天然气的高效利用研究论文

2021-06-13 论文

　　一、前言

　　人们常称21世纪是天然气世纪，中国天然气黄金时代就要到来。“天然气经济效应”将推动我国的能源革命、环保革命、产业革命向着一个崭新的发展。

　　我国政府推出一系列支持和鼓励发展国内天然气、引进天然气和引进液化天然气的政策，为加促我国能源革命向天然气转换，提供了有力的保证。

　　最近中国政府出台了天然气产业上中下游全环节对外开放的政策，鼓励外商参与从天然气的勘探开发、基础设施、天然气发电、大中城市燃气的建设与经营的整个天然气产业链。

　　天然气的广泛应用、合理利用和天然气的长期、稳定供应，为大力发展我国燃气空调，开展区域制冷和化工精炼过程提供了可靠的基础条件。

　　二、大力发展天然气产业是调整我国能源结构的需要

　　1、落后的一次能源消费结构

　　（1）中国一次能源消费结构：煤炭62.1%、石油27.7%、水电7%、天然气2.7%、核能0.5%。

　　（2）世界一次能源消费结构：石油40.03%、煤炭24.98%、天然气24.72%、核能7.64%、水电2.63%。

　　2、我国能源资源短缺的压力

　　从1993年起，中国已成为石油净进口国，2002年进口石油7000万吨以上。2003年进口石油9000万吨以上，2004年超过1亿吨，2005年中国石油消费量达到2.6亿吨/年左右。到2015年中国将成为世界上最大的石油消费国。

　　2 001年中国天燃气消费量250亿立方米，2005年消费量300亿立方米，在一次能源消费结构中还不到3%。

　　到2020年，中国天然气产量将由目前的340亿立方米增加到本1200亿立方米，而需求量要增加到2000亿立方米，缺口800亿立方米需由进口来弥补。据有关资料分析，2006年将进口LNG320万吨，2010年达1900万吨，2015年达3300万吨。

　　目前，我国人均占有能源储量还不到世界人均占有量的一半。在能源资源中，煤炭占60%以上，人均煤炭资源占有量大约是世界人均的一半，而石油天然气的人均占有量不到世界平均水平的十分之一。

　　第二次世界大战之后，一切国际重大战争或冲突的根源就是为了抢夺有“黑金”之称的石油。2003年伊拉克战争，不仅是对国际能源地缘政治格局的一次重新洗牌，也使得世界石油市场格局产生了巨大的影响。

　　能源资源短缺，对我国经济的发展带来了巨大的压力。

　　3、我国环境严重污染的压力

　　长期以来，我国能源资源以煤为主，城市煤气、工业窑炉、发电都以燃煤为主。燃烧产物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量烟尘污染，使城市空气质量严重恶化。

　　1998年联合国公布了世界空气污染最严重的十大城市,排名为：太原、米兰、北京、乌鲁木齐、墨西哥、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰。只有中国、南非、波兰、和北朝鲜，煤炭使用率超过60%。

　　据权威部门检测显示：烟尘排放量的70%，二气化硫的90%来自烧煤的结果。按我国目前烧煤炭比重高达70%的能源结构测算，每年排放二氧化硫2000多万吨，工业烟尘1000多万吨，酸雨控制面积达40%，环境污染非常严重。

　　面对环境严重污染的现象，扩大国内天然气生产、加促引进国外天然气和液化天然气改变我国能源结构已成为迫不可待和需要认真研究的重要课题。

　　4、建设环保城市和生态城市的迫切要求

　　第二次世界大战之后，科学技术的突飞猛进、经济高速增长、城市规模迅速膨胀、农村城市化进程不断加快，以大气污染和水资源环境恶化为特征的“城市病”不断在漫延，不断在报复人类，引起了各国政府的高度重视，大力支持环保城市的建设和生态城市的建设，用最清洁的能源不断取代污染性的能源是当代城市建设者们的一项重要任务。

　　5、天然气是当今世界的理想能源

　　天然气是当今世界的理想能源，天然气的合理利用和优化利用，特别是广泛应用在燃气空调、燃气联合循环发电和区域制冷对优化我国能源结构、优化生态城市建设、优化理想人居空间，创造人和自然的和谐环境都具有非常重要的意义。

　　第一、高效。绝大部分燃煤机组发电效率为30%左右，最高的亚临界点发电效率也不超过38%；天然气联合循环发电效率高达60%；如果采用功热联产技术应用天然气，能源利用效率可达80%以上。

　　第二、洁净。天然气的主要成份为甲烷，1分子CH4燃烧产物为2分子H2O和1分子CO2，每立方米天然气燃烧产物含2公斤水。CO2的总排放量远远小于燃煤，也小于燃烧液化石油气。

　　液化天然气（LNG），是天然气从气井开采出来之后，经净化，除去杂质在低温下液化的产物，其燃烧产物非常干净，基本不含硫化物和氮氧化物。

　　第三、方便。液化天然气（LNG）在接收基地气化以后，通过高压管线输送到门站，降低压力后送至城市居民用户和工商用户，与管道天然气一样再不要后处理，既方便又省事。总的经济效益和社会效益远远大于用煤和其他燃料。这是天然气在全球能耗比例中增长最快的主要原因。

　　三、我国天然气的发展策略

　　国家发改委最近提出我国天然气发展策略是：立足国内、利用海外、西气东输、北气南下、海气登陆、就近供应，走国内生产与国外进口相结合的LNG发展道路。预计至2020年投资2200亿人民币用于天然气基础设施建设。就是建设5万公里天然气管线，引进千万吨级液化天然气接收站，形成百万吨级的液化天然气运输能力。将在长三角、环渤海地区、泛珠三角地区建设10个左右的LNG接收站，到2020年形成进口5000万吨规模LNG接收设施。使天然气在一次能源消费中达到12%。

　　针对资源短缺将成为中国经济发展的重要瓶颈的问题，国家能源局将采取五大措施加以解决：

　　一是组织探明我国资源储量，增加石油产量；

　　二是通过替代燃料和提高燃油经济型标准来减少工业和民用机动车的耗油量；

　　三是大力开发天然气资源，力争在5年内产量翻两翻；

　　四是鼓励企业走出去，利用境外资源；

　　五是规范市场建设，面对电力短缺，采取错峰用电，跨区域用电，用价格杠杆调节市场。实行多元化、多国化资源开发战略，增强中国有效使用世界资源和保护国内资源的能力。

　　四、引进国外天然气的经济意义和社会意义：

　　第一、今后几年我国电力将严重短缺

　　随着我国经济建设的持续快速发展以及人民生活生平的不断提高，对电力用量急剧增长的需求，就是采取西电东送和加速建设火力发电厂，也很难使缺电的局面得到缓解。

　　据国家电网公司透露，今冬公司经营区域内电力缺口为2983万KW，其中华北缺747万KW，华东缺2078万KW，华中缺158万KW，浙江省就缺880万KW。

　　因此，引进天然气，对增加电网调峰手段，改善环境污染都具有非常重要的意义。

　　第二、引进天然气为开发功热联产技术提供保证

　　引进天然气为我国热电联产技术的发展，广泛建立区域能源站，充分提高能量利用效率提供了非常有利的条件。对我国的供电安全也有重大作用。9.11事件和非典事件以后，发达国家都在加速建立区域制冷系统的步伐，避免由于意外事故造成大面积中断供电事故，保障供电安全。

　　第三、大量引进天然气有利于石化原料的结构调整

　　大量引进天然气占领民用燃气市场以后，可以把目前每年消耗的1500万吨的民用液化石油气顶替出来，回到石油化工原料市场上去，进一步优化我国石油产品的分布结构、优化乙烯和各种石化产品的原料结构，降低能耗，提高总体经济效益。

　　第四、参与迅速发展的世界LNG贸易

　　美国联邦储备局局长阿兰.格林斯潘在参加今年四月战略和国际研究中心举行的能源会议时表示：

　　1、为防止未来急剧上升的燃气价格给美国经济造成损失，美国需要扩展天然气领域在全球范围内的贸易；

　　2、近年来，石油和燃气六年交货价格的急剧上涨必然会对美国经济产生影响；

　　3、去年进口的液化天然气只占美国市场总量的2%，部分原因是环境和安全隐忧限制了美国具备处理液化天然气能力的港口数量或LNG运输；

　　4、未来天然气的高价格已经让我们将天然气进口当作更有吸引力的选择；

　　5、目前世界能源进口中，石油比例为57%，天然气仅为23%，这显示了天然气贸易的巨大潜力；

　　6、为了缓解目前的价格压力，格林斯潘呼吁通过液化天然气终端设施的扩展和海岸LNG接收和重气化新技术的发展努力扩大全球供应；

　　7、随着LNG液化和运输技术的发展和安全隐忧的减少，美国进口能力正在逐渐加强。

　　五、天然气高效利用的途经分析

　　1、用作民用燃料和锅炉燃料

　　天然气用来烧水做饭，虽说是一种非常理想的清洁燃料，但就其热量利用效率来说是极其不合算的。利用天然气产生的高温烟气来加热热水，达到80至100℃，从热力学第二定律计算可知其利用效率极低。作为民用燃料又不得不使用。随着电磁灶的出现和普及，天然气炉灶会被遂步顶替。作为工业燃料直接烧锅炉，将大量热能浪费在烟气中，更是极不经济的做法。

　　2、用作直燃空调燃料

　　利用天然气燃烧的高温烟气作为溴化锂制冷机组的热源，使制冷机产生冷量，随着国防环境意识的增强和溴化锂制冷技术的不断成熟，燃气中央空调在世界各地得到了越来越广泛的应用。在日本，燃气空调每年增长60多万冷吨，并以13.6%的速度增长，比电空调以8.7%的速度增长快得多。目前在日本，5000平方米以上的现代建筑，有70%以上使用吸收式制冷机。科学工作者正在研究5KW、2.7KW甚至更小的别墅和家庭用的小型吸收式燃气空调。但就天然气在直燃式燃气空调的利用来论，其热力学效率还是比较低的。

　　3、用作联合循环发电燃料

　　燃气轮机是一种布来顿循环的新型发动机，目前喷气式飞机的发动机都是燃气轮机,属轻型燃气轮机。而发电厂用的是重型燃气轮机，规模可达几十万KW。燃气轮机发电技术发展非常快，20年前的发电效率只有20%左右，现在的大型燃气轮机一次发电效率已经超过40%。

　　联合循环发电就是燃气轮机和蒸汽轮机联合发电，天然气先在燃气轮机里发电，排出的400至600℃的高温烟气通入余热锅炉，产生400℃的高温和4MPa的高压蒸汽，进入蒸汽轮机发电，两者发电效率总和可达60%以上。

　　4、用作区域能源站燃料

　　天然气通过燃气轮机发电以后，高温烟气或用作制冷，或进入热锅炉产生蒸汽，这些蒸汽或用来发电，或用作其他工艺热源利用，比单用来烧锅炉的效率要高得多。因为天然气在燃气轮机发电利用了30~40%的效率之后，余热产生的蒸汽再发电或供热或制冷，这就是所谓的电热冷联产效应，热效率可达到80%以上。

　　因为燃烧的烟气不含二氧化硫，产生的水蒸汽冷凝潜热，还可以得到利用，使燃气轮机的最终排气温度可低至38℃，几乎90%的热量都被利用了。这是一种最高效的热量利用途径，国外用得很多，发展也很迅速。

　　采用热电冷三联供系统，一次能源利用率可高达1.49的比值，比热电冷分供要高一倍，标准气耗则降低一半。预计到2020年，楼宇能源的最主要的形式将会有一半被热电冷三联供的形式代替，这是21世纪能源的发展方向。

　　六、天然气在区域能源站的高效利用

　　1、电热冷三联产节能原理

　　天然气作为能源利用的.最高效率是电热冷三联产。从热力学第一定律来说，它的节能原理就是能把能量吃光榨尽。

　　天然气在燃气轮机里就有30-40%的能量转化为电能，一次转化的效率就高于一般火电厂的锅炉蒸汽轮机机组的效率。再加上排出高温烟气产生的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机发电，使能量利用率达到60%以上。剩余的能量还可以用来制冷，产生热水，用于各种不同能级的用户，系统能量梯级充分利用，使能量利用率达到80%以上的最高境界。这便是天然气电热冷三联产的供能价格比烧煤还有竞争力的根本原因。

　　能源产业的一场革命，大电网与微小型发电机并存，被全球专家认为投资省、能耗低、可靠性高的能源系统，是21世纪的发展方向。

　　2、国外区域能源站的迅速发展

　　区域能源站，在国外有称区域冷暖中心，区域燃气制冷系统，区域制冷系统、分布式能源站。

　　区域能源站技术从七十年代末期以后开始发展起来，目前美国已有6000多座区域能源站，仅大学校园就有200多座。据美国有关资料统计，商用建筑采用热电冷三联产后节能效果达到46%以上。美国政府计划在2010年有20%新建商用或办公用建筑使用热电冷三联产，有5%现有的商用和办公楼宇改用热电冷三联产，25%美国能源部的项目改用热电冷三联产。至2020年，计划有一半以上新建办公或商用建筑采用热电冷三联产。并有15%的现有建筑改用热电冷三联产。英国只有5000多万人口的国家，就有1000多座区域能源站。俄罗斯采用热电联产的比例占总能耗的33%，美国占50%。

　　区域制冷系统是大城市的理想制冷系统，世界上先进的国家如美国、欧洲和日本，使用得非常普遍和广泛，技术十分成熟可靠，发展也十分迅速。

　　1991年1月投入运行的日本东京都新宿都心区冷暖中心，制冷规模达到了59000RT，供冷面积为2200000m2，为15栋摩天大厦和东京市政厅提供了良好的供电、供冷、供热水服务。远远超过美国纽约原世界贸易中心大厦49000RT的冷暖房，成为世界最大规模的区域冷暖中心。

　　冷暖中心系统的功能：

　　（一）发电照明

　　利用天然气燃烧的热量推动燃气透平发电机发电输入电网，或直接供应办公照明。

　　（二）提供冷气

　　利用天然气燃烧的热量使水管式锅炉产生4Mpa，400℃的高压蒸汽，通过背压透机组，进入吸收式冷冻机，再到轮机式冷冻机，制造出4℃的冷冻水，送入制造冷源的空调机为办公室提供冷气，温度升高至12℃的冷冻水送入循环系统循环使用。

　　（三）提供暖气

　　将水管锅炉房的4Mpa，400℃的高压蒸汽减压至0.7 Mpa，送进暖气空调机产生暖气送办公室取暖。

　　（四）提供热水

　　减压至0.7 Mpa的蒸汽送入热交换器，加热冷水变成热水送用户使用。