小型燃气热电联产在"西气东输"市场中的应用
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韩晓平

    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--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9月开始铺设，2003年3月全线贯通；第二期工程新疆轮南--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。建设投资约为1,381亿元，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。
    西气东输工程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已成为问题的关键。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天然气资源，是摆在这一地区各级政府、企业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发展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，拉动全国经济的持续发展。
    在西气东输工程中，特别要总结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，结果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。
   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。根据现代能源观念，应尽可能提高广义"火用"的利用效率，它不仅包含物理概念火用的利用效率，同时也要提高社会火用和环境火用的利用。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"是我们在工业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，由于小型微型用户式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

    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用户式热电冷设施。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、微型能源设施，这是一个非常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。

                    小型、微型分散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。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；
 4、环保效果好：天然气本身就是环保燃料，但使用小型燃气轮机、微型燃气轮机、燃气外燃机和燃气内燃机热电联产的污染排放更低于其他利用形式，好于燃气锅炉、直燃机等方式。利用端效率高本身就可以减少排放二氧化碳25%，而少量二氧化碳可以实现资源利用，真正达到零排放
                  各类燃气热电联产设备的氮氧化物排放比较

 5、使用小型、微型热电装置的各种能量价格为用户价格，没有中间环节的损耗、浪费、利润和增值税，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现代电子控制技术相结合的解决方案，可靠性已不是问题。燃料电池技术发展不断加速，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工业型燃机，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动力热力联产，以及交通动力设备等等。企业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。大修周期一般在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

　  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

    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

    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400可kW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系统，美国能源专家将这一项目称之为：能源领域的一次规模。

    二、微型燃气轮机：这里主要是指25-300kW采用轴流技术的燃气轮机，标志性厂家主要是英国宝曼（Bowman）公司TG系列微燃机和美国卡伯斯通（Capstone）公司的产品等。基本原理是通过一个铸有叶轮并和永磁电机转子连接的转子的高速旋转，叶轮一侧为压缩机，另一侧为燃烧室和动力叶片，来带动发电机发电。转子的速度为每分钟15-6万转，为了减少阻力，转子是浮在空气轴衬上运行。
    微燃机是一种典型的用户能源系统，可以为楼宇和小型工厂项目提供现场电力、热力、制冷能源，燃料使用天然气、煤制气、LPG和柴油。
    微燃机是一种现场能源系统，采用了无人职守的智能化自动控制技术，晶体变频控制技术，可以自动跟踪频率调节，保证了安全运行。回热器为选装设备，回热循环发电效率为25-28%，但排烟温度降低到300℃以下，热电综合效率75%左右。不使用回热器发电效率14%左右，排烟温度降低到600℃以上，热电综合效率85%。宝曼公司一项特殊设计，将回热器增加了自动调节功能，控制空气回热交换量，以适应热量需求的变化，解决了用户的调节问题。微燃机在小型燃气锅炉、直燃机中可以代替燃烧器，也可以直接用于工业炉窑、烘干、给水加温等工艺流程中。可以单独运行，也可多台联合运行。与远大余热溴化锂空调联合循环的微燃机系统已经在美国投入运行，非常使用与楼宇热电冷项目。
                  宝曼微燃机 Bowman TG80 CHP 经济性比较分析

注：天然气价1.4元/m3,电价0.52元/kWh, 采暖费标准26元/M2/a并按此核算冷费。

     微燃机涡轮结构

    三、燃气内燃机：指以天然气为燃料的内燃机，已经具有十分悠久的历史，第一台卡特彼勒燃气内燃机制造于1941年。目前世界上很多厂家，可以提供几十千瓦到几千千瓦的各种设备，美国卡特彼勒公司的产品依然是标志性产品。
    燃气内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引发其爆燃做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴，驱动发电机发电。燃烧后的烟气温度达到500℃以上、汽缸套冷却水可以达到110℃，在加上空气压缩机和润滑油冷却水中的热量，可以回收用于热电联产。燃气内燃机的优点是发电效率较高，设备投资较低，缺点是余热回收复杂，余热品质较低。
    燃气内燃机与余热溴化锂空调联合循环运行的技术方案已经解决，新希望集团在成都其酒店内将一台内燃机与余热溴化锂空调连接，直接回收余热制冷。目前卡特正在与远大合作配套，准备向有关项目提供全套系统。
              卡特彼勒燃气内燃发电机热电联产技术参数

    四、燃气外燃机：这是古老的斯特林发动机的新技术革新版本，在微型热电联产和工业余热利用中具有极大的潜力。它的基本结构为一个热腔和一个冷腔，冷腔内的介质为氢，当热腔加温使氢流动推动冷腔中的活塞运行带动一个轮盘旋转，氢在冷腔中被冷却后流回热腔再循环。标志性产品是美国STM动力公司的产品，目前能够提供25kW机组，正在发展2-5kW和200kW机组。外燃机热电联产只能提供电力和热水，但作为楼宇供应热水的设备非常经济，一台25kW外燃机每小时可以供应1261kg 50℃热水，每天30吨约满足600人的生活热水。

                            
      外燃机适意图     
             

                
    25kW外燃机外型

                                STM外燃机性能

                      热电企业要积极应对新技术革命的挑战
    无论我们是否喜欢它，无论我们能否适应它，小型分散化多功能的能源系统--"第二代能源系统"将会在今后几年中迅速进入市场，这将是一个多米诺骨牌的效应。一旦你费尽财力物力，花了几年的时间，将原来的热电厂改造成一个大型燃机热电厂时，忽然发现你已经无热可供，并因此而不能发电，这将是一个什么样的后果。我们在西气东输的配套改造工程中必须充分考虑这一因素，只有从容应对才能确保立于不败之地。
    热电企业如何才能真正有效地应对这一挑战？
    第一、在改造中一定要坚持"适度规模"，切不可一味求大，尽力在最低的代价内完成改造，不要盲目扩大规模，在现有的输变电容量和供热条件下指定改造选型发方案。
    第二、抓住机遇，及时从生产型向服务型转化。热电企业必须从纯生产型和只能提供热力和电力的单一产品型企业，逐步有计划地向运行维修服务性企业过度，将自己的生产环节融入用户的工艺系统，发挥己之专长以知识型经营代替产品型经营，才能不断扩大市场占有率。"第二代能源系统"的建立将更加依赖于社会化的服务体系，谁先拥有占据这一领域谁将在未来能源行业中占据新的主动位置。
    用户在选择新型能源系统时，面临着一个谁来设计配套？谁来建设安装？谁来运行管理？谁来维护检修？这就是我们的商机，这就是我们的未来。如果我们不干，在社会上就会迅速出现大量的服务企业，占领这个市场。热电企业如果参加竞争，将是最有优势的，比任何能源企业都更具竞争力。不过认识不能及时转变，所有的优势都等于零。
    目前，中国能源网正在与热电专业委员会筹组一个策略联盟，与设备商合作，指定一整套应对方案，建立一个能够面向未来市场的战略同盟，逐步在各地有条件的地区发展“第二代能源系统”。
    利用一切可以利用的资源，以最大限度地提高能源利用效率，利用网络技术优势和智能化控制系统，建设一个销售、设计、建设安装、运行管理、检修维护、投融资系统，实行标准化特许经营，为中国能源、环境的持续发展作出贡献，我们非常欢迎大家的加盟。
    第三、利用天然气时代的到来，积极创新，开发创造热电市场。天然气资源和燃气轮机技术为我们提供了一个创造机遇的可能，因为小型、微性燃气轮机可以用于各种民用、工业项目，甚至农业项目。例如：1、楼宇热电冷：将燃机与溴化锂空调联合循环，对楼宇（商场、学校、办公室、医院等）供电、供热、供冷、供卫生热水；2、燃机余热直接利用：将燃机的高温烟气直接用于陶瓷、石膏板、造纸等产品的烘干；3、直接利用微燃机参与工艺流程：在食品加工、医药、精细化工等生产工艺中，利用燃机余热和电力就近参加工艺流程；4、为工厂化农业提供能量：植物需要二氧化碳、有足够的二氧化碳和少量肥料，植物就可以茂盛生长，小型、微型燃机可以将利用后烟气中的低温热量、水蒸气、少量氮氧化物和二氧化碳资源注入大棚，支持无害蔬菜、水果和花卉等农产品的生产；5、交通领域的服务：小、微燃机和外燃机可以用于船舶、汽车动力。50kW的燃机可以驱动一辆14米长的压缩天然气--蓄电池混合动力旅游巴士，排放达到欧洲5号标准。2台80千瓦的电驱动动力系统，可以推动一条相同吨位的内河游艇，余热还可以制冷采暖，以及生产洁净水等，这些系统都将需要服务的支持。
    天然气和动力技术的微型化给我们带来的挑战、也给我们带来了无限的机遇，让我们积极地迎接这新技术的革命浪潮。