天然氣城市供暖管理論文

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摘要闡述了燃氣鍋爐、燃氣熱電聯產和燃氣熱泵等天然氣供暖應用方式、技術特點及目前發展情況，進而以一次能源消耗和經濟性為指標，分析比較了這些形式的優缺點和應用場合。

關鍵詞天然氣，能耗，經濟性

AbstractExpoundstheapplications,technicalfeaturesandcurrentsituationofgas-firedboiler,gascogenerationandgas-drivenheatpumps,andcomparestheiradvantagesanddisadvantagesandapplicabilitywithprimaryenergyconsumptionrateandeconomicsasevaluationindices.

Keywordsnaturalgas,heating,energyconsumption,economics

我國天然氣開發和建筑的快速進展，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，尤其是在供暖空調領域的廣泛利用的春天已經到來。

1天然氣在供暖領域的應用形式

天然氣在供暖領域應用的主要形式如圖1所示。

圖1各種燃氣供暖形式

1．1燃氣鍋爐

對于燃氣鍋爐，天然氣燃燒產生的熱量直接用于供暖，是最簡單的一種供熱方式。從規模一來看，這種供暖方式包括用于一家一戶的家用燃氣爐，一幢樓或一個小區的小型燃氣鍋爐以及用于大片面積供熱的區域性燃氣鍋爐。

1．1．1家用燃氣爐，這是目前應用較為廣泛的一種天然氣供暖方式，通常設置于廚房或陽臺，配有先進的電子點火控制、安全保護和溫度調節等系統，操作簡單，調節靈活，還能同時滿足生活熱水需求。但是，由于是分散燃燒，會影響社區的空氣品質，同時也存在燃氣泄漏、燃燒故障甚至發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模較小的燃氣集中供熱系統，在用戶附近設置統一的燃氣鍋爐，向各用戶房間提供供暖熱水。這種供暖系統一般用于一幢商業建筑或辦公樓。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減輕。但需要增設鍋爐房和管網。

1．1．3區域燃氣鍋爐的規模更大，它需要通過熱網向大面積的用戶供熱。由于熱源更為集中，供熱系統運行工況更加穩定，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，環境污染更小，在一些已有的"煤改氣"區域供熱系統中可根據具體情況慎重應用。但是，由于熱網投資大，熱水管網輸送能耗和熱損失高，這種燃氣供暖方式不宜于在新建區域供熱系統中推廣。

1．2燃氣熱電聯產

對于純熱力發電系統，燃料一般只有少部分的能源轉化為電能，發電效率只有30%左右，而大部分燃料的能量形成余熱排到大氣。熱電聯產系統則在發電的同時，利用了這部分余熱用以供熱，從而使得熱電聯產的能源利用效率可以達到80%以上。由于實現了能量的梯級利用，因而是比燃氣鍋爐先進的供暖形式。評價熱電聯產系統能源利用效率的指標主要有熱電比和發電效率等。熱電比是指熱電聯產系統或裝置的供熱量和發電量之比。

1．2．1鍋爐加供熱汽輪機是我國最常見的熱電聯產形式。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電機組發電，做功后的低品位的汽輪機抽汽（圖2a）A或背壓排汽（圖2b）用于供熱。這種系統適用于以煤為燃料，技術已非常成熟，主要設備也早已國產化。但由于占地大，負荷調節能力差，發電效率低，燃氣熱電聯產系統一般只在煤改氣的熱電聯產中得以應用，而在新建熱電聯產系統中很少采用。

圖2鍋爐+供熱汽輪機形式的熱電聯系統

1．2．2燃氣輪機熱電聯產系統如圖3所示，分為單循環和聯合循環兩種形式。單循環的工作原理是：空氣經壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000℃以上、壓力在1.0～1.6MPa的范圍內進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉變為機械能，并拖動發電機發電。從燃氣輪機排出的煙氣溫度一般為450～600℃，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。當機組負荷低于50%時，熱效率下降顯著。燃氣輪機組啟停調節靈活（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。目前工業燃氣輪機的生產基本上來自西方國家。

圖3燃氣輪機熱電聯產系統簡圖

上述單循環中余熱鍋爐可以產生參數很高的蒸汽，如果增設供熱汽輪機，使余熱鍋爐產生的高參數蒸汽在供熱汽輪機中繼續做功發電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣-蒸汽聯合循環系統（如圖3b）。這種系統工程的發電效率進一步得到提高，甚至可達到50%以上。

1．2．3另一種燃氣熱電聯產形式以往復式內燃機為動力裝置。當規模較小時，它的發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產系統中往往采用這種內燃機形式。但是，由于內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℃），而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當，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。

樓宇式熱電（冷）聯產是特別適用于商業建筑的小型高效天然氣供熱系統。所采用的動力裝置均小型化，如小型燃氣輪機、微燃機及小型內燃機等。與大型集中供熱（冷）方式的熱電（冷）聯產相比，樓宇式熱電（冷）聯產系統省去了外網的投資和相應的熱損失。但小型動力裝置單位發電容量投資偏高。從熱、電、冷3種負荷的動態平衡出發，如何優化系統配置和運行是決定該系統經濟性的關鍵。

1．2．4燃料電池是把氫和氧反應生成水放出的化學能直接轉換為電能的裝置。它有3個基本構件，即燃料（由CH4生成H2）處理裝置，燃料電池基本構件和換流裝置（直流轉換成交流）。其基本原理相當于電解反應的逆向反應。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在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，當電極同外部負載構成回路時就可向外供電。圖4給出質子交換膜燃料電池的工作原理：天然氣中的氫被分離成質子和電子，質子穿過膜，而電子繞過膜而形成電流；在膜的另一側，質子和電子與氧結合，生成水，并產生另一副產品--熱量，用于供熱。燃料電池的種類不少，根據使用的電解質不同，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）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

圖4質子交換膜燃料電池（PEMFC）的工作原理

燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續運轉等優點。它的發電效率可達40%以上，熱電聯產的效率也達到80%以上。目前，多數燃料電池正處于開發研制中，已經推向市場的產品仍較昂貴（1500美元/kW以上）。但隨著該項技術商業化進程的推進，必將在未來燃氣供暖行業起到越來越重要的作用。目前從事燃料電池研究和開發的主要有美國、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動，利用環境熱量供熱的裝置，如圖5所示。燃氣熱泵供熱量是燃氣熱量與環境熱量之和，因此它的效率高于燃氣鍋爐。攜帶熱量的環境介質可以是周圍空氣、江河湖海的水，地熱以及其他余熱介質等。根據工作原理的不同，可以分為燃氣壓縮式熱泵和燃氣吸收式熱泵兩種。

圖5燃氣熱泵原理簡圖

1．3．1燃氣壓縮式熱泵的原理如圖6所示，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、內燃機等。上述機械能推動壓縮式熱泵吸收環境熱量而產生用于供暖的熱量，同時動力裝置的煙氣余熱經過余熱鍋爐變成供暖用熱。這各供暖系統具有很高的供熱效率，可達160%以上。

圖6燃氣壓縮式熱泵的構成

吸收式熱泵是通過工質（如水）的蒸發和冷凝，以及溶液吸收和再生等傳熱傳質過程來工作的。常見的工質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%。

由于技術條件的局限，在我國北方地區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，直接從環境空氣吸熱的空氣源熱泵受到限制。但是，利用地熱、江河湖海水和其他余熱的燃氣熱泵則在北方地區更有推廣價值。

2能耗分析

用一次能耗率b作為供暖系統能耗的評價指標，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，即燃氣熱電聯產，系統有熱和電兩種不同能的輸出，應將電能所耗一次能源扣除，設常規發電設備的發電效率為ηE（可取為全國平均水平的發電效率32.5%），則其一次能耗為。如果熱電聯產總的能源利用效率為ηnot，發電效率為ηe，則供熱系統的一次能耗率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，為。當效率取表1值時，各燃氣供熱形式的能耗率如圖7所示。

表1各效率取值

家用及小型燃氣爐區域燃氣鍋爐燃氣熱電聯產燃氣壓縮熱泵燃氣吸收熱泵

鍋爐加汽輪機單循環聯合循環燃料電池

ηno0.900.800.800.800.800.800.80-

ηe--0.250.300.400.450.30-

COP------3.501.50

圖7各天然氣供暖形式的一次能耗率

可以看出，燃氣熱電聯產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、聯合循環熱電聯供暖能耗率為負值，說明這些供暖系統僅發電所用能耗已經低于一般的發電系統（全國平均發電能耗）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換為熱能的較大不可逆損失，以及燃氣吸收式熱泵由于發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產。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，應優先推廣熱電聯產供暖方式，而盡量避免使用燃氣鍋爐。

當然，由于燃氣鍋爐，尤其是家用燃氣爐的可調性好，可以根據需要隨時啟停和調節供熱量，進而減少燃氣耗量，進而在熱電聯產應用最多的集中供熱系統中，在舊的按面積收費管理體制下，由于用戶末端缺乏調節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經濟性比較

供暖形式的經濟性問題比上述能耗總是更為復雜，它取決于供暖系統自身的經濟特性和外界條件兩個方面。就系統自身特性而言，主要包括系統投資、各能源轉換環節的效率、設備使用年限、系統維護費以及人工工資等等，但主要是前三項。一般情況下，系統效率越高，投資也就越大，兩者對經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，以及系統承擔的供暖負荷特性，如最大供暖負荷小時數。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，作為經濟性的評價指標，即系統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投資，元/kW；r為折舊率，它為系統使用年限的倒數；b為系統一次能耗率；h為最大年供熱小時數；Cf為天然氣價格，元/m3。

對于燃氣熱電聯產系統，應將發電收從成本中扣除，于是：，其中系統投資v包括單位供熱容量的熱電聯產系統的投資和熱力管網投資；Ce為發電的電價，元/（Kw·h）。

以下對天然氣供熱系統進行簡單的經濟分析，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，燃氣熱電聯產則以單循環為例。燃氣爐投資取為300元/kW，燃氣熱泵投資取為1400元/kW。燃氣熱電聯產投資為3500元/kW，其中熱電聯產熱源投資為2700元/kW（相當于單位kW發電容量投資為4500元），熱網投資為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，可以獲得當天然氣價格、電價以及供熱運行小時數等外界條件變化時，經濟性最佳的天然氣供暖方式（見圖8、圖9）。

圖8燃氣供暖形式的經濟性分布

圖8的經濟性分布是在電價為0.4元/（kW·h）的條件下獲得的。可以看出，雖然燃氣鍋爐的能耗高，燃料費昂貴，但由于投資小，使得相當供暖時間短時，是最經濟的。在供暖時間較長時，熱泵和熱電聯產就會體現出運行成本低的優勢。由于受廉價的燃煤發電競爭，燃氣熱電聯產的發電電價不可能取得過高，在這種情況下，雖然熱電聯產的能耗低于熱泵，但當天然氣價格較高時，燃氣熱泵的經濟性要好于燃氣熱電聯產。

圖9燃氣供暖方式隨電價的經濟性分析

圖9給出天然氣供暖隨電價和天然氣價格變化的經濟性分布，其中年供暖小時數取為2000h。可以看出，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，燃氣熱泵最經濟。當天然氣價格較低而電價較高時，熱電聯產經濟性好。

一般北方地區供暖時間較長，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產。燃氣熱泵受氣候條件的影響，水源或地熱燃氣熱泵的使用也會受到不同程度的環境限制。因此，在現有的技術條件下，燃氣熱泵尚不具備大量推廣使用的條件。熱電聯產的能耗最低，但是在電價高和使用時間長的條件下才具有經濟優勢。

在燃氣價格高于1.40元/m3時，只有電價超過0.45元/(kW·h)熱電聯產才是最經濟的。而一般的燃煤電廠的發電成本不會超過0.30元/(kW·h)。因此，燃氣熱電聯產系統發電上網時，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產負荷調節的靈活性，作為電網的調峰電廠運行，進而以較高的調峰電價上網[1]。另一條途徑是發展樓宇式天然氣熱電聯產系統。這樣可減小熱力管網投資，同時發電自用，代替電網價格較高的電能。例如，北京商業用電價格為0.60元/(kW·h)，天然氣價格為1.80元/m3，由圖8可知，在這一價格下，燃氣熱電聯產是經濟的。另外，還可以利用熱電聯產的供熱量驅動吸收式制冷機，用于夏季空調，形成電熱冷三聯供，將會增加年供熱時間，提高熱電聯產系統的經濟性。

4結論

4．1從合理利用能源的角度應優先推廣天然氣熱電聯產的供暖方式，但還需進行技術經濟的綜合比較。

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產系統，尖峰負荷由于發生時間

短，也可用燃氣鍋爐承擔。

4．3在我國現有條件下，燃氣熱電聯產應用的理想途徑是以電力調峰方式上網運行，并可以發展樓宇式小型熱電（冷）聯產系統。

4．4燃氣熱泵可以在氣候、水源、地熱或其他余熱等條件允許的地方加以應用。

參考文獻

1江億，付林，天然氣在城市供暖中應用的新途徑，中國能源，2001（5）