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天然氣分布式能源系統(tǒng)節(jié)能分析

文檔作者：王婭男，田貫三文檔來源：山東建筑大學熱能工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月16日
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管理工作有關的部門可根據(jù)國家節(jié)能、計量和其他
有關法律法規(guī)，制定并實施綜合性的管理制度和措
施，聯(lián)合對用能單位開展包括能源計量管理在內(nèi)的
有關節(jié)能管理全要素的監(jiān)督檢查，消除單一部門監(jiān)
管的盲區(qū)，督促用能單位多管齊下、綜合協(xié)調(diào)做好
節(jié)能工作。4）與節(jié)能有關的部門要建立信息互通機制，
對用能違法行為進行懲處。各職能部門要交流和
共享信息，對各自和聯(lián)合監(jiān)督檢查中發(fā)現(xiàn)的違反國
家節(jié)能和能源計量管理及其他方面法律法規(guī)的行
為，通過不同的執(zhí)法主體進行嚴肅的處理，構(gòu)建對
違法行為嚴懲態(tài)勢，促進節(jié)能監(jiān)察工作開展和節(jié)能
目標責任制的落實。
作者簡介：劉曉潔（1963 - ），女，河南安陽人，大學，工程
師，從事計量工作研究。
收稿日期：2014 -07 -20
基金項目：國家十二五科技支撐計劃“城鎮(zhèn)群重大基礎設施空間規(guī)
劃關鍵技術研究”（項目編號：Ｎ02012ＢＡＪ15Ｂ05）
天然氣分布式能源系統(tǒng)節(jié)能分析
王婭男，田貫三
（山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101）
摘要：通過與燃氣、燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)的對比分析，得出天然氣分布式能源的節(jié)能特性：在供熱工況下，相
對燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)節(jié)能效果高達40％；在制冷工況下，只有在發(fā)電效率和制冷效率較
高時才會節(jié)能，且節(jié)能效果一般不超過10％；與燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)相比，在供熱工況下，分布式能源系統(tǒng)
節(jié)能效果高達50％；在制冷工況下，節(jié)能效果一般在10％以上。因此，要正確看待天然氣分布式能源
系統(tǒng)的節(jié)能性，根據(jù)對象負荷要求，合理應用分布式能源系統(tǒng)。
關鍵詞：天然氣分布式能源系統(tǒng)；燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)；燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)；節(jié)能分析
中圖分類號：ＴＶ996 文獻標識碼：Ａ 文章編號：1004 -7948（2014）11 -0008 -04
doi：103969／ ｊ． ｉｓｓｎ． 1004 -7948． 2014． 11． 003
引言
隨著世界經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，全球環(huán)境加速
惡化，世界能源結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。1978 ~ 2012
年我國能源消耗量如圖1 所示。2008 ~2012 年我
國環(huán)境污染治理投資額如圖2 所示。從圖中可以
看出，煤炭等化石能源從2003 年開始消耗量增長
迅猛，到2012 年煤炭消耗量已經(jīng)翻一番，遠遠超出
自然環(huán)境的承受能力，且其污染物排放量大、種類
多，對大氣環(huán)境質(zhì)量造成嚴重污染，環(huán)境污染治理
投資逐年增長，到2012 年污染物治理投資額比2008 年多3316 億元，增長70％ 左右，投資巨大。
可見，我國能源利用結(jié)構(gòu)急需調(diào)整，應大力發(fā)展天
然氣、風能、核能等清潔的可再生能源，加大可再生
能源在能源消耗中的比重，緩解環(huán)境壓力。
圖1 1978 ~ 2012 年我國能源消耗量圖
分布式能源系統(tǒng)相對于集中供熱系統(tǒng)而言，熱
源效率高，沒有輸送管網(wǎng)沿途損失，供熱效率高且
沒有末端調(diào)節(jié)等問題。文中將對天然氣分布式能
源的節(jié)能特性進行分析。
1 天然氣分布式能源系統(tǒng)
天然氣分布式能源是指以天然氣為燃料，布置
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圖2 2008 ~ 2012 年我國環(huán)境污染治理投資額
在用戶側(cè)能夠獨立輸出冷、熱、電能的綜合能源利
用系統(tǒng)。其基本組成及工藝流程如圖3 所示，天然
氣作為燃料進入燃燒動力設備，燃燒驅(qū)動發(fā)電機發(fā)
電，發(fā)電后余熱按照余熱品質(zhì)的不同驅(qū)動相應設備
制冷制熱，從而達到能量的梯級高效利用目的，避
免能源浪費，減少能源投入。
圖3 天然氣分布式能源系統(tǒng)的基本組成及工藝流程
天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)電效率根據(jù)動力設
備的不同一般在25％ ~ 40％ 左右變化，總能源利
用效率一般在80％左右，能源利用率較高；天然氣
為清潔能源，環(huán)境污染??；天然氣分布式能源系統(tǒng)
“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的運行政策，可以緩解大電網(wǎng)在用
電高峰期的用電壓力。
2 天然氣分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能分析
2. 1 與天然氣分產(chǎn)系統(tǒng)相比1）供熱工況下定義天然氣分布式能源的節(jié)能
率，即產(chǎn)生相同電量和熱量，分布式能源系統(tǒng)相對
于分產(chǎn)系統(tǒng)的燃料消耗節(jié)約率。
天然氣分布式能源系統(tǒng)與天然氣分產(chǎn)系統(tǒng)比
較（計算標準為1ｍ
3 天然氣產(chǎn)生的熱量）。
供熱工況下的節(jié)能率：
ｙ = ηｇ ／ ηｇｃ
+ ηｈ ／ ηｇｂ
-1
ηｇ ／ ηｇｃ
+ ηｈ ／ ηｇｂ
（1）
式中：ηｇ
—天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)電效率；
ηｇｃ
—燃氣聯(lián)合循環(huán)電廠發(fā)電效率與電網(wǎng)輸
配效率的乘積；
ηｈ
—天然氣分布式能源系統(tǒng)供熱效率；
ηｇｂ
—燃氣鍋爐供熱效率。2）制冷工況下制冷工況下的節(jié)能率通常是以
等效發(fā)電量作為比較的基準，即除天然氣分布式能
源的發(fā)電量外，還有系統(tǒng)利用余熱產(chǎn)生冷量均是以
電制冷方式獲取時所需消耗的電量為分布式能源
制冷工況下的等效電量。
天然氣分布式能源系統(tǒng)與天然氣分產(chǎn)系統(tǒng)比
較（計算標準為1ｍ
3 天然氣產(chǎn)生的熱量）。
天然氣分布式能源系統(tǒng)的等效發(fā)電量η：
η = ηｇ
+ ηｈ
ＣＯＰａ
ＣＯＰｂ
（2）
制冷工況下的節(jié)能率ｙ：
ｙ = η ／ ηｇｃ
-1
η ／ ηｇｃ
（3）
式中：ＣＯＰａ
—吸收式制冷機制冷系數(shù)；
ＣＯＰｂ
—壓縮式電制冷機制冷系數(shù)。
2. 2 與燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)相比1）供熱工況下與天然氣分產(chǎn)節(jié)能率計算方法
相同，但原煤熱值為5000ｋｃａｌ ／ ｋｇ，天然氣熱值為8600ｋｃａｌ ／ ｍ
3，相當于每燃燒1ｍ
3 天然氣產(chǎn)生的熱
量相當于1. 72ｋｇ 原煤燃燒產(chǎn)生的熱量。式（1）計
算標準為1. 72ｋｇ 原煤（1ｍ
3 天然氣）產(chǎn)生的熱量。
供熱工況下的節(jié)能率：
ｙ = ηｇ ／ ηｃｃ
+ ηｈ ／ ηｃｂ
-1
ηｇ ／ ηｃｃ
+ ηｈ ／ ηｃｂ
（4）
式中：ηｃｃ
—燃煤聯(lián)合循環(huán)電廠發(fā)電效率與電網(wǎng)輸
配效率的乘積；
ηｃｂ
—燃煤鍋爐供熱效率。
可以看出燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能率表達形式與天
然氣分產(chǎn)系統(tǒng)大致相同，只是比較基準不同。2）制冷工況與供熱工況節(jié)能率分析方法、計
算公式相同，計算標準為1. 72ｋｇ 原煤（1ｍ
3 天然
氣）產(chǎn)生的熱量。
3 舉例分析天然氣分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能特性
3. 1 與天然氣分產(chǎn)的比較
天然氣發(fā)電通常采用燃氣- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)系
統(tǒng)，供熱通常采用燃氣鍋爐，制冷系統(tǒng)采用電壓縮
式制冷機，這里取分產(chǎn)系統(tǒng)中效率較高的機組作為
比較對象：燃氣- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率取
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55％，同時考慮電網(wǎng)損失10％；燃氣鍋爐的供熱效
率可達到90％；電制冷機ＣＯＰ 取5。分布式能源
系統(tǒng)中吸收式制冷機ＣＯＰ 取1。
供熱工況下天然氣分布式能源的節(jié)能效果如
圖4 所示，圖中比較了不同的發(fā)電效率與供熱效率
下，天然氣分布式能源的節(jié)能情況。
圖4 供熱工況下天然氣分布式能源相對于
天燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率 從圖4 中可以看出，天然氣分布式能源并不是
在所有工況下都比分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能，當天然氣分布式
能源的發(fā)電效率較低或系統(tǒng)總的能源利用效率較
低時，系統(tǒng)并不節(jié)能；當天然氣分布式能源系統(tǒng)發(fā)
電效率或總能源利用效率達到一定值后，天然氣分
布式能源系統(tǒng)開始節(jié)能，此時，在總的能源利用率
一定的條件下，天然氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電效率
越高，系統(tǒng)越節(jié)能；在相同的發(fā)電效率條件下，分布
式能源系統(tǒng)的總效率越高，系統(tǒng)越節(jié)能。例如，當
總能源利用效率為75％，隨著發(fā)電效率的提高，系
統(tǒng)由不節(jié)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能率為26％，當發(fā)電效
率為35％，隨著總能源利用效率的提高，系統(tǒng)由不
節(jié)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能率為30％。
制冷工況下天然氣分布式能源的節(jié)能效果如
圖5 所示，圖中比較了不同的發(fā)電效率與總能源利
圖5 制冷工況下天然氣分布式能源相對于
天燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率
用效率下，天然氣分布式能源的節(jié)能情況。 從圖5 中可以看出，制冷工況下天然氣分布式
能源系統(tǒng)的節(jié)能率與供熱工況下的變化趨勢大致
相同，但與示例的燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)相比，天然氣分布
式能源的發(fā)電效率或總能源利用效率必須要達到
非常高時，天然氣分布式能源系統(tǒng)才會節(jié)能。當系
統(tǒng)發(fā)電效率小于35％ 時，系統(tǒng)總能源利用效率不
論多高都不節(jié)能，當分布式能源系統(tǒng)發(fā)電效率為45％ 時，天然氣分布式能源總的利用效率要達到70％時，系統(tǒng)才能節(jié)能，這種程度的發(fā)電效率和能
源總利用效率對于一般的天然氣分布式能源機組
來說很難實現(xiàn)，只有目前尚處于研究階段的燃料電
池發(fā)電效率在50％ ~ 60％，若系統(tǒng)總能源利用效
率在80％左右，節(jié)能率能達到10％左右。所以，在
一般情況下，天然氣分布式能源在供冷工況下不如
燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能，在供冷工況下，要慎用天然氣
分布式能源系統(tǒng)。
3. 2 與燃煤分產(chǎn)的比較
以濟南市某熱電廠為例，電廠發(fā)電效率10％，
同時考慮電網(wǎng)損失10％；燃煤鍋爐供熱效率80％；
電壓縮式制冷機ＣＯＰ 取5。以燃氣內(nèi)燃機替代原
有鍋爐，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率一般為25％，總效率
可達85％。
供熱工況下天然氣分布式能源相對于燃煤分
產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率關系如圖6 所示。當采用燃氣內(nèi)
燃機時，系統(tǒng)節(jié)能率高達30％。燃氣- 蒸汽熱電
聯(lián)產(chǎn)的替煤效果如表1 所示，從表1 中數(shù)據(jù)可以看
出，天然氣分布式能源系統(tǒng)的替煤量明顯，可以在
很大程度上減少燃料投入。結(jié)合圖6，天然氣分布
式能源發(fā)電效率為25％ 時，系統(tǒng)總的能源利用效
率在30％附近，與表中數(shù)據(jù)相差甚少，基本吻合。
圖6 供熱工況下天然氣分布式能源相對于
燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率
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表1 燃氣- 蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)的替煤效果
項目
替煤量／
ｋｇ·ｍ
-3
節(jié)煤量／
ｋｇ·ｍ
-3
節(jié)煤百分
比／ ％
發(fā)電替煤1. 19 - -
供熱替煤1. 21 - -
總替煤2. 40 0. 68 28. 3
注：原煤的低熱值5000ｋｃａｌ ／ ｋｇ，天然氣低熱值8600ｋｃａｌ ／ ｍ
3 。 由以上分析可知，天然氣分布式能源系統(tǒng)相對
燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率與相對燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)的整
體變化情況應該是一致的，但是由于燃煤電廠與燃
煤采暖鍋爐的能源利用效率比較低，天然氣分布式
能源系統(tǒng)相對燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)來說更加節(jié)能。 分布式能源系統(tǒng)的替煤量是以等效發(fā)電量為
基準進行比較分析的（見表2）。從表2 可以看出，
天然氣分布式能源的替煤量并不明顯，不能有效地
減少燃料輸入。這一點同時也能夠從圖7 中體現(xiàn)，
圖7 所示為制冷工況下天然氣分布式能源相對于
燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能節(jié)能率。
表2 燃氣蒸汽冷電聯(lián)產(chǎn)的替煤效果
項目發(fā)電替煤
替煤量／ ｋｇ·ｍ
-3 1. 77
節(jié)煤量／ ｋｇ·ｍ
-3 0. 05
節(jié)煤百分比／ ％ 2. 8
注：原煤的低熱值5000ｋｃａｌ ／ ｋｇ，天然氣低熱值8600ｋｃａｌ ／ ｍ
3 。
圖7 制冷工況下天然氣分布式能源相對于燃
煤分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能率
當燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率一般為25％，總效率
可達85％時，天然氣分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能率為3％左右，同表中數(shù)據(jù)基本吻合。但是，只要發(fā)電效
率與總的能源利用率較高，制冷工況下的節(jié)能率就
會很高，若分布式能源系統(tǒng)發(fā)電效率為35％ ，總能
源利用效率達到85％，系統(tǒng)的節(jié)能率就能達到20％ 以上，并且隨著機組發(fā)電效率和總效率的提
高，節(jié)能率還會繼續(xù)增大。
4 結(jié)論
1）相對燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)：在供熱工況下，天然氣
分布式能源節(jié)煤率高達40％，可在很大程度上節(jié)
約燃料，減少環(huán)境污染；在供冷工況下，只有在發(fā)電
效率與能源綜合利用效率非常高時，才有節(jié)能效
果，且一般情況節(jié)能率不超過10％，節(jié)能效果
有限；2）相對燃煤分產(chǎn)系統(tǒng)：在供熱工況下，天然氣
分布式能源節(jié)煤率高達50％，比燃氣分產(chǎn)系統(tǒng)更
節(jié)能；在供冷工況下，節(jié)能效果也較明顯，在總發(fā)電
效率為25％時，節(jié)煤效率就可達到10％左右，且隨
著總發(fā)電效率和總能源利用效率的增加節(jié)能率也
會明顯增加；
綜合2 種工況的運行分析，在對特殊建筑的分
布式能源系統(tǒng)的應用中，系統(tǒng)全年運行，只要合理
分配建筑群體的冷、熱、電三種負荷的比例，天然氣
分布式能源系統(tǒng)完全可以有效的減少節(jié)約能源，減
少環(huán)境污染。
參考文獻
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中國建筑工業(yè)出版社，2008．
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響的研究［ Ｊ］． 山東建筑大學學報，2009，10（5）：454 -
460．
作者簡介：王婭男（1989 - ），女，山東榮成人，碩士在讀，研
究方向：新能源與節(jié)能技術。
指導教師：田貫三（1963 - ），男，黑龍江哈爾濱人，博士，教
授，研究方向：
收稿日期：2014 -07 -25；修回日期：2014 -10 -07
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