燃气供热现状及问题

概括总结全球市场天然气供应形势,指出世界范围天然气的供应和消费是大致平衡的,但是局部地区的天然气供应非常紧张,导致天然气价格剧烈波动。中国的天然气供应主要来源为自产气、外购管道气和LNG,根据十三五规划,到2020年,预计中国年天然气消耗量将达到3600亿立方米,综合自产气产量、管道气和LNG进口量,有可能会出现280亿立方米～500亿立方米左右的缺口。针对2017年年底煤改气出现气荒的原因,指出大量超额完成的煤改气项目是压倒燃气供应的最后一根稻草。以北京市燃气供热发展过程为例,通过分析对比华能煤机与燃气热电联产机组污染物排放指标,指出燃煤发电机组可以达到与燃气热电联产相似的污染物排放水平,煤改气的重点应当是农村散煤治理。清洁供热的实现需要依靠政府、电力企业、供热企业和全社会共同努力,充分挖掘工业余热、新能源和可再生能源的潜力。     

以天然气掺混沼气作为气源的燃气灶燃烧试验

将重庆地区管道天然气作为基准气,掺混典型组成的沼气(认为甲烷体积分数为60%,二氧化碳体积分数为40%)作为置换气。试验分析沼气掺混比(置换气中沼气体积分数)的变化对家用燃气灶性能、排放特性的影响。沼气的掺混比宜控制在16%以下,燃气灶燃烧稳定,实测折算热负荷、热效率虽然有所下降,但符合GB 16410—2007《家用燃气灶具》的规定,一次空气系数、烟气中一氧化碳、氮氧化物的体积分数也满足标准要求。     

燃气采暖热水炉在纯甲烷和上海地区天然气条件的性能测试比较

标准规定燃用天然气的采暖热水炉测试时需采用基准气纯甲烷,目的是为了统一比较基准,而通过多次的色谱分析可知,上海地区管道天然气的成分较为稳定,低热值和华白数均没有明显变化,此外,和天然气相比,甲烷价格昂贵,且不易获得,因此本文根据国家标准GB 25034-1010《燃气采暖热水炉》搭建试验台,分别对纯甲烷和上海地区天然气下燃气采暖热水炉的排放和效率进行了测试和比较。结果表明:燃用天然气时的热效率均使用比纯甲烷时高,部分负荷下更为明显,而CO和NOx等污染物排放的差异并不明显,可以考虑使用燃用上海地区天然气条件下采暖热水炉的性能测试结果近似评估燃气采暖热水炉的性能。     

微型冷热电联供系统制冷工况性能实验研究

建立燃气内燃机发电机组+烟气型溴化锂吸收式热泵机组(以下简称溴化锂机组)的微型冷热电联供系统,针对制冷工况,采用实验方法对不同负载下的系统性能指标进行实测计算,分析系统高效运行的负载区间及制约高效运行的因素。天然气耗量随负载的增大而增大,耗气率随负载的增大而减小。燃气内燃机排烟温度随负载的增大先增大,而后基本保持不变(当负载达到30 kW后,燃气内燃机排烟温度保持在540℃左右)。溴化锂机组进口烟气温度比燃气内燃机排烟温度低100℃左右,影响溴化锂机组的高效运行。发电效率随负载的增大而增大,当负载为50 kW时,发电效率达到最大(0.31)。一次能源利用率、烟气余热回收率均随负载的增大先增大,然后基本保持不变。当负载达到35 kW及以上时,一次能源利用率基本保持在58%左右,烟气余热回收率基本保持在20%左右。热电比随负载的增大先快速增长,增至最大后缓慢降低。当负载为30 kW时,热电比最高(1.05)。综合考虑机组性能和评价指标,该微型冷热电联供系统宜工作在负载高于30 k W的工况下。改善烟道保温性能,提高溴化锂机组进口烟气温度,有助于溴化锂机组的高效运行。     

北京燃气与华能国际签约扩建工程

2010年4月12日,北京燃气集团与华能国际签署战略合作框架协议,北京燃气集团将作为唯一燃气供应商参与华能北京热电厂燃气蒸汽热电联产循环机组扩建及提供配套燃气规划和实施管网建设工程。预计供热面积达3000万m^2,同时每年能够发电50亿度,为京城平稳度过严冬酷夏贡献力量。同时,在北京市域内共同合作开发天然气热电冷三联供项目。     

天然气供热模式的探讨

阐述了天然气供热模式,包括天然气发电后用电供热、天然气热电联产供热、天然气锅炉直接供热、天然气发动机驱动热泵供热、天然气直燃机供热、天然气壁挂式热水器供热。对天然气供热模式的热效率火、用效率及成本进行了分析。     

火焰冷却体对降低壁挂炉氮氧化物排放的试验

提出在燃气壁挂炉燃烧器(大气式燃烧器)火焰高温区布置火焰冷却体,降低烟气氮氧化物体积分数.采用试验方法,对安装火焰冷却体前后,壁挂炉排放烟气中一氧化氮、氮氧化物、一氧化碳的体积分数进行对比分析.安装火焰冷却体后,烟气中一氧化氮、氮氧化物体积分数有所降低,但一氧化碳体积分数有所提高.     

利用天然气管道掺混输送氢气的可行性分析

指出氢气加入到现有天然气管道后会引起管材方面的风险(氢脆和渗透)。在12T基准气条件下,为了不改变终端用户的燃具,混合气中氢气的最大允许体积分数为23%。根据氢气加入后管道输送混合气的数学模型,提出输气功率的定义,用以反映管道输送能量的能力。只需给现有燃气管网预留一定的压力,氢气加入后通过提高输送压力便可保证管道的输气功率不变。     

煤制天然气氢气体积分数对燃具燃烧特性影响

采用理论计算与试验方法,研究煤制天然气中氢气体积分数对家用燃具燃烧特性的影响,将管道气(陕甘宁天然气,12T天然气)作为基准气,将高纯度氢气掺混到管道气中得到的掺混气替代煤制天然气进行理论计算与试验,氢气掺混比(掺混气中氢气的体积分数)分别选取0、1%、3%、5%、10%。理论计算结果表明,氢气掺混比1%~10%范围内,掺混气高华白数为48.53~49.53 MJ/m3,燃烧势为38.50~48.86,掺混气仍属于12T天然气。对掺混气的互换性判定(采用A.G.A指数判定法)结果表明,燃具不易出现脱火、回火、黄焰。选取家用燃气灶、热水器、壁挂炉,对氢气掺混比的变化对家用燃具的实测折算热负荷、污染物排放量、燃烧稳定性的影响进行试验研究。随着氢气掺混比的增大,3类燃具实测折算热负荷均小幅下降,实测折算热负荷与设计热负荷的相对偏差在±10%内;随着氢气掺混比的增大,3类燃具烟气中CO质量浓度均有所下降,燃气灶、壁挂炉的氮氧化物排放量基本呈下降趋势,而热水器的氮氧化物排放量呈上升趋势,但仍符合GB 6932—2015《快速热水器》规定的限值要求;氢气掺混比1%~10%范围内,3类燃具火焰的燃烧状态均正常,未出现脱火、回火、黄焰。     

小型热电联供系统试验研究

采用内燃机改装技术,将汽油内燃机改装成燃气内燃机,构建了小型燃气内燃机热电联供试验系统。对试验系统的发电效率、热回收效率等进行了测试分析。随着负载增加,发电效率增大,热回收率减小,而热电联产总效率变化不大,最高可达82%。     

燃气组成改变对均热炉热效率的影响

运用CFD软件对均热炉的燃烧进行了数值模拟,分析了燃气组成变化对均热炉燃烧温度、烟气辐射强度、炉内流场和炉内温度场均匀性的影响。在理论分析的基础上对均热炉进行了实际测试。不同燃气组成,在热值相近或相差较大的情况下对均热炉的热效率均有很大影响,均热炉仍有节能减排潜力。     

LCNG加气站冷热电三联供系统的应用研究

简述了国内外对LCNG冷能利用的研究及应用现状,设计了一种LCNG加气站冷热电三联供系统,该系统包括LCNG气化站系统和冷热电三联供系统。LCNG气化站系统包括LNG储罐、抽风机、LNG-冷媒换热器以及CNG压缩机;冷热电三联供系统包括冷媒-制冷剂换热器、冷媒储罐、发电机、废热回收装置、充电桩。LNG通过管道依次连接抽风机、LNG-冷媒换热器、冷媒储罐、冷媒-制冷剂换热器,再通过制冷循环将冷量传递到室内。本系统的有益效果是:LCNG气化站系统耦合冷热电三联供系统,实现能量梯级利用;天然气用于发电,产生的电能供充电桩使用,利用废热回收装置收集发电产生的热量,用于预热燃烧室入口端的天然气,提高发电效率;利用废热回收装置收集的热量加热LNG,使之转变为天然气,替代水浴式加热器的使用,起到节能的效果;本系统可以与传统的石化加油站结合,实现"油气电非"的综合使用。     

小型燃气内燃机热电联供试验系统研究

采用内燃机改装技术,将汽油内燃机改装成燃气内燃机,构建了小型燃气内燃机热电联供试验系统。对试验系统的发电效率、热效率、总效率、稳态下输出电压、电流频率进行测量计算。随着电负荷增加,发电效率增大,热效率减小,而总效率变化不大,最高可达82%。电压最高增幅为0.45%,频率波动范围在±0.5Hz内,符合供电质量标准。     

质子交换膜燃料电池系统性能模拟

以天然气为燃料、空气为氧化剂,在典型性能参数下,模拟预测了1kW级质子交换膜燃料电池系统的性能,发电效率为34．3％,热电效率为85．8％,火用效率为38．9％。     

Savings on natural gas consumption by doubling thermal efficiencies of balanced-flue space heaters

Natural gas is a relatively clean fossil fuel for space heating. However, when it is not used efficiently high consumption can become an environmental problem. In Argentina, individual balanced-flue space heaters are the most extensively used in temperate and cold regions. This furnace is a simple device with a burner set into a metal chamber, separated from the indoor ambient by an enclosing cabinet, and both inlet and outgas chimneys are connected to the outdoor ambient. In previous studies, we measured the performance of these commercial devices, and found very low thermal efficiency (in the range of 39–63% depending on the chimney configuration). The extensive use of these devices is possible due to the availability of unlimited amount of subsidised natural gas to households and businesses. In the present work, we developed a prototype with simple and low cost modifications made on commercial models, and measured the improvements on the thermal efficiency. Findings showed better infrared radiation, enhanced indoor air convection, and passive chimney flow regulation leading to thermal efficiency in the range of 75–85%. These values represent an improvement of 100% when compared to marketed models, and hence, the specific cost of the heater per unit of useful heating power delivered was actually reduced. Considering the large market presence of these furnaces in both residential and business sectors in Argentina, the potential benefits related to gas consumption and environmental emissions are very significant.     

燃料电池与传统发电方式的热力学分析

从系统熵和火用的角度,对传统方式发电和燃料电池发电机理进行热力学分析,通过对两种发电过程中的火用损、熵增以及热力学效率的比较得出:传统发电装置在发电过程中,高温烟气在推动热机做功发电之前,由于升高自身温度所耗能量已造成较高的火用损;而燃料电池将燃料的化学火用,即吉布斯自由能直接转化为电能,火用损失明显减少,提高了热力学效率,因此燃料电池发电技术具有较为明显的优势。     

热源循环泵流量对热电联供系统优化运行影响

建立利用热网蓄热以促进风电消纳的热电联合优化运行模型,分析热源循环泵流量对热电联供系统运行经济性的影响。案例分析结果表明,循环泵日电费随相对流量减小而降低。相对流量87%~100%范围内,目标函数(热电机组的日运行费用、日市电费、日弃风罚款之和最小)不变。当相对流量降至86%后,目标函数不降反升,且增大幅度大于循环泵日电费降低幅度。受供水温度及供回水温差的限制,随着相对流量减小,日间热电机组制热功率受到限制。为了满足热电联合优化运行模型热平衡条件(总供热量等于总耗热量),夜间热电机组制热功率无法降低,热电机组发电功率居高不下,导致风电消纳受限,弃风电量增大。日弃风罚款随之增加,最终导致目标函数升高。相对流量为87%时,热电联供系统的日运行费用最低。     

旋流器应用于小功率蓄热式燃烧器的研究

采用实验测试与数值仿真相结合的方法,对旋流器应用于小功率蓄热式燃烧器进行研究。介绍实验系统,分析火焰形态、炉内温度特性和烟气排放。建立燃烧器模型和加热炉模型,通过数值仿真研究了过剩空气系数、空气预热温度、换向时间等因素对燃烧过程中压力分布、温度均匀性的影响。结果表明：随着燃烧持续放热,火焰由淡蓝色逐渐变为透明状,高温烟气在炉内均匀弥散,炉内传热得到加强。过剩空气系数影响着燃烧器内气体混合及压力分布,增加空气量可使火焰长度变短。提高空气预热温度对促进燃烧有很大作用,同时能在更短的时间内达到最高温度。换向时间对炉内温升时间影响不大。在一定的范围内增长换向时间避免了频繁切换,炉内温度有所提高,但是过长的换向时间弱化了气流的混合,导致排烟区域温度降低,降低了炉内的温度均匀性,空气预热温度易出现低值。换向时间短时空气预热温度随时间分布较均匀,但易造成炉内压力波动频繁,炉内温度不易稳定。蓄热式燃烧技术具有低NO_x排放的特点,除火焰区域外,炉内及排烟烟道中的NO_x体积分数均在40×10^-6以下。     

焦炉煤气CO2吸收增强法制氢的操作条件分析

对焦炉煤气CO2吸收增强法制氢工艺,根据对合成气氢气摩尔分数、CO2摩尔分数、氢气产率及反应器热平衡的要求,确定了制氢反应器制氢温度、制氢压力、水碳比、钙碳比等参数取值范围。在制氢反应器性能模拟基础上,分析了合成气制备、吸收剂再生、合成气分离、热功转化单元的物质能量关联,得到制氢操作条件对焦炉煤气能量转化效率的影响。当制氢压力取2.5MPa、制氢温度取985K、钙碳比≥0.8、水碳比≥4.1时,焦炉煤气能量转化效率可达78%。     

基于泛函理论分析输气管道不稳定流动

在天然气输送管网中,枝状管网是的一种常见的形式。针对天然气枝状管道系统的组成特征,采用系统分析的观点,将管道系统划分成一系列基本组成单元,建立单元中不稳定流动方程,并根据单元之间的关系,综合考虑相关的连接条件、边界条件以及初始条件,从而提出了整个系统的联立模型。然后基于泛函分析理论和算子级数法求解联立模型,得到了问题的广义解。该方法具有解析解和数值解的特点,当所划分的基本单元较大时,可以得到直观的近似解析解;当所划分的基本单元较小时,可以得到更准确的数值解。由于管道单元和时间步长的取值可长可短,这就提高了求解的灵活性。以此为基础,编制了计算机程序,并应用于四川某气田管网的实际模拟。通过分析和应用表明,其模型和算法具有计算方便,精度高,省时和适用范围广等优点。