燃气分布式供能系统规划设计与后评价（一）
目前，我国正在加速推进产业结构调整和能源需求多元化进程，能源结构正处于油气替代煤炭、非化石能源替代化石能源的双重更替期，合理、高效、梯级的利用天然气，是能源转型的选择方案之一。
2024年后，进口管输燃气陆续进入我国，由于采用照付不议合同，需要培育下游大宗稳定用户，分布式能源系统是最好的大宗稳定用户。分布式能源系统：按照“分布利用、综合协调”的原则，重点在城市工业园区、旅游集中服务区、生态园区、大型商业办公设施等能源负荷中心建设区域型分布式能源系统和楼宇型分布式能源系统。
燃气分布式供能系统是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。
我国燃气分布式能源的主要用户为工业园区、学校、综合商业体、办公楼、数据中心、综合园区，这些用户对冷、热、电存在较大且较稳定、连续的负荷需求。我国的楼宇型、区域型燃气分布式能源项目在数量上几乎各占一半。各类园区由于具有比较稳定的电、冷、蒸汽需求，动力设备以燃气轮机、燃气－蒸汽联合循环为主，医院、学校、酒店、办公楼等楼宇型项目由于能源需求较小且波动较大，动力设备以燃气内燃机和微燃机为主。 国家政策将持续支持分布式能源的发展，这是长期、稳定、可靠的行业，可认为是我国能源领域中的朝阳行业。在我国煤电饱和、出现过剩产能的情况下，这是所有大型能源央企、国企必然要重点关注的行业。
在我国，燃气分布式能源起步并不算晚，早在上世纪90年代末，就有专家、学者及企业开始了研究，并积极推动分布式能源在我国的发展。在2003年左右，国内陆续开始建设分布式能源站，先后建成了北京燃气大厦调度中心、上海浦东机场、上海黄浦区中心医院、北京火车南站等燃气分布式能源项目。2011年《关于发展天然气分布式能源的指导意见》的发布以及发展燃气分布式能源被写入“十二五”能源发展规划，标志着发展燃气分布式能源被正式纳入国家能源发展战略。 燃气分布式能源在我国已经有十余年的发展历史，但是由于我国经济与体制的特殊性，燃气分布式能源的发展也很曲折。
目前我国燃气分布式能源发展仍处于起步阶段，在已建成的项目中，有部分项目可以正常运行，取得了一定的经济、社会和环保效益；但也有部分项目因政策、经济、技术等问题，经济效益不好。
主要是由于我国大部分地区面临电力产能过剩问题，电力消纳问题亟待解决。 伴随着国家电力体制改革的逐步深入和智能制造、大数据、“互联网+”等技术的发展，以及《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》等系列文件的出台，推动了国内天然气价格下调和保证了供应市场趋于稳定。“十三五”期间，智能电网、售电平台建设步伐加快，专业化服务公司方兴未艾，燃气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件。
燃气分布式能源由于其在能源转换效率方面所具有的突出优势，使得其在世界各国的能源领域逐步占有显著地位。
随着全面深化改革的不断推进，国家治理体系和治理能力现代化将取得重大进展，发展不平衡、不协调、不可持续等问题将逐步得到解决，能源领域基础性制度体系也将基本形成。在我国，燃气分布式能源项目有望迎来“理性而适度”
的发展。
目前，需要对燃气分布式能源项目建设进行全面总结、归纳、提高，以进一步提高工程项目的设计水平、建设水平、运行水平。这里，从应用工程技术角度介绍燃气分布式供能系统的规划设计问题、某项目的后评价摘要情况。
分布式供能系统典型工艺流程
燃气分布式能源系统是指以天然气清洁能源为燃料，应用燃气轮机、燃气内燃机、微燃机等各种热动力发电机组和余热利用机组的能量转化设备，为用户提供冷、热、电的各种负荷需求的燃气分布式供能系统。
本节是对燃气分布式能源系统工艺流程完整而通俗介绍。 一、系统基本工作原理
分布式能源梯级利用的示意图见图－1所示。燃料天然气进入燃气轮机与燃气内燃机燃烧，输出电能。燃机的排烟约在400℃至600℃之间，高温烟气首先进入余热锅炉产生蒸汽，蒸汽进入汽轮发电机组中进行发电，在汽轮机中，可抽出一部分已经过发电的低压蒸汽进行供热。汽轮机的抽汽或者排汽可以通过溴化锂空调机组进行空调供冷热。余热锅炉的低温排烟可继续生产热水，对外供生活热水或者采暖。这样就真正实现了“温度对口，梯级利用”的原则，其综合利用效率可达到80%以上。
图－1 分布式能源天然气梯级利用原理示意图
天然气在燃烧过程中几乎没有烟尘与二氧化硫等排放，二氧化碳排放量为石油的54%，煤的48%，燃用天然气燃料，减排效果显著。
由于实现了能源的梯级利用，分布式能源系统节能效果显著。分布式能源是天然气利用的最佳途径。与传统的电、热、冷分产系统相比，分布式能源系统的节能率与减排率如图－2所示。
图-2 分布式能源节能减排原理示意图 在系统配置时，余热回收利用设备与燃机发电装置所产生的余热形式有着密不可分的关系。如燃气轮机的余热形式为450℃～600℃的高温烟气，燃气内燃机的余热形式为400℃～550℃的高温烟气和80℃～120℃的冷却水，微燃机的余热形式为200℃～300℃的高温烟气。
余热利用设备通常包括余热吸收式空调机组（分补燃和纯余热利用两种类型）、余热锅炉（补燃和不补燃）、热交换器（烟气－水、水－水、汽－水）等。 调峰设备则指电空调（离心机、螺杆机）、燃气锅炉、直燃机、热泵等。
余热利用的主要流程有：余热锅炉制备出蒸汽后，选用蒸汽双效吸收式空调机组进行制冷；高温烟气采用烟气热水换热器交换出热水，与缸套水交换出的热水混合后，进入热水型吸收式空调机组；高温烟气进入烟气型吸收式空调机组进行吸收式制冷，高温缸套水进入热水型吸收式空调机组进行吸收式制冷；烟气型吸收式空调机组与热水型吸收式空调机组合并在一起，烟气作为高温发生器热源，热水与高温发生器产生的蒸汽作为低温发生器的热源，即烟气热水型吸收式空调机组。
燃气分布式供能系统按照原动机的不同分为三种类型，即燃气轮机系统、燃气内燃机系统、微燃机系统。
而根据燃气分布式供能系统的余热利用设备和调峰设备的不同，可对系统进行细分。
以下分别按照原动机的种类不同进行分组，同时每个组别又依据余热利用的
形式进一步细分，对每种较为典型的工艺路线分别进行介绍。
二、燃气轮机分布式能源系统典型工艺路线图
燃气轮机分布式供能的能源利用形式根据需求不同，有不同的发电方式和余热利用形式，根据发电形式不同分为两大类。
第一大类是简单循环发电形式，余热利用设备主要有余热锅炉、余热吸收式空调机组、烟气－水换热器等，根据余热利用形式不同对系统进行划分，主要有三种较为典型的工艺路线：
①燃气轮机+烟气型（补燃）吸收式空调机组+调峰设备，余热利用设备为烟气型吸收式空调机组；
②燃气轮机+烟气余热（补燃）锅炉+蒸汽吸收式空调机组+调峰设备，余热利用设备为余热锅炉；
③燃气轮机+烟气－水换热器+热水型吸收式空调机组+调峰设备。
第二大类是燃气－蒸汽联合循环发电形式，即燃气－蒸汽联合循环发电+吸收式空调机组+调峰设备。 采用联合循环发电，系统发电量高，但工艺系统复杂，造价较高，而简单循环发电的形式，有利于提高系统冷热量输出比例，且系统造价较低，工艺相对简单。
相对而言，联合循环的冷热量输出比例低于简单循环发电，应根据实际需求选用合适的能源利用方式。
1.燃气轮机简单循环工艺路线一
该系统工艺流程如图－3所示，系统中余热型溴化锂吸收式空调机组（简称“余热溴化锂机组”），可根据项目情况需要选用带补燃和纯余热利用两种类型的余热机组。调峰设备可根据项目实际需要选择直燃机、电制冷机以及燃气锅炉或热泵等。
该方案的工作原理：一定压力的燃气与经压气机压缩的空气在燃烧室燃烧后，驱动透平机发电和排出450℃－600℃高温烟气。余热溴化锂机组利用高温烟气的余热进行吸收式制冷、制热。当夏季余热制冷量不能满足用户所需冷量时，如选取的余热溴化锂机组是带补燃工况类型的，则以燃气补燃增加机组制冷量，仍不能满足用户供冷需求时，启动调峰设备如电制冷机等制冷设备进行制冷；如选用的余热溴化锂机组是纯余热利用类型的，则直接启动调峰设备进行制冷，满足用户需求。冬季工况时，如余热制热量不能满足用户需求，则以燃气补燃增加机组供热量，如不带补燃，则直接启动燃气锅炉等调峰设备供热，满足用户的供热需求。
适用条件及主要特点：该系统采用余热吸收式空调机组，在供热工况时，其效率与燃气锅炉或汽水换热器效率基本相当或略低，基本在90%左右。在供冷工况时，COP可达1.3以上。 燃气轮机的余热品质较高（只有高温烟气一种形式），热电比大，当采用简单循环发电，余热进行吸收式制冷供热时，主要适用于冷热负荷非常稳定的场所。 尤其是数据中心、计算机房等有大功率用电设备、常年需求冷负荷的场所。这样，既能保证机组的满负荷运行时间，又能将余热充分利用。
图-3 燃气轮机简单循环工艺流程（工艺路线一） 2.燃气轮机简单循环工艺路线二
该工艺流程如图－4所示，系统中余热利用设备是余热锅炉，且可以根据项目需要选用带补燃和不带补燃两种形式。调峰设备是电制冷机和燃气蒸汽锅炉，其中燃气锅炉也可以用高温热水锅炉。在项目设计过程中，调峰设备也可选用直
燃机优化厂房布置和气源条件。而且在具备水地源热泵技术应用条件的地区，可以采用热泵型电制冷机作为制冷设备。系统工作原理：燃气轮机的高温烟气经余热锅炉生产出一定压力的饱和蒸汽，在制冷季，蒸汽进入蒸汽型吸收式空调机组制冷，产生冷冻水，当蒸汽制冷量不足时，可通过电制冷机、水地源热泵或直燃机等调峰设备进行补充。在供暖季，通过汽水换热器，将蒸汽热量转换成与用户末端散热装置匹配的热水供给用户，不足的热量由燃气锅炉或者市政热力进行补充。 适用条件及主要特点：该方案工艺流程较复杂，在制冷季，能源转化传递环节较多，导致能源利用效率不合理，但是经过多重环节的转化传递，给用户提供多种能源利用方式，增加了余热利用方式的选择性，提高供能服务的灵活性。
特别的，当蒸汽负荷与供冷负荷一般不在同一时间段出现，增强了余热利用的灵活性，可充分保证余热被利用。考虑经济性时，当燃气价格较高，采用余热制备蒸汽的成本相对更低，因此此种工艺路线多适用于食品、化工、医药类工厂和医院，以及其他有蒸汽需求且采用其他方式获取蒸汽成本较高的场合。
图-4 燃气轮机简单循环工艺流程（工艺路线二） 3.燃气轮机简单循环工艺路线三
该系统流程如图－5所示，系统中，余热利用设备是烟气－水换热器，供热时直接供出，夏季制冷时需要通过热水型吸收式空调机组转换后供冷；调峰设备是电制冷机和燃气锅炉，调峰设备也可选用直燃机优化厂房布置和气源条件。
系统工作原理：燃气在燃气轮机内进行燃烧转化后，驱动透平发电和排出高温烟气。在制冷季，燃气轮机发电后产生的高温烟气，进去烟气－水热交换器，制备出高温热水进入热水型吸收式空调机组，通过吸收式制冷提供冷冻水，不足的冷量则由电制冷机补充；如果有生活热水需求，也可分出一个支路，作为生活热水热源。在制热季时，高温烟气则直接通过烟气－水热交换器，制备出高温热水，提供采暖热源，不足的热量则由燃气锅炉补充。 主要特点及适用条件：该方案的余热设备是烟气－水热交换器，设备造价较低。在制冷季时，热水不仅可以制备生活热水，还可以作为制冷源。
因此本方案适用于热水负荷较大且不稳定的场合，适应性较强，能保证燃气轮机运行稳定。 图-5 燃气轮机简单循环工艺流程（工艺路线三）
4.燃气－蒸汽联合循环的工艺路线
该系统流程如图－6所示，系统中余热利用设备是余热锅炉，余热锅炉还可选择带补燃和不带补燃两种形式。供冷调峰设备可以选用电制冷机，供热调峰设备可以选用燃气锅炉或市政热力。
系统工作原理：燃气轮机的高温烟气通过余热锅炉制取蒸汽，利用蒸汽推动汽轮机（抽凝机或背压机）发电，使用分集汽缸汇集汽轮机排出的蒸汽，利用吸收式空调机组和汽水换热装置进行供冷和生产生活热水，或直接送往用汽点。
主要特点和适用条件：燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电，大大提高了系统发电效率，但是系统的造价相对简单循环发电系统较高，适用于用电和蒸汽需求高的场合，尤其对于机房用电要求较高，更加适合于工厂的自备电厂。
图-6 蒸汽-燃气联合循环的工艺流程
三、燃气内燃机分布式能源系统典型工艺路线
燃气内燃机分布式供能系统的余热形式有高温烟气和缸套冷却水、润滑油冷却水三种。对应余热利用设备仍为余热锅炉、吸收式空调机组和热交换器（烟气－水型、水－水型）。根据系统的余热设备不同，则系统的典型工艺路线可以大
致分为三种，基本可以涵盖不同工艺路线的内燃机分布式供能系统的特点，具体分类如下：①燃气内燃机+烟气热水型吸收式空调机组（补燃）+缸套水换热器+调峰设备；②燃气内燃机+烟气余热锅炉+蒸汽吸收式空调机组+缸套水换热器+调峰设备；③燃气内燃机+烟气－水换热器+热水型吸收式空调机组+缸套水换热器+调峰设备，其中调峰设备可以是电制冷机、水/地源热泵、燃气锅炉和直燃机。 1.内燃机的工艺路线一
该系统工艺流程如图－7所示，系统中，与内燃机的余热形式高温烟气、高温缸套水及润滑油冷却水相对应的余热利用设备是烟气热水型吸收式空调机组和水－水换热器。 系统工作原理：燃气内燃机系统在发电电的同时，也产生了400℃－550℃的高温烟气、80℃－110℃的缸套冷却水和40℃－65℃的润滑油冷却水等，利用余热设备对热能进行转化，物尽其用。内燃机产生的高温烟气和高温缸套水将进入吸收式空调机组，制备冷热负荷。高温缸套冷却水和润滑油冷却水也可通过板式换热器，制备出采暖热水或洗浴热水；当供热量不足时，可以先通过补燃提供，仍然不足的部分，则由燃气锅炉提供。
主要特点和适用条件：燃气内燃机系热水负荷需求的建筑物比较适合，如用于采暖只能适用于末端采用风机盘管、地板采暖等低温供暖的形式。此外，还比较适合于热泵系统（土壤源、水源热泵等）进行匹配设计。
图-7 内燃机工艺流程（工艺路线一） 2.内燃机工艺路线二
该系统工艺流程如图－8所示，系统工作原理：燃气内燃机系统在发电的同时，产生的余热高温烟气进入余热锅炉，在余热锅炉内生产出饱和蒸汽后，在夏季制冷工况时通过蒸汽双效吸收式空调机组进行吸收式制冷，向系统提供冷冻水，不足的冷量由电空调进行补充，同时通过汽水换热器向用户提供生活热水；在冬季供热工况时，余热锅炉产生的蒸汽直接送往用汽点，或通过换热器制备出采暖热水和生活热水，当供热量不足时，由燃气锅炉补充。 主要特点和适用条件：由于内燃机II型系统相对复杂，但是余热利用形式通过余热锅炉产生蒸汽后，利用蒸汽间接进行制冷，该系统对有蒸汽和制冷需求的场合非常适用。通过不同时段的不同需求，调配蒸汽和制冷的供汽比例，降低成本，节省能源成本；例如在制冷成本较高时，可以将制冷比例加大，在供汽价格较高时，可以优先满足供汽需求，保证经济效益最大化。
图-8 内燃机工艺流程（工艺路线二） 3.内燃机工艺路线三
该系统工艺流程如图－9所示，系统工作原理：在冬季供热工况时，燃气内燃机系统在发电的同时，尾部的高温烟气通过烟气－水热交换器，制备出高温热水，与高温缸套水和润滑油冷却水通过板式换热器制备的热水一同为热用户提供采暖热水和生活热水，如果热量供应不足，则通过燃气锅炉补充。在夏季制冷工况时，燃气内燃机系统发电产生的烟气余热通过烟气－水热交换器交换出高温热水，与高温缸套水制备的热水一同在热水型吸收式空调机组进行吸收式制冷，向用户提供冷冻水，当冷冻水供应量不足时，剩余不足冷量由电制冷机补充。
主要特点和适用条件：热水型吸收式空调机组的COP较低，一般是0.7左右，所以余热设备制备出的热水可以直接供应用户最好，尽量降低吸收式制冷供应的比例。所以该系统方案适合于用户电价较高，且热水负荷较大的建筑物，如商场、交通枢纽等。 图-9 内燃机工艺路线（工艺路线三）
四、微燃机分布式能源系统典型工艺路线
微燃机和燃气轮机的余热类型相同，都是高温烟气，但是微燃机的烟气余热温度较低（在200℃…300℃），因为微燃机设有回热器，余热被部分回收。微燃机燃气分布式供能系统根据余热利用设备的不同，可以分为两大类典型的工艺路线：①微燃机+烟气余热吸收式空调机组（补燃）+调峰设备；②微燃机+烟气－水换热器+热水吸收式空调机组+调峰设备。
1.微燃机工艺路线一
该系统工艺流程如图－10所示，系统工作原理：微燃机驱动透平机发电和排出450℃－600℃的高温烟气。高温烟气余热通过回热器将进入微燃机内的压缩空气进行预热，经过回热器的烟气温度降至200－300℃，接着进入烟气（补燃）型吸收式空调机组，在冬季供热工况制备供热热水，当供热量不足时，通过补燃增加热量，依然不能满足由燃气锅炉补足热量；在夏季制冷工况时，烟气（补燃）型吸收式空调机组制备出冷冻水供给用户，当供冷量不足时根据实际情况既可采用补燃增加冷量，也可采用电制冷增加冷量，最终满足用户供冷需求。
主要特点和适用条件：微燃机I型系统适用建筑面积较小、建筑功能比较单一的场合，如写字楼、办公楼等。同时，由于系统设置有回热器，所以可以通过调节回热器的回热量调节发电量和余热量。
图-10 微燃机工艺流程（工艺路线一） 2.微燃机工艺路线二 该系统的工艺流程如图－11所示，系统工作原理：微燃机驱动透平机发电和并排出450℃－600℃的高温烟气，高温烟气经过回热器余热回收后，烟气温度降至200℃－300℃，然后进入烟气－水热交换器，制备出高温热水。在冬季供暖工况时，产生的高温热水直接用于供热，剩余不足热量由燃气锅炉补充。在夏季制冷工况时，高温热水在热水型吸收式空调机组内制备冷冻水，并向用户提供冷冻水，当需求的冷量不够时，由电制冷机补充。
主要特点和适用条件：该系统方案适用建筑面积较小、建筑功能比较单一的场合，如写字楼、办公楼等。但是该方案在制备生活热水和冷冻水方面更加灵活可控，根据需求情况可自由调整热水用于制冷和供热水的比例，尤其是制冷高峰与生活热水高峰往往不在同一时段出现，当生活热水负荷需求不太高且波动较大时，系统均可稳定运行，同时也可避免燃气锅炉随着负荷的波动频繁启动。
燃气分布式供能系统规划设计与后评价（一） - 图文
