天然气在城市供暖中的应用

Application of natural gas to space heating in cities

摘要 阐述了燃气锅炉、燃气热电联产和燃气热泵等天然气供暖应用方式、技术特点及目前情况，进而以一次能源消耗和性为指标，分析比较了这些形式的优缺点和应用场合。 关键词 天然气，能耗，经济性 　　 Abstract Expounds the applications, technical features and current situation of gas-fired boiler, gas cogeneration and gas-driven heat pumps, and compares their advantages and disadvantages and applicability with primary energy consumption rate and economics as evaluation indices. Keywords natural gas, heating, energy consumption, economics

我国天然气开发和建筑的快速进展，使得东部城市大量抗议使用天然气的条件逐渐成熟，天然气在大城市，尤其是在供暖空调领域的广泛利用的春天已经到来。 　　 1 天然气在供暖领域的应用形式 　　天然气在供暖领域应用的主要形式如图1所示。 　　　 　　 　　 　　 　　 　　　 　　 　　 　　 　 　　　　 　　 　　 　　图1 各种燃气供暖形式 　　 　　1．1 燃气锅炉 　　对于燃气锅炉，天然气燃烧产生的热量直接用于供暖，是最简单的一种供热方式。从规模一来看，这种供暖方式包括用于一家一户的家用燃气炉，一幢楼或一个小区的小型燃气锅炉以及用于大片面积供热的区域性燃气锅炉。 　　1．1．1 家用燃气炉，这是目前应用较为广泛的一种天然气供暖方式，通常设置于厨房或阳台，配有先进的点火控制、安全保护和温度调节等系统，操作简单，调节灵活，还能同时满足生活热水需求。但是，由于是分散燃烧，会影响社区的空气品质，同时也存在燃气泄漏、燃烧故障甚至发生爆炸等安全性问题。 　　1．1．2 小型燃气锅炉实际上是一种规模较小的燃气集中供热系统，在用户附近设置统一的燃气锅炉，向各用户房间提供供暖热水。这种供暖系统一般用于一幢商业建筑或办公楼。由于将用户热源集中为一个，便于管理，提高了安全性，对用户空气的污染问题也相应减轻。但需要增设锅炉房和管网。 　　1．1．3区域燃气锅炉的规模更大，它需要通过热网向大面积的用户供热。由于热源更为集中，供热系统运行工况更加稳定，锅炉运行效率更高，同时大型锅炉更有条件采用先进的低氮燃烧技术，环境污染更小，在一些已有的"煤改气"区域供热系统中可根据具体情况慎重应用。但是，由于热网投资大，热水管网输送能耗和热损失高，这种燃气供暖方式不宜于在新建区域供热系统中推广。 　　1．2 燃气热电联产 　　对于纯热力发电系统，燃料一般只有少部分的能源转化为电能，发电效率只有30%左右，而大部分燃料的能量形成余热排到大气。热电联产系统则在发电的同时，利用了这部分余热用以供热，从而使得热电联产的能源利用效率可以达到80%以上。由于实现了能量的梯级利用，因而是比燃气锅炉先进的供暖形式。评价热电联产系统能源利用效率的指标主要有热电比和发电效率等。热电比是指热电联产系统或装置的供热量和发电量之比。 　　1．2．1 锅炉加供热汽轮机是我国最常见的热电联产形式。燃料在锅炉中燃烧后将热量传给蒸汽，由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽（图2a）A或背压排汽（图2b）用于供热。这种系统适用于以煤为燃料，技术已非常成熟，主要设备也早已国产化。但由于占地大，负荷调节能力差，发电效率低，燃气热电联产系统一般只在煤改气的热电联产中得以应用，而在新建热电联产系统中很少采用。 　　 　　 　　　　 　　 　　 　　 　 　　　　图2 锅炉+供热汽轮机形式的热电联系统 　　 　　1．2．2 燃气轮机热电联产系统如图3所示，分为单循环和联合循环两种形式。单循环的工作原理是：空气经压气机与燃气在燃烧室燃烧后温度达1000℃以上、压力在1.0～1.6MPa的范围内进入燃气轮机推动叶轮，将燃料的热能转变为机械能，并拖动发电机发电。从燃气轮机排出的烟气温度一般为450～600℃，通过余热锅炉将热量回收用于供热。大型的燃气轮机效率可达30%以上，热和电输出的总效率一般能够保持在80%以上。当机组负荷低于50%时，热效率下降显著。燃气轮机组启停调节灵活（平时启动时间约为10～15min，快速启动为6min左右），因而对于变动幅度较大的负荷较适应。目前燃气轮机的生产基本上来自西方国家。 　　　　 　　 　　 　 　　　 　　　 　　 　　 　　 　 　　　　　 　图3 燃气轮机热电联产系统简图 　　 　　上述单循环中余热锅炉可以产生参数很高的蒸汽，如果增设供热汽轮机，使余热锅炉产生的高参数蒸汽在供热汽轮机中继续做功发电，其抽汽或背压排汽用于供热，可以形成燃气-蒸汽联合循环系统（如图3b）。这种系统工程的发电效率进一步得到提高，甚至可达到50%以上。 　　1．2．3 另一种燃气热电联产形式以往复式内燃机为动力装置。当规模较小时，它的发电效率明显比燃气轮机高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃气热电联产系统中往往采用这种内燃机形式。但是，由于内燃机的润滑油和气缸冷却放同的热量品位较低（温度不超过90℃），而且该热量份额很大，几乎与烟气回收的热量相当，因而这种供暖形式在供热温度要求高的情况下受到了限制。 　　楼宇式热电（冷）联产是特别适用于商业建筑的小型高效天然气供热系统。所采用的动力装置均小型化，如小型燃气轮机、微燃机及小型内燃机等。与大型集中供热（冷）方式的热电（冷）联产相比，楼宇式热电（冷）联产系统省去了外网的投资和相应的热损失。但小型动力装置单位发电容量投资偏高。从热、电、冷3种负荷的动态平衡出发，如何优化系统配置和运行是决定该系统经济性的关键。

　　1．2．4 燃料电池是把氢和氧反应生成水放出的化学能直接转换为电能的装置。它有3个基本构件，即燃料（由CH₄生成H₂）处理装置，燃料电池基本构件和换流装置（直流转换成交流）。其基本原理相当于电解反应的逆向反应。燃料（H₂或CO等）及氧化剂（O₂）在电池的阴极和阳极上借助氧化剂作用，电离成离子；因离子能通过在二极中间的电介质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压，当电极同外部负载构成回路时就可向外供电。图4给出质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢被分离成质子和，质子穿过膜，而电子绕过膜而形成电流；在膜的另一侧，质子和电子与氧结合，生成水，并产生另一副产品--热量，用于供热。燃料电池的种类不少，根据使用的电解质不同，有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
　　 　　 　　 　　 　　
　　　 　　 　　 　　 　 　　　　　图4 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理
　　
　　燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点。它的发电效率可达40%以上，热电联产的效率也达到80%以上。目前，多数燃料电池正处于开发研制中，已经推向市场的产品仍较昂贵（1500美元/kW以上）。但随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来燃气供暖行业起到越来越重要的作用。目前从事燃料电池研究和开发的主要有美国、加拿大、日本、德国等国的公司。我国也有大连化物所等多家单位从事燃料电池的研究。

　　1．3 燃气热泵
　　燃气热泵是由燃气驱动，利用环境热量供热的装置，如图5所示。燃气热泵供热量是燃气热量与环境热量之和，因此它的效率高于燃气锅炉。携带热量的环境介质可以是周围空气、江河湖海的水，地热以及其他余热介质等。根据工作原理的不同，可以分为燃气压缩式热泵和燃气吸收式热泵两种。
　　 　　　 　　 　　 　　 　 　　 　
　　　 　　 　　 　　 　 　　　　 　　 　　 　图5 燃气热泵原理简图
　　
　　1．3．1 燃气压缩式热泵的原理如图6所示，燃气首先在动力装置中燃烧并做功，将热能变成机械能和烟气余热。动力装置可以是燃气轮机、内燃机等。上述机械能推动压缩式热泵吸收环境热量而产生用于供暖的热量，同时动力装置的烟气余热经过余热锅炉变成供暖用热。这各供暖系统具有很高的供热效率，可达160%以上。
　　 　　　
　　　 　　 　　 　　 　 　　　　 　　 　图6 燃气压缩式热泵的构成
　　
　　吸收式热泵是通过工质（如水）的蒸发和冷凝，以及溶液吸收和再生等传热传质过程来工作的。常见的工质主要有溴化锂溶液和氨-水等。对于溴化锂燃气热泵，单效型热泵供热效率可达150%～170%，双效型则可超过200%。
　　由于技术条件的局限，在我国北方地区的严寒期因除霜困难和效率低等问题，燃气热泵与电动热泵一样，直接从环境空气吸热的空气源热泵受到限制。但是，利用地热、江河湖海水和其他余热的燃气热泵则在北方地区更有推广价值。

2 能耗分析

　　用一次能耗率b作为供暖系统能耗的评价指标，它表示单位供热量的一次能耗量（即燃料耗量）。对于燃气锅炉，一次能耗率b_b是供热效率η_not（考虑管道损失）的倒数，即燃气热电联产，系统有热和电两种不同能的输出，应将电能所耗一次能源扣除，设常规发电设备的发电效率为η_E（可取为全国平均水平的发电效率32.5%），则其一次能耗为。如果热电联产总的能源利用效率为η_not，发电效率为η_e，则供热系统的一次能耗率b_c为；对于燃气吸收式热泵，如果其热效率为COP，则一次能耗为；对于燃气压缩式热泵，如果动力装置效率为η_e，燃气转换成机械能和余热锅炉回收热量的效率为η_not，压缩式热泵热效率为COP，则燃气压缩式热泵的一次能耗率b_p，为。当效率取表1值时，各燃气供热形式的能耗率如图7所示。

　　 表1 各效率取值

	家用及小型燃气炉	区域燃气锅炉	燃气热电联产				燃气压缩热泵	燃气吸收热泵
			锅炉加汽轮机	单循环	联合循环	燃料电池
ηno	0.90	0.80	0.80	0.80	0.80	0.80	0.80	-
ηe	-	-	0.25	0.30	0.40	0.45	0.30	-
COP	-	-	-	-	-	-	3.50	1.50

　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 各天然气供暖形式的一次能耗率
　　
　　可以看出，燃气热电联产的能耗率明显小于其他供暖形式，燃气热泵居中，而燃气锅炉的能耗最大。燃料电池、联合循环热电联供暖能耗率为负值，说明这些供暖系统仅发电所用能耗已经低于一般的发电系统（全国平均发电能耗）了，因而用于供暖的余热就更不会耗能了。燃气压缩式热泵由于机械能转换为热能的较大不可逆损失，以及燃气吸收式热泵由于发生器传热的较大不可逆损失，使得燃气热泵的一次能耗大于热电联产。而燃气锅炉燃烧后烟气与水（或蒸汽）的传热不可逆损失更大，因而导致其能耗又高于燃气热泵。所以，仅从能耗合理利用的角度，应优先推广热电联产供暖方式，而尽量避免使用燃气锅炉。
　　当然，由于燃气锅炉，尤其是家用燃气炉的可调性好，可以根据需要随时启停和调节供热量，进而减少燃气耗量，进而在热电联产应用最多的集中供热系统中，在旧的按面积收费管理体制下，由于用户末端缺乏调节手段也会带来能源的浪费。但是，随着今后按热量收费的新供热体制的推广，这一弊端会逐步得到克服。
　　

3 性比较
　　供暖形式的经济性问题比上述能耗总是更为复杂，它取决于供暖系统自身的经济特性和外界条件两个方面。就系统自身特性而言，主要包括系统投资、各能源转换环节的效率、设备使用年限、系统维护费以及人工工资等等，但主要是前三项。一般情况下，系统效率越高，投资也就越大，两者对经济性的影响正好相反。在外界条件方面，主要影响因素包括能源价格，如天然气价格、电价等，以及系统承担的供暖负荷特性，如最大供暖负荷小时数。如果作方案比料，可以不考虑热价，以单位供热容量折运行成本z，元/kW，作为经济性的评价指标，即系统投资折旧与运行费之和。为使分析总是更加清晰，运行费中主要考虑燃料费用。
　　对于燃气锅炉和燃气热泵，单位供热容量的年运行成本z为：
　　z=rv+C_fbh，其中v为单位供热容量的系统投资，元/kW；r为折旧率，它为系统使用年限的倒数；b为系统一次能耗率；h为最大年供热小时数；C_f为天然气价格，元/m³。
　　对于燃气热电联产系统，应将发电收从成本中扣除，于是：，其中系统投资v包括单位供热容量的热电联产系统的投资和热力管网投资；C_e为发电的电价，元/（Kw·h）。
　　以下对天然气供热系统进行简单的经济分析，其中燃气锅炉以家用燃气炉为例，燃气热泵以压缩式热泵为例，燃气热电联产则以单循环为例。燃气炉投资取为300元/kW，燃气热泵投资取为1400元/kW。燃气热电联产投资为3500元/kW，其中热电联产热源投资为2700元/kW（相当于单位kW发电容量投资为4500元），热网投资为800元/kW。为简化起见，折旧年限均为20年。各供暖形式的效率仍取表1的值。于是，可以获得当天然气价格、电价以及供热运行小时数等外界条件变化时，经济性最佳的天然气供暖方式（见图8、图9）。
　　 　　 　　 　　 　　
　　　　 　　 　　 　　 　 　　　 　　　　图8 燃气供暖形式的经济性分布
　　
　　图8的经济性分布是在电价为0.4元/（kW·h）的条件下获得的。可以看出，虽然燃气锅炉的能耗高，燃料费昂贵，但由于投资小，使得相当供暖时间短时，是最经济的。在供暖时间较长时，热泵和热电联产就会体现出运行成本低的优势。由于受廉价的燃煤发电竞争，燃气热电联产的发电电价不可能取得过高，在这种情况下，虽然热电联产的能耗低于热泵，但当天然气价格较高时，燃气热泵的经济性要好于燃气热电联产。
　　 　　　　 　　 　
　　　　 　　 　　 　　 　 　　　　　　图9 燃气供暖方式随电价的经济性分析
　　
　　图9给出天然气供暖随电价和天然气价格变化的经济性分布，其中年供暖小时数取为2000h。可以看出，在电价和天然气价格很低的条件下，以燃气锅炉供暖合适。天然气价格较高而电价较低时，燃气热泵最经济。当天然气价格较低而电价较高时，热电联产经济性好。
　　一般北方地区供暖时间较长，加之天然气价格昂贵，只有通过提高能源利用效率的途径来降低供暖成本，即采用燃气热泵和热电联产。燃气热泵受气候条件的影响，水源或地热燃气热泵的使用也会受到不同程度的环境限制。因此，在现有的技术条件下，燃气热泵尚不具备大量推广使用的条件。热电联产的能耗最低，但是在电价高和使用时间长的条件下才具有经济优势。
　　在燃气价格高于1.40元/m³时，只有电价超过0.45元/(kW·h)热电联产才是最经济的。而一般的燃煤电厂的发电成本不会超过0.30元/(kW·h)。因此，燃气热电联产系统发电上网时，在电力市场中无法与燃煤电厂竞争，怎么办？一种有效的途径是利用燃气热电联产负荷调节的灵活性，作为电网的调峰电厂运行，进而以较高的调峰电价上网^[1]。另一条途径是楼宇式天然气热电联产系统。这样可减小热力管网投资，同时发电自用，代替电网价格较高的电能。例如，北京商业用电价格为0.60元/(kW·h)，天然气价格为1.80元/m³，由图8可知，在这一价格下，燃气热电联产是经济的。另外，还可以利用热电联产的供热量驱动吸收式制冷机，用于夏季空调，形成电热冷三联供，将会增加年供热时间，提高热电联产系统的经济性。

4 结论

　　4．1 从合理利用能源的角度应优先推广天然气热电联产的供暖方式，但还需进行技术经济的综合比较。
　　4．2 对于供暖时间较短的用户，可以采用燃气锅炉方式供热。对于投资较大的热电联产系统，尖峰负荷由于发生时间
短，也可用燃气锅炉承担。
　　4．3 在我国现有条件下，燃气热电联产应用的理想途径是以电力调峰方式上网运行，并可以发展楼宇式小型热电（冷）联产系统。
　　4．4 燃气热泵可以在气候、水源、地热或其他余热等条件允许的地方加以应用。
　　


　　1 江亿，付林，天然气在城市供暖中应用的新途径，能源，2001（5）