率可達40%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率也達到80%以上。目前，多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中，已經(jīng)推向市場的產(chǎn)品仍較昂貴（1500美元/KW以上）。但隨著該項技術(shù)商業(yè)化進程的推進，必將在未來燃氣供暖行業(yè)起到越來越重要的作用。目前從事燃料電池研究和開發(fā)的主要有美國、加拿大、日本、德國等國的公司。我國也有大連化物所等多家單位從事燃料電池的研究。 1.3燃氣熱泵。
燃氣熱泵是由燃氣驅(qū)動，利用環(huán)境熱量供熱的裝置。燃氣熱泵供熱量是燃氣熱量與環(huán)境熱量之和，因此它的效率高于燃氣鍋爐。攜帶熱量的環(huán)境介質(zhì)可以是周圍空氣、江河湖海的水，地?zé)嵋约捌渌酂峤橘|(zhì)等。根據(jù)工作原理的不同，可以分為燃氣壓縮式熱泵和燃氣吸收式熱泵兩種。
（1）燃氣壓縮式熱泵的原理，燃氣首先在動力裝置中燃燒并做功，將熱能變成機械能和煙氣余熱。動力裝置可以是燃氣輪機、內(nèi)燃機等。上述機械能推動壓縮式熱泵吸收環(huán)境熱量而產(chǎn)生用于供暖的熱量，同時動力裝置的煙氣余熱經(jīng)過余熱鍋爐變成供暖用熱。這各供暖系統(tǒng)具有很高的供熱效率，可達160%以上。
（2）吸收式熱泵是通過工質(zhì)（如水）的蒸發(fā)和冷凝，以及溶液吸收和再生等傳熱傳質(zhì)過程來工作的。常見的工質(zhì)主要有溴化鋰溶液和氨-水等。對于溴化鋰燃氣熱泵，單效型熱泵供熱效率可達150%～170%，雙效型則可超過200%。
（3）由于技術(shù)條件的局限，在我國北方地區(qū)的嚴寒期因除霜困難和效率低等問題，燃氣熱泵與電動熱泵一樣，直接從環(huán)境空氣吸熱的空氣源熱泵受到限制。但是，利用地?zé)帷⒔雍Ｋ推渌酂岬娜細鉄岜脛t在北方地區(qū)更有推廣價值。
2. 能耗分析
（1）用一次能耗率b作為供暖系統(tǒng)能耗的評價指標，它表示單位供熱量的一次能耗量（即燃料耗量）。對于燃氣鍋爐，一次能耗率bb是供熱效率ηnot（考慮管道損失）的倒數(shù)，即燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)有熱和電兩種不同能的輸出，應(yīng)將電能所耗一次能源扣除，設(shè)常規(guī)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率為ηE（可取為全國平均水平的發(fā)電效率32.5%），則其一次能耗為。如果熱電聯(lián)產(chǎn)總的能源利用效率為ηnot，發(fā)電效率為ηe，則供熱系統(tǒng)的一次能耗率bc為；對于燃氣吸收式熱泵，如果其熱效率為COP，則一次能耗為；對于燃氣壓縮式熱泵，如果動力裝置效率為ηe，燃氣轉(zhuǎn)換成機械能和余熱鍋爐回收熱量的效率為ηnot，壓縮式熱泵熱效率為COP，則燃氣壓縮式熱泵的一次能耗率bp（各效率取值見圖1）。
（2）可以看出，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗率明顯小于其他供暖形式，燃氣熱泵居中，而燃氣鍋爐的能耗最大。燃料電池、聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供暖能耗率為負值，說明這些供暖系統(tǒng)僅發(fā)電所用能耗已經(jīng)低于一般的發(fā)電系統(tǒng)（全國平均發(fā)電能耗）了，因而用于供暖的余熱就更不會耗能了。燃氣壓縮式熱泵由于機械能轉(zhuǎn)換為熱能的較大不可逆損失，以及燃氣吸收式熱泵由于發(fā)生器傳熱的較大不可逆損失，使得燃氣熱泵的一次能耗大于熱電聯(lián)產(chǎn)。而燃氣鍋爐燃燒后煙氣與水（或蒸汽）的傳熱不可逆損失更大，因而導(dǎo)致其能耗又高于燃氣熱泵。所以，僅從能耗合理利用的角度，應(yīng)優(yōu)先推廣熱電聯(lián)產(chǎn)供暖方式，而盡量避免使用燃氣鍋爐。
（3）當(dāng)然，由于燃氣鍋爐，尤其是家用燃氣爐的可調(diào)性好，可以根據(jù)需要隨時啟停和調(diào)節(jié)供熱量，進而減少燃氣耗量，進而在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用最多的集中供熱系統(tǒng)中，在舊的按面積收費管理體制下，由于用戶末端缺乏調(diào)節(jié)手段也會帶來能源的浪費。但是，隨著今后按熱量收費的新供熱體制的推廣，這一弊端會逐步得到克服。
3. 經(jīng)濟性比較
（1）供暖形式的經(jīng)濟性問題比上述能耗總是更為復(fù)雜，它取決于供暖系統(tǒng)自身的經(jīng)濟特性和外界條件兩個方面。就系統(tǒng)自身特性而言，主要包括系統(tǒng)投資、各能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率、設(shè)備使用年限、系統(tǒng)維護費以及人工工資等等，但主要是前三項。一般情況下，系統(tǒng)效率越高，投資也就越大，兩者對經(jīng)濟性的影響正好相反。在外界條件方面，主要影響因素包括能源價格，如天然氣價格、電價等，以及系統(tǒng)承擔(dān)的供暖負荷特性，如最大供暖負荷小時數(shù)。如果作方案比料，可以不考慮熱價，以單位供熱容量折運行成本z，元/KW，作為經(jīng)濟性的評價指標，即系統(tǒng)投資折舊與運行費之和。為使分析總是更加清晰，運行費中主要考慮燃料費用。
對于燃氣鍋爐和燃氣熱泵，單位供熱容量的年運行成本z為：
z=rv+Cfbh其中v為單位供熱容量的系統(tǒng)投資，元/KW；r為折舊率，它為系統(tǒng)使用年限的倒數(shù)；b為系統(tǒng)一次能耗率；h為最大年供熱小時數(shù)；Cf為天然氣價格，元/m3。
對于燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，應(yīng)將發(fā)電收從成本中扣除，于是：，其中系統(tǒng)投資v包括單位供熱容量的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的投資和熱力管網(wǎng)投資；Ce為發(fā)電的電價，元/（KW·h）。
（2）以下對天然氣供熱系統(tǒng)進行簡單的經(jīng)濟分析，其中燃氣鍋爐以家用燃氣爐為例，燃氣熱泵以壓縮式熱泵為例，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)則以單循環(huán)為例。燃氣爐投資取為300元/KW，燃氣熱泵投資取為1400元/KW。燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)投資為3500元/KW，其中熱電聯(lián)產(chǎn)熱源投資為2700元/KW（相當(dāng)于單位KW發(fā)電容量投資為4500元），熱網(wǎng)投資為800元/KW。為簡化起見，折舊年限均為20年。各供暖形式的效率仍取表1的值。于是，可以獲得當(dāng)天然氣價格、電價以及供熱運行小時數(shù)等外界條件變化時，經(jīng)濟性最佳的天然氣供暖方式。
（3）經(jīng)濟性分布是在電價為0.4元/（KW·h）的條件下獲得的�？梢钥闯觯m然燃氣鍋爐的能耗高，燃料費昂貴，但由于投資小，使得相當(dāng)供暖時間短時，是最經(jīng)濟的。在供暖時間較長時，熱泵和熱電聯(lián)產(chǎn)就會體現(xiàn)出運行成本低的優(yōu)勢。由于受廉價的燃煤發(fā)電競爭，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電電價不可能取得過高，在這種情況下，雖然熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗低于熱泵，但當(dāng)天然氣價格較高時，燃氣熱泵的經(jīng)濟性要好于燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)。
（4）天然氣供暖隨電價和天然氣價格變化的經(jīng)濟性分布，其中年供暖小時數(shù)取為2000h�？梢钥闯�，在電價和天然氣價格很低的條件下，以燃氣鍋爐供暖合適。天然氣價格較高而電價較低時，燃氣熱泵最經(jīng)濟。當(dāng)天然氣價格較低而電價較高時，熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟性好。
（5）一般北方地區(qū)供暖時間較長，加之天然氣價格昂貴，只有通過提高能源利用效率的途徑來降低供暖成本，即采用燃氣熱泵和熱電聯(lián)產(chǎn)。燃氣熱泵受氣候條件的影響，水源或地?zé)崛細鉄岜玫氖褂靡矔艿讲煌潭鹊沫h(huán)境限制。因此，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，燃氣熱泵尚不具備大量推廣使用的條件。熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗最低，但是在電價高和使用時間長的條件下才具有經(jīng)濟優(yōu)勢。
（6）在燃氣價格高于1.40元/m3時，只有電價超過0.45元/（KW·h）熱電聯(lián)產(chǎn)才是最經(jīng)濟的。而一般的燃煤電廠的發(fā)電成本不會超過0.30元/（KW·h）。因此，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電上網(wǎng)時，在電力市場中無法與燃煤電廠競爭，怎么辦？一種有效的途徑是利用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)負荷調(diào)節(jié)的靈活性，作為電網(wǎng)的調(diào)峰電廠運行，進而以較高的調(diào)峰電價上網(wǎng)[1]。另一條途徑是發(fā)展樓宇式天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。這樣可減小熱力管網(wǎng)投資，同時發(fā)電自用，代替電網(wǎng)價格較高的電能。例如，北京商業(yè)用電價格為0.60元/（KW·h），天然氣價格為1.80元/m3，在這一價格下，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)是經(jīng)濟的。另外，還可以利用熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱量驅(qū)動吸收式制冷機，用于夏季空調(diào)，形成電熱冷三聯(lián)供，將會增加年供熱時間，提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
4. 結(jié)論
4.1從合理利用能源的角度應(yīng)優(yōu)先推廣天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)的供暖方式，但還需進行技術(shù)經(jīng)濟的綜合比較。
4.2對于供暖時間較短的用戶，可以采用燃氣鍋爐方式供熱。對于投資較大的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，尖峰負荷由于發(fā)生時間短，也可用燃氣鍋爐承擔(dān)。
4.3在我國現(xiàn)有條件下，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的理想途徑是以電力調(diào)峰方式上網(wǎng)運行，并可以發(fā)展樓宇式小型熱電（冷）聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
4.4燃氣熱泵可以在氣候、水源、地?zé)峄蚱渌酂岬葪l件允許的地方加以應(yīng)用。
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