天然氣的高效利用研究論文
一、前言
人們常稱(chēng)21世紀是天然氣世紀，中國天然氣黃金時(shí)代就要到來(lái)�！疤烊粴饨�(jīng)濟效應”將推動(dòng)我國的能源革命、環(huán)保革命、產(chǎn)業(yè)革命向著(zhù)一個(gè)嶄新的發(fā)展。
我國政府推出一系列支持和鼓勵發(fā)展國內天然氣、引進(jìn)天然氣和引進(jìn)液化天然氣的政策，為加促我國能源革命向天然氣轉換，提供了有力的保證。
最近中國政府出臺了天然氣產(chǎn)業(yè)上中下游全環(huán)節對外開(kāi)放的政策，鼓勵外商參與從天然氣的勘探開(kāi)發(fā)、基礎設施、天然氣發(fā)電、大中城市燃氣的建設與經(jīng)營(yíng)的整個(gè)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。
天然氣的廣泛應用、合理利用和天然氣的長(cháng)期、穩定供應，為大力發(fā)展我國燃氣空調，開(kāi)展區域制冷和化工精煉過(guò)程提供了可靠的基礎條件。
二、大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)是調整我國能源結構的需要
1、落后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(jìn)口國，2002年進(jìn)口石油7000萬(wàn)噸以上。2003年進(jìn)口石油9000萬(wàn)噸以上，2004年超過(guò)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年中國天燃氣消費量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(chǎn)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800億立方米需由進(jìn)口來(lái)彌補。據有關(guān)資料分析，2006年將進(jìn)口LNG320萬(wàn)噸，2010年達1900萬(wàn)噸，2015年達3300萬(wàn)噸。
目前，我國人均占有能源儲量還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。
第二次世界大戰之后，一切國際重大戰爭或沖突的根源就是為了搶奪有“黑金”之稱(chēng)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(chǎng)格局產(chǎn)生了巨大的影響。
能源資源短缺，對我國經(jīng)濟的發(fā)展帶來(lái)了巨大的壓力。
3、我國環(huán)境嚴重污染的壓力
長(cháng)期以來(lái)，我國能源資源以煤為主，城市煤氣、工業(yè)窯爐、發(fā)電都以燃煤為主。燃燒產(chǎn)物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量煙塵污染，使城市空氣質(zhì)量嚴重惡化。
1998年聯(lián)合國公布了世界空氣污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、蘭州、重慶、濟南、石家莊、德黑蘭。只有中國、南非、波蘭、和北朝鮮，煤炭使用率超過(guò)60%。
據權威部門(mén)檢測顯示：煙塵排放量的70%，二氣化硫的90%來(lái)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(wàn)噸，工業(yè)煙塵1000多萬(wàn)噸，酸雨控制面積達40%，環(huán)境污染非常嚴重。
面對環(huán)境嚴重污染的現象，擴大國內天然氣生產(chǎn)、加促引進(jìn)國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、建設環(huán)保城市和生態(tài)城市的迫切要求
第二次世界大戰之后，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)、經(jīng)濟高速增長(cháng)、城市規模迅速膨脹、農村城市化進(jìn)程不斷加快，以大氣污染和水資源環(huán)境惡化為特征的“城市病”不斷在漫延，不斷在報復人類(lèi)，引起了各國政府的高度重視，大力支持環(huán)保城市的建設和生態(tài)城市的建設，用最清潔的能源不斷取代污染性的能源是當代城市建設者們的一項重要任務(wù)。
5、天然氣是當今世界的理想能源
天然氣是當今世界的理想能源，天然氣的合理利用和優(yōu)化利用，特別是廣泛應用在燃氣空調、燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和區域制冷對優(yōu)化我國能源結構、優(yōu)化生態(tài)城市建設、優(yōu)化理想人居空間，創(chuàng )造人和自然的和諧環(huán)境都具有非常重要的意義。
第一、高效。絕大部分燃煤機組發(fā)電效率為30%左右，最高的亞臨界點(diǎn)發(fā)電效率也不超過(guò)38%；天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高達60%；如果采用功熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應用天然氣，能源利用效率可達80%以上。
第二、潔凈。天然氣的主要成份為甲烷，1分子CH4燃燒產(chǎn)物為2分子H2O和1分子CO2，每立方米天然氣燃燒產(chǎn)物含2公斤水。CO2的總排放量遠遠小于燃煤，也小于燃燒液化石油氣。
液化天然氣（LNG），是天然氣從氣井開(kāi)采出來(lái)之后，經(jīng)凈化，除去雜質(zhì)在低溫下液化的產(chǎn)物，其燃燒產(chǎn)物非常干凈，基本不含硫化物和氮氧化物。
第三、方便。液化天然氣（LNG）在接收基地氣化以后，通過(guò)高壓管線(xiàn)輸送到門(mén)站，降低壓力后送至城市居民用戶(hù)和工商用戶(hù)，與管道天然氣一樣再不要后處理，既方便又省事�？偟慕�(jīng)濟效益和社會(huì )效益遠遠大于用煤和其他燃料。這是天然氣在全球能耗比例中增長(cháng)最快的主要原因。
三、我國天然氣的'發(fā)展策略
國家發(fā)改委最近提出我國天然氣發(fā)展策略是：立足國內、利用海外、西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近供應，走國內生產(chǎn)與國外進(jìn)口相結合的LNG發(fā)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。就是建設5萬(wàn)公里天然氣管線(xiàn)，引進(jìn)千萬(wàn)噸級液化天然氣接收站，形成百萬(wàn)噸級的液化天然氣運輸能力。將在長(cháng)三角、環(huán)渤海地區、泛珠三角地區建設10個(gè)左右的LNG接收站，到2020年形成進(jìn)口5000萬(wàn)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(jīng)濟發(fā)展的重要瓶頸的問(wèn)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(chǎn)量；
二是通過(guò)替代燃料和提高燃油經(jīng)濟型標準來(lái)減少工業(yè)和民用機動(dòng)車(chē)的耗油量；
三是大力開(kāi)發(fā)天然氣資源，力爭在5年內產(chǎn)量翻兩翻；
四是鼓勵企業(yè)走出去，利用境外資源；
五是規范市場(chǎng)建設，面對電力短缺，采取錯峰用電，跨區域用電，用價(jià)格杠桿調節市場(chǎng)。實(shí)行多元化、多國化資源開(kāi)發(fā)戰略，增強中國有效使用世界資源和保護國內資源的能力。
四、引進(jìn)國外天然氣的經(jīng)濟意義和社會(huì )意義：
第一、今后幾年我國電力將嚴重短缺
隨著(zhù)我國經(jīng)濟建設的持續快速發(fā)展以及人民生活生平的不斷提高，對電力用量急劇增長(cháng)的需求，就是采取西電東送和加速建設火力發(fā)電廠(chǎng)，也很難使缺電的局面得到緩解。
據國家電網(wǎng)公司透露，今冬公司經(jīng)營(yíng)區域內電力缺口為2983萬(wàn)KW，其中華北缺747萬(wàn)KW，華東缺2078萬(wàn)KW，華中缺158萬(wàn)KW，浙江省就缺880萬(wàn)KW。
因此，引進(jìn)天然氣，對增加電網(wǎng)調峰手段，改善環(huán)境污染都具有非常重要的意義。
第二、引進(jìn)天然氣為開(kāi)發(fā)功熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)提供保證
引進(jìn)天然氣為我國熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，廣泛建立區域能源站，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事件和非典事件以后，發(fā)達國家都在加速建立區域制冷系統的步伐，避免由于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(jìn)天然氣有利于石化原料的結構調整
大量引進(jìn)天然氣占領(lǐng)民用燃氣市場(chǎng)以后，可以把目前每年消耗的1500萬(wàn)噸的民用液化石油氣頂替出來(lái)，回到石油化工原料市場(chǎng)上去，進(jìn)一步優(yōu)化我國石油產(chǎn)品的分布結構、優(yōu)化乙烯和各種石化產(chǎn)品的原料結構，降低能耗，提高總體經(jīng)濟效益。
第四、參與迅速發(fā)展的世界LNG貿易
美國聯(lián)邦儲備局局長(cháng)阿蘭.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(huì )議時(shí)表示：
1、為防止未來(lái)急劇上升的燃氣價(jià)格給美國經(jīng)濟造成損失，美國需要擴展天然氣領(lǐng)域在全球范圍內的貿易；
2、近年來(lái)，石油和燃氣六年交貨價(jià)格的急劇上漲必然會(huì )對美國經(jīng)濟產(chǎn)生影響；
3、去年進(jìn)口的液化天然氣只占美國市場(chǎng)總量的2%，部分原因是環(huán)境和安全隱憂(yōu)限制了美國具備處理液化天然氣能力的港口數量或LNG運輸；
4、未來(lái)天然氣的高價(jià)格已經(jīng)讓我們將天然氣進(jìn)口當作更有吸引力的選擇；
5、目前世界能源進(jìn)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、為了緩解目前的價(jià)格壓力，格林斯潘呼吁通過(guò)液化天然氣終端設施的擴展和海岸LNG接收和重氣化新技術(shù)的發(fā)展努力擴大全球供應；
7、隨著(zhù)LNG液化和運輸技術(shù)的發(fā)展和安全隱憂(yōu)的減少，美國進(jìn)口能力正在逐漸加強。
五、天然氣高效利用的途經(jīng)分析
1、用作民用燃料和鍋爐燃料
天然氣用來(lái)燒水做飯，雖說(shuō)是一種非常理想的清潔燃料，但就其熱量利用效率來(lái)說(shuō)是極其不合算的。利用天然氣產(chǎn)生的高溫煙氣來(lái)加熱熱水，達到80至100℃，從熱力學(xué)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。隨著(zhù)電磁灶的出現和普及，天然氣爐灶會(huì )被遂步頂替。作為工業(yè)燃料直接燒鍋爐，將大量熱能浪費在煙氣中，更是極不經(jīng)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(chǎn)生冷量，隨著(zhù)國防環(huán)境意識的增強和溴化鋰制冷技術(shù)的不斷成熟，燃氣中央空調在世界各地得到了越來(lái)越廣泛的應用。在日本，燃氣空調每年增長(cháng)60多萬(wàn)冷噸，并以13.6%的速度增長(cháng)，比電空調以8.7%的速度增長(cháng)快得多。目前在日本，5000平方米以上的現代建筑，有70%以上使用吸收式制冷機�？茖W(xué)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氣空調。但就天然氣在直燃式燃氣空調的利用來(lái)論，其熱力學(xué)效率還是比較低的。
3、用作聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃料
燃氣輪機是一種布來(lái)頓循環(huán)的新型發(fā)動(dòng)機，目前噴氣式飛機的發(fā)動(dòng)機都是燃氣輪機,屬輕型燃氣輪機。而發(fā)電廠(chǎng)用的是重型燃氣輪機，規�？蛇_幾十萬(wàn)KW。燃氣輪機發(fā)電技術(shù)發(fā)展非�？�，20年前的發(fā)電效率只有20%左右，現在的大型燃氣輪機一次發(fā)電效率已經(jīng)超過(guò)40%。
聯(lián)合循環(huán)發(fā)電就是燃氣輪機和蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電，天然氣先在燃氣輪機里發(fā)電，排出的400至600℃的高溫煙氣通入余熱鍋爐，產(chǎn)生400℃的高溫和4MPa的高壓蒸汽，進(jìn)入蒸汽輪機發(fā)電，兩者發(fā)電效率總和可達60%以上。
4、用作區域能源站燃料
天然氣通過(guò)燃氣輪機發(fā)電以后，高溫煙氣或用作制冷，或進(jìn)入熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，這些蒸汽或用來(lái)發(fā)電，或用作其他工藝熱源利用，比單用來(lái)燒鍋爐的效率要高得多。因為天然氣在燃氣輪機發(fā)電利用了30~40%的效率之后，余熱產(chǎn)生的蒸汽再發(fā)電或供熱或制冷，這就是所謂的電熱冷聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)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℃，幾乎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(fā)展也很迅速。
采用熱電冷三聯(lián)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，標準氣耗則降低一半。預計到2020年，樓宇能源的最主要的形式將會(huì )有一半被熱電冷三聯(lián)供的形式代替，這是21世紀能源的發(fā)展方向。
六、天然氣在區域能源站的高效利用
1、電熱冷三聯(lián)產(chǎn)節能原理
天然氣作為能源利用的最高效率是電熱冷三聯(lián)產(chǎn)。從熱力學(xué)第一定律來(lái)說(shuō)，它的節能原理就是能把能量吃光榨盡。
天然氣在燃氣輪機里就有30-40%的能量轉化為電能，一次轉化的效率就高于一般火電廠(chǎng)的鍋爐蒸汽輪機機組的效率。再加上排出高溫煙氣產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機發(fā)電，使能量利用率達到60%以上。剩余的能量還可以用來(lái)制冷，產(chǎn)生熱水，用于各種不同能級的用戶(hù)，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(lián)產(chǎn)的供能價(jià)格比燒煤還有競爭力的根本原因。
能源產(chǎn)業(yè)的一場(chǎng)革命，大電網(wǎng)與微小型發(fā)電機并存，被全球專(zhuān)家認為投資省、能耗低、可靠性高的能源系統，是21世紀的發(fā)展方向。
2、國外區域能源站的迅速發(fā)展
區域能源站，在國外有稱(chēng)區域冷暖中心，區域燃氣制冷系統，區域制冷系統、分布式能源站。
區域能源站技術(shù)從七十年代末期以后開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，目前美國已有6000多座區域能源站，僅大學(xué)校園就有200多座。據美國有關(guān)資料統計，商用建筑采用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)后節能效果達到46%以上。美國政府計劃在2010年有20%新建商用或辦公用建筑使用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，有5%現有的商用和辦公樓宇改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，25%美國能源部的項目改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。至2020年，計劃有一半以上新建辦公或商用建筑采用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。并有15%的現有建筑改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。英國只有5000多萬(wàn)人口的國家，就有1000多座區域能源站。俄羅斯采用熱電聯(lián)產(chǎn)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統，世界上先進(jìn)的國家如美國、歐洲和日本，使用得非常普遍和廣泛，技術(shù)十分成熟可靠，發(fā)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廳提供了良好的供電、供冷、供熱水服務(wù)。遠遠超過(guò)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。
冷暖中心系統的功能：
�。ㄒ唬� 發(fā)電照明
利用天然氣燃燒的熱量推動(dòng)燃氣透平發(fā)電機發(fā)電輸入電網(wǎng)，或直接供應辦公照明。
�。ǘ� 提供冷氣
利用天然氣燃燒的熱量使水管式鍋爐產(chǎn)生4Mpa，400℃的高壓蒸汽，通過(guò)背壓透機組，進(jìn)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(huán)系統循環(huán)使用。
�。ㄈ� 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(jìn)暖氣空調機產(chǎn)生暖氣送辦公室取暖。
�。ㄋ模� 提供熱水
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(hù)使用。
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