天然气在城市供暖中的应用论文(,理工论文论文)

天然气在城市空间供暖中的应用 论文介绍了天然气在城市供暖中的应用特点和发展现状，然后以一次能源消耗和经济性为指标，分析比较了这些形式的优缺点和应用场合。关键词 天然气、能耗、经济性 摘要 阐述了燃气锅炉、燃气热电联产和燃气驱动热泵的应用、技术特点和现状，并以一次能源消耗率和经济性作为评价的优缺点和适用性indices.Keywords 天然气，供暖，能源消耗，经济 我国天然气开发建设的快速推进，使得东部大量城市抗议使用天然气的条件逐渐成熟。天然气在大城市广泛使用，特别是在供暖和空调领域。已经到达。

1 天然气在采暖领域的应用形式 天然气在采暖领域的主要应用形式见图1。 图1 燃气采暖的各种形式 1.1 燃气锅炉 对于燃气锅炉来说，天然气燃烧产生的热量直接用于加热，这是最简单的加热方法。从规模上看，这种供暖方式包括家用燃气炉供一户人用、小型燃气锅炉供楼宇或小区供暖，以及区域燃气锅炉供大面积供暖。1.1.1 家用燃气灶，是一种广泛使用的天然气取暖方式。它通常安装在厨房或阳台上。它配备了先进的电子点火控制、安全保护和温度调节系统。操作简单，调整灵活。，也能满足国内的热水需求。然而，由于分散燃烧，会影响小区的空气质量，还会出现燃气泄漏、燃烧失败甚至爆炸等安全问题。1.1.2 小型燃气锅炉实际上是一种小型燃气集中供热系统。在用户附近设置统一的燃气锅炉，为每个用户的房间提供暖气和热水。这种加热系统通常用于商业或办公楼。由于用户的热源集中在一处，管理方便，提高了安全性，也相应减少了用户的空气污染问题。但需要增加锅炉房和管网。1.1.3 区域燃气锅炉规模较大，需要通过热网向大面积用户供热。因为热源比较集中，供热系统运行工况更稳定，锅炉运行效率更高。同时，大型锅炉更有资格采用先进的低氮燃烧技术，环境污染更小。在现有的一些“煤改气”中，可根据具体情况慎重应用在区域供热系统中。

但由于热网投资大，热水管网能耗和热损失大，这种燃气供暖方式不适合在新建的区域供热系统中推广。1.2 燃气热电联产 对于纯火力发电系统，一般只有少部分燃料能转化为电能，发电效率只有30%左右，而大部分燃料能形成余热排放到气氛。热电联产系统在发电的同时利用这部分余热供热，使热电联产的能源利用效率达到80%以上。由于实现了能源的梯级利用，是比燃气锅炉先进的供暖形式。评价热电联产系统能源利用效率的主要指标是热电比和发电效率。热电比是指供热与热电联产系统或装置的发电量之比。1.2.1 锅炉加采暖汽轮机是我国最常见的热电联产形式。燃料在锅炉中燃烧后，将热量传递给蒸汽，高温高压的蒸汽带动汽轮发电机发电。工作完成后，利用低品位汽轮机抽汽（图2a）A或背压排汽（图2b）加热。该系统适合以煤为燃料，技术非常成熟，主要设备已经国产化。然而，由于占地大、负荷调节能力差、发电效率低，燃气热电联产系统一般只用于煤改气热电联产，很少用于新建热电联产系统。图2 锅炉+加热汽轮机形式的热电联产系统 1.2.2 燃气轮机热电联产系统如图3 所示，分为单循环和联合循环两种形式。

单循环的工作原理如下：空气经过压气机和燃烧室内的气体后，温度达到1000℃以上，压力在1.0～ 1.6MPa，进入燃气轮机推动叶轮，燃料被推入叶轮。热能转化为机械能，驱动发电机发电。燃气轮机排出的烟气温度一般为450-600℃，热量由余热锅炉回收供热。大型燃气轮机效率可达30%以上，热电输出总效率一般可保持在80%以上。当机组负荷低于50%时，热效率明显下降。燃气轮机机组启停调节灵活（通常启动时间约10-15分钟，快速启动约6分钟），更适用于波动较大的负载。目前工业燃气轮机的生产基本来自西方国家。图 3 燃气轮机热电联产系统示意图 采用背压排汽供热，可形成燃气-蒸汽联合循环系统（图 3b）。该系统工程的发电效率进一步提高，甚至达到50%以上。1.2.3 另一种形式的燃气热电联产使用往复式内燃机作为动力装置。规模较小时，其发电效率明显高于燃气轮机，一般在30%以上，

但由于内燃机的润滑油和气缸冷却放出的热量等级低（温度不超过90℃），热量份额非常大，几乎等于烟道回收的热量。气体，所以这种加热形式具有较高的加热温度。在苛刻的情况下受到限制。建筑热电联产是一种小型高效的天然气供暖系统，特别适用于商业建筑。所用的动力装置都是小型化的，如小型燃气轮机、微燃发动机和小型内燃机。与大型集中供热（冷）方式中的热电（冷）联产相比，楼宇式热电（冷）热电联产系统节省了外网投资和相应的热损失。但是，小型电厂的单位发电量投资相对较高。从热、电、冷三负荷的动态平衡入手，如何优化系统配置和运行是决定系统经济性的关键。[NextPage] 1.2.4 燃料电池是将氢和氧反应生成水所释放的化学能直接转化为电能的装置。它有3个基本组成部分，即燃料（由CH4产生的H2）处理装置、燃料电池的基本组成部分和转换器装置（将直流电转换为交流电）。其基本原理相当于反向电解反应的反应。燃料（H2或CO等）和氧化剂（O2） 通过氧化剂对电池正负极的作用被电离成离子；因为离子可以通过两电极中间的电介质在电极之间迁移，两电极之间形成A电压，当电极与外加负载形成回路时，即可供电。图4显示了质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢气被分离成质子和电子，质子穿过膜，电子绕着膜走。电流流过膜；在膜的另一侧，质子和电子与氧气结合形成水，而另一种副产品热量则用于提供热量。因为离子可以通过两电极中间的电介质在电极之间迁移，两电极之间形成A电压，当电极与外加负载形成回路时，即可供电。图4显示了质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢气被分离成质子和电子，质子穿过膜，电子绕着膜走。电流流过膜；在膜的另一侧，质子和电子与氧气结合形成水，而另一种副产品热量则用于提供热量。因为离子可以通过两电极中间的电介质在电极之间迁移，两电极之间形成A电压，当电极与外加负载形成回路时，即可供电。图4显示了质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢气被分离成质子和电子，质子穿过膜，电子绕着膜走。电流流过膜；在膜的另一侧，质子和电子与氧气结合形成水，而另一种副产品热量则用于提供热量。图4显示了质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢气被分离成质子和电子，质子穿过膜，电子绕着膜走。电流流过膜；在膜的另一侧，质子和电子与氧气结合形成水，而另一种副产品热量则用于提供热量。图4显示了质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢气被分离成质子和电子，质子穿过膜，电子绕着膜走。电流流过膜；在膜的另一侧，质子和电子与氧气结合形成水，而另一种副产品热量则用于提供热量。

燃料电池的种类很多，根据使用的电解质不同，有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等... 图4 质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作原理 燃料电池具有无污染、效率高、应用广泛、无噪音、可连续运行等优点。其发电效率可达40%以上，热电联产效率可达80%以上。目前，大部分燃料电池都在开发中，已经推向市场的产品价格仍然很高（1500美元/千瓦以上）。但随着这项技术商业化的推进，它将在未来的燃气供暖行业中发挥越来越重要的作用。目前主要有美国、加拿大、日本、德国等国家的公司从事燃料电池的研发。国内还有大连化学研究所等多家从事燃料电池研究的单位。1.3 燃气热泵 燃气热泵是一种以燃气为动力，利用环境热量来供热的装置，如图5所示。燃气热泵提供的热量是燃气热量和热量之和。环境热量，因此其效率高于燃气锅炉。携带热量的环境介质可以是周围的空气、江河湖海中的水、地热等废热介质。根据工作原理的不同，可分为气体压缩式热泵和气体吸收式热泵两种。图 5。

动力装置可以是燃气轮机、内燃机等。上述机械能推动压缩式热泵吸收环境热量产生热量供热，同时电厂烟气余热通过余热锅炉变为供热热量。这些加热系统具有很高的加热效率，可以达到160%以上。图6 气体压缩热泵的组成 吸收式热泵通过工质（如水）的蒸发和冷凝，以及溶液吸收和再生等传热传质过程工作。常用的工作流体主要有溴化锂溶液和氨水。对于溴化锂气体热泵，单效热泵的加热效率可达150%~170%，双效型可超过200%。受技术条件限制，我国北方严寒时期，由于除霜困难、效率低等问题，燃气热泵与电热泵一样，仅限于直接吸热的空气源热泵。来自环境空气。然而，利用地热、河流、湖泊、海水等余热的燃气热泵在北方地区推广更有价值。2 能耗分析 以一次能源消耗率b作为供热系统能耗的评价指标，代表单位供热的一次能源消耗（即燃料消耗）。对于燃气锅炉，一次能源消耗率bb是供热效率ηnot的倒数（考虑管道损失），即燃气热电联产，系统有热和电两种不同的输出。常规发电设备的发电效率为ηE（全国平均发电效率为32.5%），则其一次能源消耗为. 若热电联产总能量利用效率为ηnot，发电效率为ηe，则供热系统一次能源消耗率bc为；对于气体吸收式热泵，如果其热效率为COP，则一次能源消耗为；如果发电厂的效率为 ηe，

效率取表1值时，各燃气供热形式的能耗率如图7所示。 表1.户用和小燃气炉面积燃气锅炉燃气热电联产燃气压缩热泵燃气吸热效率值泵锅炉加汽轮机单循环联合循环燃料电池ηno0.900.800.@ >800.800.800.800.80-ηe--0.250.300.400.450.30-COP------3.@ >501.50 图7显示了每种天然气加热形式的一次能源消耗率。能耗率明显低于其他供热形式，燃气热泵居中，燃气锅炉耗能最多。燃料电池和热电联供供热的能耗率为负值，说明这些供热系统发电的能耗低于一般发电系统的能耗（全国平均发电能耗），因此用于加热的废热将不会被使用。消耗能量。由于气体压缩热泵将机械能转化为热能的不可逆损失较大，而气体吸收式热泵因发电机传热造成的不可逆损失较大，因此燃气热泵的一次能源消耗较大高于热电联产。但燃气锅炉燃烧后烟气与水（或蒸汽）之间的不可逆传热损失较大，导致能耗比燃气热泵高。因此，仅从能源消耗的合理利用角度出发，应首先推广热电联产供热方式，尽可能避免使用燃气锅炉。当然，由于燃气锅炉，尤其是家用燃气锅炉具有良好的可调性，可以随时启停，按需调节供热，从而减少燃气消耗。在旧的按区收费管理制度下，用户端缺乏调节手段也会导致能源浪费。并且尽量避免使用燃气锅炉。当然，由于燃气锅炉，尤其是家用燃气锅炉具有良好的可调性，可以随时启停，按需调节供热，从而减少燃气消耗。在旧的按区收费管理制度下，用户端缺乏调节手段也会导致能源浪费。并且尽量避免使用燃气锅炉。当然，由于燃气锅炉，尤其是家用燃气锅炉具有良好的可调性，可以随时启停，按需调节供热，从而减少燃气消耗。在旧的按区收费管理制度下，用户端缺乏调节手段也会导致能源浪费。

但随着未来新型热电供暖系统的推广，这一缺点将逐渐被克服。[NextPage]3 经济比较 供热形式的经济问题总是比上述能源消耗更为复杂，它取决于供热系统本身的经济特性和外部条件。就系统自身的特点而言，主要包括系统投资、各能量转换环节的效率、设备的使用寿命、系统维护成本和人工工资等，但主要是前三项。一般来说，系统效率越高，投资越大，两者对经济的影响相反。从外部条件看，主要影响因素包括能源价格、如天然气价格、电价等，以及系统承担的热负荷特性，如最大热负荷小时数。如果比较方案，供热价格可以忽略不计，单位热容量的运行成本z，RMB/kW，可以作为经济评价指标，即系统投资折旧与运行成本之和。成本。为了使分析更清晰，燃料成本主要考虑在运营成本中。对于燃气锅炉和燃气热泵，单位制热量的年运行成本z为：z=rv+Cfbh，其中v为单位制热量的系统投资，元/kW；r为折旧率，为系统使用寿命的倒数；b 为系统一次能源消耗率；h 为最大年供暖小时数；Cf 为天然气价格，元/m3。对于燃气热电联产系统，发电收入应从成本中扣除，因此： ，其中系统投资v包括单位制热量热电联产系统投资和热管网投资；Ce 为发电电价，元/(Kw·h)。

下面对天然气供热系统进行简单的经济分析，其中燃气锅炉以家用燃气炉为例，燃气热泵以压缩热泵为例，燃气热电联产以单循环为例一个例子。燃气炉投资300元/kW，燃气热泵投资1400元/kW。燃气热电联产投资3500元/kW，其中热电联产热源投资2700元/kW（折合发电量4500元/kW），热网投资800元/kW千瓦。为简单起见，折旧年限为 20 年。各供热形式的效率仍取表1中的值。因此，当天然气价格、电价、供热运行小时数等外部条件发生变化时，可以获得最经济的天然气加热方式（见图8、图9））。图8 燃气供热形式 经济分布 图8中的经济分布是在电价0.4元/(kW·h)的条件下得到的。可见，燃气锅炉虽然能耗高、燃料成本高，但由于投资少，使得供暖时间相当短，是最经济的。当供暖时间较长时，热泵和热电联产将显示出运行成本低的优势。由于廉价燃煤发电的竞争，燃气热电联产在这种情况下，虽然热电联产的能耗低于热泵热电联产供热优势，但 当天然气价格较高时，燃气热泵的经济性优于燃气热电联产。电价模式经济分析 图9显示了天然气采暖电价和天然气价格的经济分布，其中年采暖小时数取2000小时。

可见，在电价和天然气价格很低的情况下，用燃气锅炉供暖是合适的。当天然气价格高而电价低时，燃气热泵是最经济的。当天然气价格低而电价高时，热电联产是经济的。一般北方地区供暖时间长，天然气价格昂贵。降低供暖成本的唯一方法是提高能源效率，即使用燃气热泵和热电联产。燃气热泵受气候条件的影响，水源或地热燃气热泵的使用也受到不同程度的环境限制。因此，在现有技术条件下，燃气热泵尚不具备大量推广使用的条件。热电联产能耗最低，但只有在电价高、使用时间长的情况下才具有经济优势。当气价高于1.40元/m3时，只有电价超过0.45元/(kW·h)热电联产最经济。一般燃煤电厂发电成本不超过0.30元/(kW·h)。因此，当燃气热电联产系统在线发电时，在电力市场上无法与燃煤电厂竞争。我该怎么办？一种有效的方式是利用燃气热电联产负荷调节的灵活性，在电网中作为调峰电站运行，然后以更高的调峰电价接入电网。另一种方法是开发基于建筑物的天然气热电联产系统。这样可以减少热管网的投资，同时发电自用热电联产供热优势，替代电网中价格较高的电。例如，北京的商业电价为0.60元/(kW·h)，天然气价格为1.80元/m3。从图8可以看出，在这个价格下，燃气热电联产是经济的。80元/立方米。从图8可以看出，在这个价格下，燃气热电联产是经济的。80元/立方米。从图8可以看出，在这个价格下，燃气热电联产是经济的。

此外，热电联产的供热也可用于驱动夏季空调吸收式冷水机组，形成电热冷三联供，增加年供热时间，提高热电联产系统的经济性。4 结论 4.1 从合理利用能源的角度看，天然气热电联产供热方式应优先推广，但仍需技术和经济的综合比较。4.2供暖时间短的用户，可采用燃气锅炉供暖。对于投资较大的热电联产系统，由于发生时间短，高峰负荷也可以由燃气锅炉承担。4.3 在我国现有条件下，燃气热电联产的理想应用方式是以调峰的方式并网运行，并发展小型建筑式热电联产（供冷）系统。4.4 燃气热泵可应用于气候、水源、地热或其他余热条件允许的地方。参考文献 1 蒋毅，付林，天然气在城市供热中的应用新途径，中国能源，2001（5）