淺析天然氣的高效利用(上)

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論文標簽:天然氣經濟論文 中國天然氣論文
論文作者: 賴元楷
上傳時間:2008/6/17 10:02:00

一、前言

人們常稱21世紀是天然氣世紀,中國天然氣黃金時代就要到來。“天然氣經濟效應”將推動我国的能源革命、環保革命、產業革命向著一個嶄新的發展。

我國政府推出一系列支持和鼓勵發展國內天然氣、引進天然氣和引進液化天然氣的政策,為加促我国能源革命向天然氣轉换,提供了有力的保證。

最近中國政府出臺了天然氣產業上中下遊全環節對外開放的政策,鼓勵外商參與從天然氣的勘探開發、基礎設施、天然氣發電、大中城市燃氣的建設與經营的整個天然氣產業鏈。

天然氣的广泛應用、合理利用和天然氣的長期、穩定供應,為大力发展我國燃氣空調,開展区域制冷和化工精煉過程提供了可靠的基礎條件。

二、大力發展天然气產業是調整我國能源結構的需要

1、落後的一次能源消費結構

(1)中國一次能源消費結構:煤炭62.1%、石油27.7%、水電7%、天然氣2.7%、核能0.5%。

(2)世界一次能源消費結構:石油40.03%、煤炭24.98%、天然氣24.72%、核能7.64%、水電2.63%。

2、我國能源資源短缺的壓力

從1993年起,中國已成為石油凈進口國,2002年進口石油7000萬噸以上。2003年進口石油9000万噸以上,2004年超過1億噸,2005年中國石油消費量達到2.6億噸/年左右。到2015年中國將成為世界上最大的石油消費國。

2 001年中國天燃氣消费量250億立方米,2005年消費量300億立方米,在一次能源消費結構中還不到3%。

到2020年,中國天然氣產量將由目前的340億立方米增加到本1200億立方米,而需求量要增加到2000億立方米,缺口800億立方米需由进口來彌補。據有關资料分析,2006年將進口LNG320萬噸,2010年達1900萬噸,2015年达3300萬噸。

目前,我國人均占有能源儲量还不到世界人均占有量的一半。在能源資源中,煤炭占60%以上,人均煤炭資源占有量大約是世界人均的一半,而石油天然氣的人均占有量不到世界平均水平的十分之一。

第二次世界大戰之後,一切國際重大戰爭或冲突的根源就是為了搶奪有“黑金”之稱的石油。2003年伊拉克戰爭,不僅是對國際能源地緣政治格局的一次重新洗牌,也使得世界石油市場格局產生了巨大的影響。

能源資源短缺,對我國經濟的發展帶来了巨大的壓力。

3、我国環境嚴重汙染的壓力

長期以來,我國能源資源以煤為主,城市煤氣、工業窯爐、發電都以燃煤為主。燃燒產物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物,以及大量煙塵汙染,使城市空氣質量嚴重惡化。

  1998年聯合国公布了世界空氣汙染最嚴重的十大城市,排名為:太原、米蘭、北京、烏魯木齊、墨西哥、兰州、重慶、濟南、石家莊、德黑蘭。只有中國、南非、波蘭、和北朝鮮,煤炭使用率超过60%。

據權威部門檢测顯示:煙塵排放量的70%,二氣化硫的90%來自燒煤的結果。按我國目前燒煤炭比重高達70%的能源結構測算,每年排放二氧化硫2000多萬噸,工业煙塵1000多萬噸,酸雨控制面積達40%,環境汙染非常嚴重。

面對環境嚴重汙染的現象,扩大國內天然氣生產、加促引進国外天然氣和液化天然氣改變我國能源結構已成為迫不可待和需要認真研究的重要課題。

4、建设環保城市和生態城市的迫切要求

第二次世界大戰之後,科學技術的突飛猛進、經濟高速增長、城市規模迅速膨脹、農村城市化進程不斷加快,以大氣汙染和水資源環境恶化為特征的“城市病”不斷在漫延,不斷在報复人類,引起了各國政府的高度重視,大力支持環保城市的建設和生態城市的建設,用最清潔的能源不斷取代汙染性的能源是當代城市建設者們的一項重要任務。

5、天然氣是當今世界的理想能源

天然气是當今世界的理想能源,天然氣的合理利用和優化利用,特別是廣泛應用在燃氣空调、燃氣聯合循環發電和区域制冷對優化我國能源結構、優化生態城市建設、優化理想人居空間,創造人和自然的和諧環境都具有非常重要的意義。

第一、高效。绝大部分燃煤機組發電效率为30%左右,最高的亞臨界点發電效率也不超過38%;天然氣联合循環發電效率高達60%;如果采用功熱聯產技術應用天然氣,能源利用效率可達80%以上。

第二、洁凈。天然氣的主要成份為甲烷,1分子CH4燃燒产物為2分子H2O和1分子CO2,每立方米天然氣燃燒產物含2公斤水。CO2的總排放量遠遠小於燃煤,也小於燃烧液化石油氣。

液化天然氣(LNG),是天然氣從氣井開采出来之後,經凈化,除去杂質在低溫下液化的產物,其燃燒產物非常幹凈,基本不含硫化物和氮氧化物。

第三、方便。液化天然氣(LNG)在接收基地氣化以後,通过高壓管線輸送到門站,降低壓力後送至城市居民用戶和工商用戶,與管道天然氣一樣再不要後處理,既方便又省事。總的經济效益和社會效益遠遠大於用煤和其他燃料。這是天然氣在全球能耗比例中增長最快的主要原因。

三、我國天然氣的發展策略

  國家發改委最近提出我國天然氣發展策略是:立足國內、利用海外、西氣東輸、北氣南下、海气登陸、就近供應,走国內生產與國外進口相結合的LNG發展道路。預計至2020年投資2200億人民幣用于天然氣基礎設施建設。就是建设5萬公裏天然氣管線,引進千萬噸級液化天然氣接收站,形成百萬噸級的液化天然氣運輸能力。將在長三角、環渤海地區、泛珠三角地區建設10個左右的LNG接收站,到2020年形成進口5000萬噸規模LNG接收設施。使天然氣在一次能源消費中達到12%。

針對資源短缺將成為中國經济發展的重要瓶頸的問題,國家能源局將采取五大措施加以解決:

一是組織探明我國資源儲量,增加石油產量;

二是通過替代燃料和提高燃油經濟型標準來減少工业和民用機動車的耗油量;

三是大力開發天然氣資源,力爭在5年內產量翻兩翻;

四是鼓勵企業走出去,利用境外資源;

五是規範市場建設,面對電力短缺,采取錯峰用電,跨區域用電,用價格杠桿調節市場。實行多元化、多國化資源開發戰略,增強中國有效使用世界資源和保護國內資源的能力。

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四、引進国外天然氣的經濟意義和社会意義:

第一、今後幾年我国電力將嚴重短缺

隨著我國經濟建設的持续快速發展以及人民生活生平的不斷提高,對電力用量急劇增长的需求,就是采取西電東送和加速建設火力發電廠,也很難使缺電的局面得到緩解。

據國家電網公司透露,今冬公司經营區域內電力缺口為2983萬KW,其中华北缺747萬KW,華東缺2078萬KW,華中缺158萬KW,浙江省就缺880萬KW。

因此,引进天然氣,對增加電網調峰手段,改善環境汙染都具有非常重要的意義。

第二、引進天然氣為開發功熱聯產技術提供保證

引進天然氣為我國熱電聯产技術的發展,廣泛建立区域能源站,充分提高能量利用效率提供了非常有利的條件。對我國的供電安全也有重大作用。9.11事件和非典事件以後,發達国家都在加速建立區域制冷系统的步伐,避免由於意外事故造成大面積中斷供電事故,保障供電安全。

第三、大量引進天然氣有利於石化原料的結構調整

大量引進天然氣占領民用燃氣市場以後,可以把目前每年消耗的1500萬噸的民用液化石油氣頂替出來,回到石油化工原料市場上去,進一步優化我國石油產品的分布結构、優化乙烯和各種石化產品的原料结構,降低能耗,提高總體經济效益。

第四、參與迅速发展的世界LNG貿易

   美國聯邦儲備局局長阿兰.格林斯潘在參加今年四月戰略和國際研究中心舉行的能源會議時表示:

1、為防止未来急劇上升的燃氣價格給美國經濟造成損失,美國需要扩展天然氣領域在全球範圍內的貿易;

2、近年来,石油和燃氣六年交貨价格的急劇上漲必然會對美國經濟产生影響;

3、去年進口的液化天然氣只占美國市場總量的2%,部分原因是环境和安全隱憂限制了美國具备處理液化天然氣能力的港口數量或LNG運輸;

4、未來天然氣的高價格已經讓我們將天然氣進口當作更有吸引力的選擇;

5、目前世界能源進口中,石油比例為57%,天然氣僅為23%,這顯示了天然氣貿易的巨大潛力;

6、为了緩解目前的價格壓力,格林斯潘呼籲通過液化天然气終端設施的擴展和海岸LNG接收和重氣化新技術的發展努力擴大全球供應;

7、隨著LNG液化和運輸技術的發展和安全隐憂的減少,美國進口能力正在逐漸加強。

五、天然氣高效利用的途經分析

1、用作民用燃料和鍋爐燃料

天然氣用來燒水做飯,雖說是一種非常理想的清潔燃料,但就其熱量利用效率來說是極其不合算的。利用天然氣產生的高溫煙氣來加熱熱水,達到80至100℃,從熱力學第二定律計算可知其利用效率極低。作為民用燃料又不得不使用。隨着電磁竈的出現和普及,天然氣爐竈會被遂步頂替。作為工業燃料直接燒锅爐,將大量熱能浪費在煙气中,更是極不經濟的做法。

2、用作直燃空調燃料

利用天然氣燃燒的高溫煙氣作為溴化鋰制冷機組的熱源,使制冷機產生冷量,隨著國防环境意識的增強和溴化鋰制冷技術的不斷成熟,燃氣中央空調在世界各地得到了越來越广泛的應用。在日本,燃氣空調每年增長60多萬冷噸,並以13.6%的速度增長,比電空調以8.7%的速度增長快得多。目前在日本,5000平方米以上的現代建築,有70%以上使用吸收式制冷機。科學工作者正在研究5KW、2.7KW甚至更小的別墅和家庭用的小型吸收式燃气空調。但就天然氣在直燃式燃氣空调的利用來論,其熱力學效率還是比較低的。

3、用作聯合循環發電燃料

燃氣輪機是一種布來頓循環的新型發動機,目前噴氣式飛機的發動機都是燃氣輪機,屬輕型燃氣輪機。而發電廠用的是重型燃气輪機,規模可達幾十万KW。燃氣輪機發電技術发展非常快,20年前的發電效率只有20%左右,現在的大型燃氣輪機一次發电效率已經超過40%。

聯合循环發電就是燃氣輪機和蒸汽輪機聯合發電,天然氣先在燃氣輪機里發電,排出的400至600℃的高溫烟氣通入余熱鍋爐,產生400℃的高溫和4MPa的高壓蒸汽,進入蒸汽轮機發電,兩者發電效率總和可達60%以上。

4、用作區域能源站燃料

天然气通過燃氣輪機發電以後,高溫煙氣或用作制冷,或進入热鍋爐產生蒸汽,這些蒸汽或用來發電,或用作其他工藝熱源利用,比單用来燒鍋爐的效率要高得多。因為天然气在燃氣輪機發電利用了30~40%的效率之後,余熱產生的蒸汽再发電或供熱或制冷,這就是所謂的電熱冷聯產效應,熱效率可達到80%以上。

因為燃燒的煙氣不含二氧化硫,產生的水蒸汽冷凝潛熱,還可以得到利用,使燃氣輪機的最終排氣溫度可低至38℃,几乎90%的熱量都被利用了。這是一種最高效的熱量利用途徑,國外用得很多,發展也很迅速。

采用熱電冷三聯供系統,一次能源利用率可高達1.49的比值,比熱電冷分供要高一倍,標準气耗則降低一半。預計到2020年,樓宇能源的最主要的形式將會有一半被熱電冷三聯供的形式代替,這是21世紀能源的發展方向。

六、天然氣在區域能源站的高效利用

1、電熱冷三聯產節能原理

天然氣作為能源利用的最高效率是电熱冷三聯產。從熱力學第一定律來說,它的節能原理就是能把能量吃光榨尽。

天然氣在燃氣輪機裏就有30-40%的能量轉化為電能,一次轉化的效率就高於一般火電廠的鍋爐蒸汽輪機機組的效率。再加上排出高溫煙氣產生的高温高壓蒸汽進入蒸汽輪機發电,使能量利用率達到60%以上。剩余的能量還可以用來制冷,產生熱水,用於各種不同能級的用戶,系統能量梯級充分利用,使能量利用率達到80%以上的最高境界。這便是天然氣電熱冷三聯產的供能價格比烧煤還有競爭力的根本原因。

能源產業的一場革命,大電网與微小型發電機並存,被全球专家認為投資省、能耗低、可靠性高的能源系統,是21世纪的發展方向。

2、國外區域能源站的迅速發展

區域能源站,在國外有稱區域冷暖中心,區域燃氣制冷系統,区域制冷系統、分布式能源站。

區域能源站技術從七十年代末期以後開始發展起來,目前美國已有6000多座區域能源站,僅大學校園就有200多座。據美國有關資料統计,商用建築采用熱電冷三联產後節能效果達到46%以上。美国政府計劃在2010年有20%新建商用或辦公用建築使用熱电冷三聯產,有5%現有的商用和辦公樓宇改用熱电冷三聯產,25%美國能源部的項目改用熱電冷三聯產。至2020年,計劃有一半以上新建辦公或商用建築采用熱電冷三聯產。並有15%的現有建筑改用熱電冷三聯產。英國只有5000多萬人口的国家,就有1000多座区域能源站。俄羅斯采用熱電聯產的比例占總能耗的33%,美國占50%。

區域制冷系統是大城市的理想制冷系统,世界上先進的國家如美國、歐洲和日本,使用得非常普遍和廣泛,技術十分成熟可靠,發展也十分迅速。

1991年1月投入運行的日本東京都新宿都心區冷暖中心,制冷規模達到了59000RT,供冷面積為2200000m2,為15棟摩天大廈和東京市政厅提供了良好的供電、供冷、供熱水服務。遠遠超過美國紐約原世界貿易中心大廈49000RT的冷暖房,成為世界最大規模的區域冷暖中心。

冷暖中心系统的功能:

(一) 發電照明

利用天然气燃燒的熱量推動燃氣透平發電機發電輸入電網,或直接供應辦公照明。

(二) 提供冷氣

利用天然氣燃燒的熱量使水管式鍋爐產生4Mpa,400℃的高壓蒸汽,通過背壓透機組,進入吸收式冷凍機,再到輪機式冷凍機,制造出4℃的冷凍水,送入制造冷源的空調機為辦公室提供冷氣,溫度升高至12℃的冷凍水送入循環系統循環使用。

(三) 提供暖氣

將水管鍋爐房的4Mpa,400℃的高壓蒸汽減壓至0.7 Mpa,送進暖氣空調機產生暖氣送辦公室取暖。

(四) 提供热水

減壓至0.7 Mpa的蒸汽送入熱交換器,加熱冷水變成熱水送用戶使用。

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