分布式燃气热电联产在“西气东输”市场中的应用（上）
西气东输工程是我国仅次于三峡的第二大能源工程。第一期工程陕西靖边到上海，利用鄂尔多斯天然气，每年输送天然气120亿立方米，计划从2001年始铺设，2003年3月全线贯通；第二期工程从新疆轮南到陕西靖边，实现利用塔里木天然气，2004年4月完工；第三期工程将供气能力增加到200亿立方米。最新的可行性研究报告确定的建设投资为1,424亿元，远期将进一步与俄罗斯、哈萨克斯坦和土库曼的天然气资源连接。主干管道西起新疆塔里木盆地的轮南气田，向东经甘肃、陕西、河南、安徽、江苏，最终到达上海市区，全长4,000公里，输气管直径1,016毫米，压力10Mpa，主要市场是长江三角洲地区。首站气价0.45元/立方米，平均气价1.327元，上海门站为1.35元，其他门站气价1.25元。
西气东输的成败已不在于工程自身，天然气资源可确保供应20年，而下游市场能否合理使用天然气成为了问题的关键。西气东输的主要市场是我国的长江三角洲地区，包括上海、江苏、浙江。如何合理使用这些宝贵而又昂贵的资源，是摆在这一地区各级政府、面前的一个重大课题。
要完成这一课题，首先需要明确国家实施“西气东输”工程的目的究竟是什么？西气东输是我国实施可持续战略的重大组成部分，根本的目的是优化长江下游地区的能源结构，改善生态环境，加速这一地区的国际竞争能力，拉动全国的持续发展。
在西气东输工程中，特别要陕京天然气管线的深刻教训。陕京管线建设，由于经验不足，未能很好地协调上游勘探开发、中游管道建设和下游合理利用的关系，造成天然气使用方式的严重不合理，主要用在使用燃气锅炉冬季采暖，导致冬夏季峰谷差高达7倍，夏季容量不能利用。不合理的用气方式进一步导致气价的不合理，高昂的气价又使合理的用气项目无法实施，陷入难以自拔的恶性循环，造成用户、热力企业、热气公司、集输气公司和陕甘宁气田全线亏损。
在天然气利用中，到底何种方式最为合理？应该遵循什么样的原则？这是非常值得探讨的问题。根据能源观念，应尽可能提高广义“火用”的利用效率，它不仅包含物理概念上的火用 的利用效率，同时也要提高包括社会“火用”和环境“火用”等广义火用的利用效率。要达到这一步，需要我们打破行业壁垒，在电力、热力、制冷、环境和社会效益之间寻求优化整合，树立全寿命周期的成本代价意识，在投资单位成本、功能综合成本、运行使用成本、环境治理代价和寿命后成本中进行优化整合。
效益规模的新理念
“规模效益”是我们在化中长久以来遵循的一个基本原则，在工业时代中，社会分工的细化，异化出了以产品划分行业的观念和制度，计划经济进一步强化了这种分工方式。在一个个相对独立的行业中，为了提高效率，实现单一产品的优化，只有追求不断地扩大提高生产规模，为实现大规模生产和销售，企业将不得不追求市场垄断。而垄断又必然滋生腐败，遏止新技术和合理工艺的发展，这是生存法则决定的。
管道天然气的利用技术有着与以往能源利用方式诸多不同的特点，除了环境污染小、资源利用效率高的特点外，输送的高效率和无损耗，能量转换方式的灵活和多元化，以及持续利用和成本的关系等，使我们在利用管道天然气资源中不得不改变传统能源利用的概念。必须树立全新的应用理念，从“规模效益”转向“效益规模”。
什么是“效益规模”？根据实际的各种能源产品的综合需求，以及一次能源的供应结构、环境容量空间和资金承受能力来确定一个适度的综合性的生产规模。
在单一产品下优化必然是越大越好，而多元化的优化整合往往是适量最好。
举一个例子，将天然气转换成为人们应用的实际能量。我们以制冷来说明问题。电力制换冷的COP为3，蒸汽为1.1，高温烟气余热为1.3。将以下设施的所有产能换算为冷，由于小型、微型分布在用户端的热电冷设施没有输送和换能损耗，其有效能源利用效率和能量产出效率略好于大型电厂和热电厂，更好于燃气锅炉、直燃机和锅炉-蒸汽溴化锂机组。
有效能源利用效率和能量产出效率
类型 | 单位 | 大型燃机发电厂 | 大型燃机热电厂 | 中型燃机热电厂 | 小型燃机热电厂 | 小燃机热电装置 | 微燃机热电装置 | 直燃机 |
设备 |
| GE Stag109E | GE Stag109E | GE Stag106B | SolarTaurus60 | SolarSaturn20 | BowmanTG80 | BZ100 |
燃耗量 | KW | 365400 | 365400 | 124364 | 16897 | 4917 | 571 | 2941 |
容量 | KW | 188400 | 160900 | 49820 | 5069 | 1181 | 80 | 0 |
发电效率 | % | 52% | 44% | 40% | 30% | 24% | 14% | 0 |
输变电损失率 | % | 12% | 12% | 8% | 3% | 0% | 0 | 0 |
有效电能利用 | KW | 165792 | 141592 | 45834 | 4917 | 1181 | 80 | 0 |
供热量 | KW | 0 | 48233 | 32156 | 8133 | 2508 | 425 | 2500 |
供热效率 | % | 0 | 13.20% | 25.86% | 47.77% | 51% | 75% | 85% |
输热损失率 | % | 0 | 12% | 8% | 5% | 0% | 0 | 0 |
有效热能利用 | KW | 0 | 42445 | 29584 | 7726 | 2508 | 425 | 2500 |
系统热效率 | % | 52% | 57% | 66% | 78% | 75% | 89% | 85% |
电力制冷COP |
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 0 |
电能制冷量 | KW | 497376 | 424776 | 137503 | 14751 | 3543 | 240 | 0 |
热力制冷COP |
| 0 | 1.1 | 1.1 | 1.1 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
热力制冷量 | KW | 0 | 46690 | 32542 | 8499 | 3260 | 553 | 3250 |
总制冷量 | KW | 497376 | 471466 | 170045 | 23250 | 6803 | 793 | 3250 |
制冷效率 | % | 136% | 129% | 137% | 138% | 138% | 139% | 110% |
上述各种转换方式中，大型设施用于变电站、输电线路和供热管网、换热站的投资巨大，在全系统造价上大大高于分布在用户端的热电冷设施。此外，中间环节损失巨大，管理层面的增加，中间环节增值税等因素，使大型能源设施的供能成本高于小型、微型分布能源设施，这是一个需要认识明确的问题，否则必将陷入极度的被动。能源用户为了竞争和生存，必将竭尽全力冲破阻力，选择一种对其最为有效的方式，这是不以人们意志为转移的趋势。市场这只无型的手将会建立一个全新的能源系统--第二代能源系统。
造价投入比较
类型 | 单位 | 大型燃机发电厂 | 大型燃机热电厂 | 中型燃机热电厂 | 小型燃机热电厂 | 小型燃机热电装置 | 微型燃机热电装置 |
设备 |
| GEStag109E | GEStag109E | GEStag106B | SolarTaurus60 | SolarSaturn20 | BowmanTG80 |
发电容量 | kW | 188400 | 160900 | 49820 | 5069 | 1181 | 80 |
千瓦造价 | 元/kW | 5500 | 7000 | 8000 | 9000 | 12000 | 10000 |
输变电造价 | 元/kW | 4500 | 4500 | 3250 | 2500 | 0 | 0 |
供热管道造价分摊 | 元/kW | 0 | 1000 | 750 | 500 | 0 | 0 |
换热千瓦造价分摊 | 元/kW | 2000 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
总造价 | 元/kW | 12000 | 12500 | 12000 | 12000 | 12000 | 10000 |
小型、微型分布式的热电联产的优势
第二代能源系统具有一系列技术、经济优势，是其他能源设施无法比拟的。
1、 建设周期短：企业可以根据自己的需求及时安排自己量体裁衣的能源工程，微型热电联产可以在几周或几天内实现，小型热电联产项目可以在几个月内完成，随要随建。不会向大型项目一样出现市场脱节与不同步问题，并可以根据需求的发展随时增加和扩建；
2、 节约投资：实现能源就地转换、就地供应，大大减少输电、变电、热力管网、换热站的投资，就小型、微型热电装置自身的单位千瓦造价和单位供能造价也不比大型热电厂高，用户无须承担不必要的投资负担；
3、 节约资源：小型、微型热电装置的能源转换效率基本可以达到到性大型热电装置的效率，但由于是就地转换、就地供应，没有中间环节的损耗，其用户端能源利用效率大大提高，实现真正意义上的节能；
各类燃气热电联产设备的氮氧化物排放比较
方式 | 宝曼微燃机 | 索拉小燃机 | 卡特内燃机 | STM外燃机 | 燃料电池 | 燃气锅炉 |
排放值 | 25ppm | 25ppm | 〈150ppm | 8ppm | 0 | >200ppm |
5、使用小型、微型分布热电装置的各种能量价格基本为用户价格，没有中间环节的损耗、浪费、利润和增值税，用户可以大量节约能源支出，有利于降低成本，增加用户的竞争能力。
技术的可行性
目前在利用天然气中，小型燃气轮机、燃气内燃机技术已经极为成熟，甚至比大型燃气轮机还要成熟可靠。微型燃气轮机和外燃机正在全速进入市场，而且采取了使用较为传统的技术和机控制技术相结合的解决方案，可靠性已不是问题。燃料电池技术不断加速，预计在2005年将可提供多种成熟产品，最迟2010年将进入全面市场应用阶段。
一、小型燃气轮机：主要是15MW-400kW的采用涡流式技术的燃气轮机，标志性产品是美国索拉（Solar）公司星座系列和加拿大普拉特·惠特尼（P&W）公司的ST系列，前者为专门为地面应用设计的型燃机，后者为小型航空涡轮发动机的地面改型产品，或称为：轻型燃气轮机。
工业燃气轮机的特点是坚固可靠，应用极为广泛。可以作为固定电源或移动电源，可用于热电联产，也可与余热溴化锂机组组成热电冷联合循环系统，还可以直接提供工业动力或组合成动力热力联合循环，以及应用于动力设备等等。可以根据自己的用途和需求容量随意配置，有无厂房无所谓，电压等级随意选，起停调节和燃料切换全部可以自动控制，基本上是一个“傻瓜机”的设计，现场可以无人职守。
小型燃气轮机极为适合于工业和大型建筑的自备热电设施，可作为工厂的热电设施，当用电大用热少时，可以采用燃气轮机--背压机同轴联合循环；当用电小用热大时，可以采用余热锅炉补燃技术，能够适应各种需求变化。小型燃机可以适应天然气、液化石油气、煤制气、柴油等多种燃料，并可随时自动切换，确保能源供应安全。大修周期在3-4万小时，运行稳定可靠。调峰能力强，一般都可以在30%的工况下稳定持续运行，机组能够自动跟踪频率，实现电网和自备电源的混合运行，燃机转速高达10000转/分，电力品质好于电网电力。
Solar 公司小型燃机热电联供系统功效比较分析
项目 | 单位 | 系数 | 土星20 | 人马座40 | 人马座50 | 水星60 | 金牛座60 | 金牛座70 | 火星90 | 火星100 | 太阳神130 |
燃机出力 | kW | ISO | 1181 | 3418 | 4234 | 4072 | 5069 | 6728 | 9061 | 10439 | 12533 |
千瓦燃耗 | kJ/kWh | ISO | 14987 | 13166 | 12541 | 9209 | 12093 | 11281 | 11555 | 11265 | 11115 |
燃耗量 | GJ/h | ISO | 17.7 | 45.0 | 53.1 | 37.5 | 61.3 | 75.9 | 104.7 | 117.6 | 139.3 |
天然气消耗量 | M3/h | 35169 | 503 | 1280 | 1510 | 1066 | 1743 | 2158 | 2977 | 3344 | 3961 |
燃机效率 | % | ISO | 24.0% | 27.3% | 28.7% | 39.1% | 29.8% | 31.9% | 31.2% | 32.0% | 32.4% |
燃机排烟温度 | 0C | ISO | 512 | 443 | 502 | 351 | 496 | 482 | 468 | 491 | 482 |
余热锅炉烟气量 | t/h | ISO | 22.7 | 65.8 | 67.2 | 60.6 | 77.7 | 95.9 | 138.20 | 147.3 | 176 |
余热锅炉直接供热(蒸汽压力1034kPa,饱和) |
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蒸汽量 | t/h |
| 3.7 | 8.3 | 10.6 | 4.6 | 12 | 14.1 | 19 | 22 | 25.8 |
蒸汽折净热能 | GJ/h | 2440 | 9.03 | 20.25 | 25.86 | 11.22 | 29.28 | 34.40 | 46.36 | 53.68 | 62.95 |
联合循环发电效率 | % |
| 75.03% | 72.35% | 77.41% | 69.02% | 77.53% | 77.24% | 75.43% | 77.60% | 77.58% |
余热锅炉补燃至9270C直接供热(蒸汽压力1034kPa,饱和) |
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补燃燃耗量 | GJ/h | ISO | 11.20 | 37.90 | 34.20 | 40.80 | 40.00 | 50.90 | 74.90 | 76.10 | 93.50 |
天然气消耗量 | M3/h | 35169 | 318 | 1078 | 972 | 1160 | 1137 | 1447 | 2130 | 2164 | 2659 |
蒸汽量 | t/h |
| 8.4 | 24.7 | 25.2 | 22.5 | 29.1 | 35.9 | 51.3 | 54.7 | 66.0 |
供热效率 | % |
| 70.92% | 72.70% | 70.43% | 70.11% | 70.09% | 69.08% | 69.69% | 68.90% | 69.18% |
联合循环发电效率 | % |
| 85.63% | 87.54% | 87.89% | 88.84% | 88.11% | 88.18% | 87.86% | 88.31% | 88.56% |
余热锅炉补燃至15930C直接供热(蒸汽压力1034kPa,饱和) |
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补燃燃耗量 | GJ/h | ISO | 29.7 | 92.5 | 89.6 | 91.3 | 104.0 | 130.2 | 188.1 | 196.4 | 238.8 |
天然气消耗量 | M3/h | 35169 | 844 | 2630 | 2548 | 2596 | 2957 | 3702 | 5348 | 5584 | 6790 |
蒸汽量 | t/h |
| 16.50 | 48.20 | 49.20 | 44.10 | 56.90 | 70.30 | 101.30 | 106.80 | 128.90 |
供热效率 | % |
| 84.94% | 85.53% | 84.13% | 83.54% | 83.99% | 83.23% | 84.42% | 82.99% | 83.18% |
联合循环发电效率 | % |
| 93.91% | 94.48% | 94.81% | 94.92% | 95.03% | 94.98% | 95.56% | 94.96% | 95.12% |
轻型燃气轮机主要是航空发动机地面改型，特点是小巧轻便、启停快、技术先进、自动化程度更高。有采用涡流技术（ST6）也有采用轴流技术（ST5）。一台800kW级ST6燃气轮机的重量仅仅104kg，长度1346mm，一套395kW带有回热循环的ST5燃机的总重也只有816kg。
P&W轻型燃气轮机技术性能
项目 | 单位 | ST5R | ST5S | ST6L-721 | ST6L-795 | ST6L-813 |
发电出力 | kW | 395 | 457 | 508 | 678 | 848 |
燃料耗量 | GJ | 4.35 | 7.00 | 7.82 | 9.88 | 11.74 |
单位燃耗 | KJ/kWh | 11009 | 15319 | 15385 | 14575 | 13846 |
发电效率 | % | 32.7 | 23.50 | 23.4 | 24.70 | 26.00 |
排烟温度 | ℃ | 365 | 587 | 514 | 589 | 566 |
烟气流量 | kg/hrs | 7992 | 8280 | 10800 | 11664 | 14112 |
余热回收量 | kW | 511 | 1196 | 1337 | 1655 | 1924 |
热电综合效率 | % | 75 | 85 | 85 | 85 | 85 |
轻型燃气轮机的技术也已经非常完善，大修寿命周期也在30000小时以上，每次大修后可以恢复到原先的出力水平。可用于发电和直接动力，余热能够利用于热电联产和与溴化锂制冷机组热电冷联产。轻型燃气轮机还具有一个非常有用的特性就是过载顶峰能力，在瞬间出力能够迅速增加10-20%，适应小型电网的负荷变化。
P&W轻型燃气轮机顶峰能力
项目 | 单位 | ST5R | ST5S | ST6L-721 | ST6L-795 | ST6L-813 |
基何发电出力 | kW | 395 | 457 | 508 | 678 | 848 |
顶峰发电出力 | kW | 492 | 563 | 567 | 743 | 932 |
增幅 | % | 24.6% | 23.2% | 11.6% | 9.6% | 9.9% |
小型燃气轮机正在进行三大技术革命，第一是回热技术，将空气作为载体，利用燃烧后的烟气回收能量，提高效率。索拉公司的水星60机组采用这一技术，发电效率已经超过39%；普惠ST5机组采用回热器后，基本负荷效率32.7%，顶峰出力可达到34.4%。第二是永磁发电机--大功率晶体可控变频技术，由于小型燃气轮机的轴转速极快，每分钟超过1万转，ST6L-721机组的转速达到33000转。使用变速齿轮箱功率损耗大，故障率高。如果采用永磁发电机，不需要励磁，发电效率可高达95%。可控变频技术可以保障并网的安全可靠，提高自动化控制能力，降低生产成本。各国都在积极开发，目前德国、日本已经可以制造400kW等级机组的永磁发电机--大功率晶体可控变频系统。第三是直接与余热溴化锂空调联合循环，将燃气轮机烟气直接排入余热溴化锂空调机制冷供热，省略了锅炉、化学水系统等设备，大大方便了用户。索拉与远大公司合作在美国能源部的一个项目中中标，将建设一套5000kW的燃气轮机热电冷三联供示范系统，美国能源专家将这一项目称之为：能源领域的一次革命。