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天然气在城市供暖中的应用
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我国天然气开发和建筑的快速进展，使得东部城市大量抗议使用天然气的条件逐渐成熟，天然气在大城市，尤其是在供暖空调领域的广泛利用的春天已经到来。（参考《建筑中文网》）
1 天然气在供暖领域的应用形式
天然气在供暖领域应用的主要形式如图1所示。
图1 各种燃气供暖形式
1.1 燃气锅炉
对于燃气锅炉，天然气燃烧产生的热量直接用于供暖，是最简单的一种供热方式。从规模一来看，这种供暖方式包括用于一家一户的家用燃气炉，一幢楼或一个小区的小型燃气锅炉以及用于大片面积供热的区域性燃气锅炉。
1.1.1 家用燃气炉，这是目前应用较为广泛的一种天然气供暖方式，通常设置于厨房或阳台，配有先进的电子点火控制、安全保护和温度调节等系统，操作简单，调节灵活，还能同时满足生活热水需求。但是，由于是分散燃烧，会影响社区的空气品质，同时也存在燃气泄漏、燃烧故障甚至发生爆炸等安全性问题。
1.1.2 小型燃气锅炉实际上是一种规模较小的燃气集中供热系统，在用户附近设置统一的燃气锅炉，向各用户房间提供供暖热水。这种供暖系统一般用于一幢商业建筑或办公楼。由于将用户热源集中为一个，便于管理，提高了安全性，对用户空气的污染问题也相应减轻。但需要增设锅炉房和管网。
1.1.3区域燃气锅炉的规模更大，它需要通过热网向大面积的用户供热。由于热源更为集中，供热系统运行工况更加稳定，锅炉运行效率更高，同时大型锅炉更有条件采用先进的低氮燃烧技术，环境污染更小，在一些已有的"煤改气"区域供热系统中可根据具体情况慎重应用。但是，由于热网投资大，热水管网输送能耗和热损失高，这种燃气供暖方式不宜于在新建区域供热系统中推广。
1.2 燃气热电联产
对于纯热力发电系统，燃料一般只有少部分的能源转化为电能，发电效率只有30%左右，而大部分燃料的能量形成余热排到大气。热电联产系统则在发电的同时，利用了这部分余热用以供热，从而使得热电联产的能源利用效率可以达到80%以上。由于实现了能量的梯级利用，因而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指标主要有热电比和发电效率等。热电比是指热电联产系统或装置的供热量和发电量之比。
1.2.1 锅炉加供热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给蒸汽，由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽（图2a）A或背压排汽（图2b）用于供热。这种系统适用于以煤为燃料，技术已非常成熟，主要设备也早已国产化。但由于占地大，负荷调节能力差，发电效率低，燃气热电联产系统一般只在煤改气的热电联产中得以应用，而在新建热电联产系统中很少采用。
图2 锅炉+供热汽轮机形式的热电联系统
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。单循环的工作原理是：空气经压气机与燃气在燃烧室燃烧后温度达1000℃以上、压力在1.0～1.6MPa的范围内进入燃气轮机推动叶轮，将燃料的热能转变为机械能，并拖动发电机发电。从燃气轮机排出的烟气温度一般为450～600℃，通过余热锅炉将热量回收用于供热。大型的燃气轮机效率可达30%以上，热和电输出的总效率一般能够保持在80%以上。当机组负荷低于50%时，热效率下降显著。燃气轮机组启停调节灵活（平时启动时间约为10～15min，快速启动为6min左右），因而对于变动幅度较大的负荷较适应。目前工业燃气轮机的生产基本上来自西方国家。
图3 燃气轮机热电联产系统简图
上述单循环中余热锅炉可以产生参数很高的蒸汽，如果增设供热汽轮机，使余热锅炉产生的高参数蒸汽在供热汽轮机中继续做功发电，其抽汽或背压排汽用于供热，可以形成燃气-蒸汽联合循环系统（如图3b）。这种系统工程的发电效率进一步得到提高，甚至可达到50%以上。
1.2.3 另一种燃气热电联产形式以往复式内燃机为动力装置。当规模较小时，它的发电效率明显比燃气轮机高，一般在30%以上，因而在一些小型的燃气热电联产系统中往往采用这种内燃机形式。但是，由于内燃机的润滑油和气缸冷却放同的热量品位较低（温度不超过90℃），而且该热量份额很大，几乎与烟气回收的热量相当，因而这种供暖形式在供热温度要求高的情况下受到了限制。
楼宇式热电（冷）联产是特别适用于商业建筑的小型高效天然气供热系统。所采用的动力装置均小型化，如小型燃气轮机、微燃机及小型内燃机等。与大型集中供热（冷）方式的热电（冷）联产相比，楼宇式热电（冷）联产系统省去了外网的投资和相应的热损失。但小型动力装置单位发电容量投资偏高。从热、电、冷3种负荷的动态平衡出发，如何优化系统配置和运行是决定该系统经济性的关键。
1.2.4 燃料电池是把氢和氧反应生成水放出的化学能直接转换为电能的装置。它有3个基本构件，即燃料（由CH4生成H2）处理装置，燃料电池基本构件和换流装置（直流转换成交流）。其基本原理相当于电解反应的逆向反应。燃料（H2或CO等）及氧化剂（O2）在电池的阴极和阳极上借助氧化剂作用，电离成离子；因离子能通过在二极中间的电介质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压，当电极同外部负载构成回路时就可向外供电。图4给出质子交换膜燃料电池的工作原理：天然气中的氢被分离成质子和电子，质子穿过膜，而电子绕过膜而形成电流；在膜的另一侧，质子和电子与氧结合，生成水，并产生另一副产品--热量，用于供热。燃料电池的种类不少，根据使用的电解质不同，有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（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）的工作原理
燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点。它的发电效率可达40%以上，热电联产的效率也达到80%以上。目前，多数燃料电池正处于开发研制中，已经推向市场的产品仍较昂贵（1500美元/kW以上）。但随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来燃气供暖行业起到越来越重要的作用。目前从事燃料电池研究和开发的主要有美国、加拿大、日本、德国等国的公司。我国也有大连化物所等多家单位从事燃料电池的研究。
1.3 燃气热泵
燃气热泵是由燃气驱动，利用环境热量供热的装置，如图5所示。燃气热泵供热量是燃气热量与环境热量之和，因此它的效率高于燃气锅炉。携带热量的环境介质可以是周围空气、江河湖海的水，地热以及其他余热介质等。根据工作原理的不同，可以分为燃气压缩式热泵和燃气吸收式热泵两种。
图5 燃气热泵原理简图
1.3.1 燃气压缩式热泵的原理如图6所示，燃气首先在动力装置中燃烧并做功，将热能变成机械能和烟气余热。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而产生用于供暖的热量，同时动力装置的烟气余热经过余热锅炉变成供暖用热。这各供暖系统具有很高的供热效率，可达160%以上。
图6 燃气压缩式热泵的构成
吸收式热泵是通过工质（如水）的蒸发和冷凝，以及溶液吸收和再生等传热传质过程来工作的。常见的工质主要有溴化锂溶液和氨-水等。对于溴化锂燃气热泵，单效型热泵供热效率可达150%～170%，双效型则可超过200%。
由于技术条件的局限，在我国北方地区的严寒期因除霜困难和效率低等问题，燃气热泵与电动热泵一样，直接从环境空气吸热的空气源热泵受到限制。但是，利用地热、江河湖海水和其他余热的燃气热泵则在北方地区更有推广价值。
2 能耗分析
用一次能耗率b作为供暖系统能耗的评价指标，它表示单位供热量的一次能耗量（即燃料耗量）。对于燃气锅炉，一次能耗率bb是供热效率ηnot（考虑管道损失）的倒数，即
燃气热电联产，系统有热和电两种不同能的输出，应将电能所耗一次能源扣除，设常规发电设备的发电效率为ηE（可取为全国平均水平的发电效率32.5%），则其一次能耗为
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200512/8358.htm
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