天然气分布式能源系统在天然气处理站的应用

【摘要】本文以浙江某天然气处理站的能源配置系统为例，分析天然气分布式能源在天然气处理站的应用的技术可能性和经济可行性。并对天然气分布式能源的适用环境以及优势进行了分析。

【关键词】分布式能源；天然气；处理站

引言

天然气分布式能源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，综合能源利用效率达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[1]。国内计划在“十二五”初期启动一批天然气分布式能源示范项目，“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。

基于天然气为主要燃料的分布式能源冷热电联供系统（Combined Cooling Heating and Power， 简称CCHP），是在负荷终端安装燃气轮机、余热锅炉、制冷设备，实现给终端用户供热、供冷、供电，不仅清洁高效，而且作为独立的电源可以摆脱电网的依赖，提高用电可靠性。目前国外已经将天然气CCHP作为提高用电安全性的重要手段之一大力推行[2]。

天然气CCHP的发展有利于优化能源结构、提高能源综合效率、改善负荷中心的空气质量、保证电力供应安全性和可靠性、实现天然气和电力削峰填谷，平稳运行。目前国内已建、在建项目主要有广州大学城项目、长沙黄花国际机场T3航站楼项目、北京燃气集团控制中心大楼项目、杭州燃气七堡基地项目、重庆佳禾钰茂香港城项目等，相对国外天然气CCHP发展而言，国内仍然处于发展初期，但国家层面近几年也在不断推出政策给予引导，促进天然气CCHP行业的发展。

一般而言，天然气CCHP项目适用地区首先要有充分的天然气资源，并有较高的热电比，处于负荷中心区域，有较高的环保要求，供电可靠性高需求的地方。本文所探讨的天然气分布式能源系统在天然气处理站的应用，就基本满足以上适用条件。

1、天然气处理站介绍

天然气处理站是石油天然气生产中重要的生产装置，其主要任务是在一定的温度、压力下，将开采于井架的初级天然气中的重组分分离并将多余其杂质脱出，对外提供标准天然气产品。其工艺中有高温、低温、高压的气体和液体。由于天然气开采的工艺流程和难以大量储备的原因，致使天然气处理站需要长期稳定的运行，一般每年仅固定安排1个星期的设备检修时间。因此对能源供应的可靠性、稳定性有很高的要求。

由于天然气处理站工艺中会产生属甲类易燃易爆气体和液体，是危险性较大的生产装置和生产场所，安全生产极其重要。一般布置在远离居民聚居区的地域或者工业集中区域，并单独形成负荷集聚区。

在未考虑天然气CCHP系统设计时，天然气处理站除配置电气装置外，为了加热、冷却介质，还配备足量的天然气锅炉和热交换装置，供能装置单独系统运行，未能实现能源梯级利用，其源综合利用率不高。

本文研究对象是位于浙江某海岛的天然气处理站，该处理站设计每年处理来自海洋平台的初级天然气4亿立方初级天然气，产出3亿立方国家二类标准天然气。主要处理工艺是对初级天然气进行杂质过滤；脱除二氧化碳（体积占比32.8%），再对其进行精加工后对外输送食品级的二氧化碳副产品；通过物理方式提取天然气重组分（C3以上，体积占比3.3%），加工后二次销售；剩余的为该处理站的主要产品天然气（主要是甲烷，含有少量的乙烷和氮气）。

天然气处理站能源配置如下：

最大用电负荷8859kW，其中用于集中控制系统、仪表系统、消防系统负荷等为一级负荷189kW，天然气工艺处理装置区域生产负荷为二级负荷8292kW，办公区及其它为三级负荷378kW，电力通过公用电网经变压器以及配电装置对站内提供。一级负荷由两个电源供电，二级负荷由两回线路供电。该处理站厂址处于海岛，短期无法提供220kV或110kV电源，目前只能提供同杆两回35kV电源（当地该电压等级属于农业用电级别，供电可靠性低，维护情况难以估计），即使远期提供的110kV电源，考虑到电源廊道原因，需远距离从大陆通过沿海堤敷设，且只能提供同杆双回架设，另该地区夏季处于台风高发生区域，电源可靠性受到较大影响，供电可靠性降低。

热负荷主要由以下几个方面构成：导热油热负荷2025kW，其中高温热用户1062kW，低温热用户963kW，由燃气热媒炉提供；另外工艺用热23t/h，最大总用量26.45t/h，由燃烧天然气的蒸汽锅炉提供。

2、天然气CCHP的系统设计方案

为了更好优化天然气处理站的能源配置，且利用处理站本身的特点，提出了天然气CCHP的系统设计。根据“以热定电”的原则，将原来的功能体系改变为以下方式：主要设备选型如下：4600kW燃气轮机2台；12t/h余热锅炉（补燃最大负荷15t/h）2台；15t/h燃气锅炉（备用）1台；考虑到导热油热负荷要求参数较高，且已经购置设备，方案考虑由原来2台2600kW热媒炉（一用一备）提供。

天然气处理站CCHP系统组成包括了燃料系统、供电系统、烟气系统、蒸汽系统、冷却水系统以及导热油系统（原已配置），见图1。

1）燃气系统：该项目的燃料天然气直接来自处理站经处理后的天然气，经过压力调节和计量装置，将天然气供应给燃气轮机、热媒炉燃烧系统以及备用的天然气锅炉系统，必要时为余热锅炉提供补充燃料。

2）供电系统：在燃气轮机发电时，发电机输出电功率供应天然气处理站的电负荷。若燃气轮机发电系统检修、故障停运以及所发电功率不能满足用电负荷需求时，通过外部电网向天然气处理站输送电力；当燃气轮机发电功率在满足天然气处理站后有多余时，这部分少量电量可以送给外部电网。

3）烟气系统：天然气在燃气轮机内部燃烧后，排出的烟气温度大约为505℃，烟气进入余热锅炉，经过热量交换后约以90℃排入大气。

4）蒸汽系统：该项目的普通冷热负荷的能源均来自蒸汽系统，分布式能源运行的情况下，能源来自余热锅炉提供的饱和蒸汽，通过热交换设备或者制冷设备为天然气处理站提供热负荷或冷负荷所需的能源来源。在当CCHP系统其中一台停运或故障期间，由备用的天然气锅炉燃烧替代余热锅炉产生的饱和蒸汽。

5）锅炉给水系统：蒸汽通过热交换设备和制冷机（溴机）后产生的凝结水，通过回水系统进入锅炉循环利用。

6）导热油系统：主要有热媒炉、热媒炉燃烧器以及导热油组成，还包括高、低温热油循环泵，膨胀罐，储油罐，氮封装置等辅助设备。导热油经过热媒炉加热升温至330℃，以液相方式输至工艺装置用热设备，以自身的显热与用热设备进行热交换，循环使用。

3、经济性评价

经济性评价方法分为静态评价和动态评价。静态评价主要的方法是初期评估。年总费用（Annual Total Cost， 简称ATC）是一种动态评价方案，是将不同时间内资金的流入、流出换成同一时间内资金的价值，包括系统除投资费用、年维护费用以及年运行费用，其中年投资费用和年维护费用是把总设备投资费用和维护费用在使用寿命年限内各年均摊[3]。静态投资主要数据如表1。

通过上述分析，CCHP项目投运后，可降低原天然气处理站的运行成本，最优的投资可在不到7年收回成本，经济评估是可行的。

4 结束语

本文设计的系统在非夜间低谷期间，能源站通过燃气轮机发电，所发电力大部分项目自行消纳，少量多余电量或者缺口电量从公用系统接入，供热由余热锅炉（含补燃）提供；夜间低谷期间，采用电网输电至天然气处理站供电，启动天然气锅炉供热。这样可以实现电源的互为备用，削峰填谷，提高电源可靠性和综合能源利用率。在电网紧急情况下，可作为地区的应急保安电源，可以有效提高电网供电的可靠性。

与传统集中式发电系统相比，分布式能源系统具有能源转换利用率高、清洁安全、削峰填谷（缩小电网峰谷差）、经济效益好、节能减排、增强电网应急能力等优点。其发展已经受到政府的重视，目前国内部分地区已经开始实行建设项目给予政府设备投资补贴、天然气优惠价格以及优惠的财税政策。我国分布式能源的发展相对国外发达国家，在政策、燃料、资源利用率、并网、环保和成本方便都有种种的制约因素，导致发展相对缓慢。但在能源负荷集中、环保压力严峻的地区建设天然气式的CCHP项目，具有良好的经济效益和社会效益。

在投资基于天然气发电的CCHP项目时，虽其有一系列独有的优势，但是并非有电、热、冷负荷的地方都能经济的、可靠的建设分布式能源。必须将投资和收益之间充分论证。通过本项目的论证，特别是重点关注了天然气气价、当地上网电价、当地蒸汽接受价格以及热电比等高灵敏度因素分析后，得出该项目是可行的。

参考文献

[1]关于发展天然气分布式能源的指导意见.发改能源[2011]2196号.

[2]张晓红，熊建文，胡斐，分布式能源在数据中心应用的可行性，电力和能源，2012.8，P361-363.

[3]曾飞.燃气轮机冷热电联产系统多目标优化配置与运行策略研究，华南理工大学硕士论文， 2013.5， P27-29.

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