Application of natural gas to space heating in cities

我國天然氣開發(fā)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(guī)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(qū)的小型燃氣鍋爐以及用于大片面積供熱的區(qū)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(jié)等系統，操作簡單，調節(jié)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(qū)的空氣品質，同時也存在燃氣泄漏、燃燒故障甚至發(fā)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(guī)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(yè)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(qū)域燃氣鍋爐的規(guī)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(wěn)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(huán)境污染更小，在一些已有的"煤改氣"區(qū)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(qū)域供熱系統中推廣。 1．2 燃氣熱電聯產 對于純熱力發(fā)電系統，燃料一般只有少部分的能源轉化為電能，發(fā)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(fā)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(fā)電效率等。熱電比是指熱電聯產系統或裝置的供熱量和發(fā)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(fā)電機組發(fā)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(jié)能力差，發(fā)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(huán)和聯合循環(huán)兩種形式。單循環(huán)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?yōu)闄C械能，并拖動發(fā)電機發(fā)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(jié)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(yè)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(huán)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(xù)做功發(fā)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(huán)系統（如圖3b）。這種系統工程的發(fā)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(guī)模較小時，它的發(fā)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(yè)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(fā)電容量投資偏高。從熱、電、冷3種負荷的動態(tài)平衡出發(fā)，如何優(yōu)化系統配置和運行是決定該系統經濟性的關鍵。

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(huán)熱電聯供暖能耗率為負值，說明這些供暖系統僅發(fā)電所用能耗已經低于一般的發(fā)電系統（全國平均發(fā)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(fā)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(yōu)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(jié)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(jié)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。