分布式能源站機(jī)組選型原則

胡 波(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

分布式能源站，是指小型熱電聯(lián)產(chǎn)和熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可以大大節(jié)省輸配電設(shè)施、供熱網(wǎng)絡(luò)和制冷系統(tǒng)。

為了解決自身電網(wǎng)安全運(yùn)行、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，同時(shí)為了響應(yīng)和貫徹國(guó)家節(jié)能減排的政策，南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所申報(bào)并承擔(dān)了2007年度國(guó)家863計(jì)劃“高效節(jié)能與分布式供能技術(shù)專題”中的目標(biāo)導(dǎo)向類課題“MW 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)分布式冷電聯(lián)供技術(shù)集成與示范研究”。課題擬在分布式供能系統(tǒng)優(yōu)化配置與運(yùn)行、控制等關(guān)鍵技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，以佛山市供電局建筑樓群為依托，建成一個(gè)具有典型代表性的基于MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的高效天然氣電冷聯(lián)供示范系統(tǒng)。本示范系統(tǒng)的成功建設(shè)和運(yùn)行將為切實(shí)推進(jìn)分布式冷電聯(lián)供技術(shù)在南方地區(qū)乃至全國(guó)的應(yīng)用和推廣做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

示范工程位于廣東省佛山市供電局季華路變電站大院。院內(nèi)包括已經(jīng)建成的送電大廈(簡(jiǎn)稱綜合樓)、試驗(yàn)研究所(簡(jiǎn)稱試驗(yàn)樓)和即將建成的禪城區(qū)供電局新大樓(簡(jiǎn)稱新樓)。聯(lián)供系統(tǒng)為上述三座辦公樓提供冷、電供應(yīng)。

2 示范工程負(fù)荷需求預(yù)測(cè)

分布式冷電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一是對(duì)需求側(cè)的冷、電負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)分析。只有負(fù)荷準(zhǔn)確，才能恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和選擇系統(tǒng)形式與設(shè)備容量，最終使得系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，負(fù)荷預(yù)測(cè)是示范工程前期的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

2.1 冷負(fù)荷及其負(fù)荷特性分析

清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系對(duì)示范工程的全年逐時(shí)冷、電負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

圖1 三棟樓逐時(shí)總冷量

由圖1可知冷負(fù)荷特性為：

(1)建筑物冷負(fù)荷變化較大。最高達(dá)3200多kW；

(2)年冷負(fù)荷分布不均勻，比較集中在3000 h至7000 h時(shí)段，即5月～10月之間；

(3)每日冷負(fù)荷集中在8點(diǎn)～18點(diǎn)，夜間負(fù)荷較低；

(4)每日冷負(fù)荷起伏較大，中午時(shí)段負(fù)荷降低約20%；

(5)周末負(fù)荷基本沒(méi)有。

2.2 電負(fù)荷

圖2 三棟樓逐時(shí)電冷量

由圖2可知電負(fù)荷特性為：

(1)每日電負(fù)荷變化較大，峰值達(dá)720kWh左右，谷值約150kWh；

(2)每日電負(fù)荷集中在8點(diǎn)～18點(diǎn)，夜間負(fù)荷較低；

(3)周末電負(fù)荷基本沒(méi)有；

(4)由于電負(fù)荷主要是設(shè)備及照明用電，全年日變化很小。

3 分布式能源站運(yùn)行前提條件

嚴(yán)格意義上的分布式能源站規(guī)模應(yīng)與區(qū)域內(nèi)所需電力、熱、冷等能源需要相匹配。不推薦機(jī)組過(guò)大接入電網(wǎng)，長(zhǎng)期上網(wǎng)售電，推薦接入當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)系統(tǒng)，減少電力輸配環(huán)節(jié)投資。

(1)多余電力上網(wǎng)不售電，所以應(yīng)本著電力盡量不盈余的原則；

(2)電力不足部分可以由外網(wǎng)補(bǔ)充；

(3)能源站發(fā)電加制冷成本與購(gòu)買市電費(fèi)用進(jìn)行比較，取低者；

(4)制冷調(diào)峰設(shè)備采用電制冷設(shè)備滿足最大冷負(fù)荷需求。

4 技術(shù)方案擬定

中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)11個(gè)不同容量組合的備選方案，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的性能參數(shù)，編制單元數(shù)學(xué)模型。其中，燃機(jī)模型考慮了部分負(fù)荷率、環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率、發(fā)電出力、排煙溫度和排煙可用余熱的影響。與實(shí)際運(yùn)行要求相對(duì)應(yīng)，燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)等設(shè)備模型中設(shè)置了各單元的最大和最小出力限制。然后，在滿足示范工程電、冷負(fù)荷需求的前提下，以運(yùn)行成本(燃料成本+購(gòu)電成本)最小為目標(biāo)，以符合各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行特性和滿足系統(tǒng)各種能流的供需平衡關(guān)系為約束，逐時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到整個(gè)制冷季的最小供能運(yùn)行成本。以下為兩個(gè)最可行方案間的比較(天然氣價(jià)格3.05元/Nm3)：

表1 方案運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

由表1可見(jiàn)方案二第4臺(tái)燃機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)間僅1491h，雖然方案二的全年發(fā)電量和制冷量高于方案二，但是由于設(shè)備投資增加，回收期也較方案一長(zhǎng)，而且回收期隨天然氣價(jià)格增加而增加。

故示范項(xiàng)目最終采用3臺(tái)200kW微燃機(jī)配一臺(tái)制冷機(jī)的組合方案。

5 選型原則建議

常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目通常以冷定電選擇機(jī)組容量，滿足國(guó)家規(guī)定的的熱電比即可，由于發(fā)電上網(wǎng)所以對(duì)以自身能量平衡要求不高。而分布式能源站立足于就地消化自身能源，能源站的供應(yīng)要與其需求達(dá)成平衡。才能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、連續(xù)可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保地運(yùn)行。根據(jù)范項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議分布式供能系統(tǒng)機(jī)組規(guī)模選擇本著以下一些原則：

5.1 能源站選址

天然氣為一次能源的分布式能源站宜選擇負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、持續(xù)、環(huán)保要求高的發(fā)達(dá)地區(qū)。這是因?yàn)榉€(wěn)定的負(fù)荷可以使分布式能源站機(jī)組維持滿負(fù)荷運(yùn)行，提高機(jī)組效率；持續(xù)的負(fù)荷可以保證能源站連續(xù)運(yùn)行，雖然燃機(jī)起停方便，但是溴化鋰制冷設(shè)備時(shí)間常數(shù)較大，間斷運(yùn)行會(huì)需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)達(dá)到要求。由于天然氣價(jià)格相對(duì)較高，環(huán)保要求高發(fā)達(dá)地區(qū)承受高電價(jià)能力強(qiáng)，環(huán)境指標(biāo)嚴(yán)，適合于天然氣分布式能源站的建設(shè)和運(yùn)行。

5.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)和分析

必需對(duì)能源站供應(yīng)范圍內(nèi)的冷、熱、電負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，得到相對(duì)準(zhǔn)確的逐時(shí)數(shù)據(jù)，這是分布式能源站規(guī)模確定的重要依據(jù)。只有根據(jù)全年逐時(shí)負(fù)荷需求才能優(yōu)化機(jī)組容量和運(yùn)行方式。根據(jù)負(fù)荷需求，找到持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)荷作為額定負(fù)荷初步確定機(jī)組容量，再結(jié)合具體的邊界條件進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較。

5.3 運(yùn)行時(shí)間

全年機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間也是分布式能源站的關(guān)鍵指標(biāo)。比較理想的能源站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間約4000h～5000h，低于3000h的能源站機(jī)組利用率較低，投資回收期長(zhǎng)。

5.4 負(fù)荷調(diào)節(jié)手段

為適應(yīng)負(fù)荷的變化，能源站應(yīng)有手段進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)來(lái)保證能源供應(yīng)的可靠性。外網(wǎng)電力補(bǔ)充是最靈活可靠的方式，但是會(huì)發(fā)生對(duì)電網(wǎng)備用的補(bǔ)償問(wèn)題，需要出臺(tái)相應(yīng)的政策來(lái)調(diào)動(dòng)電網(wǎng)公司的積極性。多臺(tái)機(jī)組之間的調(diào)節(jié)也非常靈活，但也不宜機(jī)組太多使得系統(tǒng)復(fù)雜，一般母管制控制在4臺(tái)機(jī)組以內(nèi)。

另外補(bǔ)燃也是一種有效調(diào)節(jié)手段，但是由于經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差不宜大規(guī)模長(zhǎng)期采用，可作為短期調(diào)峰和應(yīng)急。

5.5 經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行方式

選型階段采用了集成優(yōu)化方法，在運(yùn)行階段也應(yīng)根據(jù)能源站實(shí)際選擇的設(shè)備性能、天然氣價(jià)格、購(gòu)電、售電價(jià)格等邊界條件運(yùn)用全工況性能的優(yōu)化運(yùn)行方法，從而真正提高對(duì)分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和能源利用效率。

優(yōu)化運(yùn)行方案應(yīng)具有燃機(jī)與熱回收設(shè)備之間自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，應(yīng)具有對(duì)用戶冷電負(fù)荷變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)應(yīng)具有與用戶建筑物管理系統(tǒng)(BMS)之間通訊功能，以實(shí)現(xiàn)分布式供能系統(tǒng)最大熱電效率與最佳持續(xù)運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著分布式能源技術(shù)的不斷提高，分布式能源系統(tǒng)具有的能源綜合利用效率高、污染少和運(yùn)營(yíng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)逐步顯現(xiàn)，目前分布式能源系統(tǒng)正逐步成為現(xiàn)代能源供應(yīng)體系的重要組成部分。國(guó)家能源局文件[2010]94號(hào)《發(fā)展天然氣分布式發(fā)電的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出到2011年，擬建設(shè)1000個(gè)天然氣分布式發(fā)電示范項(xiàng)目。

我國(guó)已投運(yùn)分布式能源站運(yùn)行小過(guò)不理想的一個(gè)主要原因是容量配置偏大，這其中有負(fù)荷預(yù)測(cè)不準(zhǔn)原因，也有選擇額定負(fù)荷不當(dāng)?shù)脑?。分布式能源站機(jī)組選型不能完全按照以冷定電原則，還要綜合考慮區(qū)域多種能源需求和供應(yīng)的平衡。

[1]中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.示范工程總體技術(shù)方案研究報(bào)告[R]，2008.

[2]清華大學(xué)建筑科學(xué)系.佛山供電大樓負(fù)荷預(yù)測(cè)研究報(bào)告[R]，2008.