天然氣分布式供能系統(tǒng)的建筑節(jié)能應(yīng)用

馬平 申能(集團(tuán))有限公司

潘軍松 上海申能能源服務(wù)有限公司

天然氣分布式供能系統(tǒng)的建筑節(jié)能應(yīng)用

馬平 申能(集團(tuán))有限公司

潘軍松 上海申能能源服務(wù)有限公司

申能能源中心大樓位于上海市閔行區(qū)虹井路，建筑面積4.9萬m2，其中，地上建筑面積3.4萬m2，地下建筑面積1.6萬m2。申能集團(tuán)公司作為大樓建設(shè)投資方積極響應(yīng)上海市政府推廣分布式供能的號召，在該大樓的建設(shè)設(shè)計(jì)過程中充分貫徹了能源供應(yīng)的低碳概念，采用了天然氣分布式供能（冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)）等多種建筑節(jié)能利用技術(shù)。該分布式供能系統(tǒng)由一臺美國原裝的Capstone C200低壓型（自帶燃?xì)庠鰤簷C(jī)）微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、兩臺日本Yazaki CH-KE4040煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰?yán)錅厮照{(diào)機(jī)組（單臺額定制冷量為141kW、額定制熱量為134kW）、配電柜、PLC自動控制柜、并網(wǎng)柜、系統(tǒng)檢測儀表、泵、閥、冷卻塔（循環(huán)冷卻水系統(tǒng)）等輔助設(shè)備等組成。系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的額定功率為200kW。

1 分布式供能系統(tǒng)

1.1 發(fā)展概況

分布式供能技術(shù)(DES)又稱作冷熱電三聯(lián)供技術(shù)(CCHP)，是指利用一種形式的一次能源同時(shí)生產(chǎn)冷、熱、電力三種不同形式的能量來滿足用戶用能需求的能源集成技術(shù)。DES技術(shù)被認(rèn)為是目前最具經(jīng)濟(jì)性的天然氣利用方式之一。與傳統(tǒng)的集中供能形式不同，分布式能源技術(shù)在用戶處進(jìn)行三種形式能量的同時(shí)生產(chǎn)，可避免長距離輸送的損耗，通過能量的梯級利用，將高品質(zhì)的天然氣優(yōu)先做功，回收余熱后生產(chǎn)冷量或熱量，大大提高了一次能源利用率。對于夏季需制冷、冬季需供熱的建筑，以及空調(diào)負(fù)荷很大的車間、熱負(fù)荷較大的加熱干燥等工藝，DES系統(tǒng)可提供更大的供能靈活性。

由于天然氣DES系統(tǒng)具有很高的能源效率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能，近年來在全球范圍內(nèi)已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。作為一種先進(jìn)的集成能源系統(tǒng)，DES將熱力學(xué)上的合理性轉(zhuǎn)化為運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)性，將發(fā)電后常規(guī)系統(tǒng)通常排放的余熱提供給余熱回收裝置或者熱力設(shè)備，大大提高了能源效率，一次能源利用率可以高達(dá)70%～90%，而典型的集中式電站僅僅為30%～45%。

國內(nèi)以天然氣為一次能源的DES技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代。目前國內(nèi)陸續(xù)建成了一批天然氣三聯(lián)供示范項(xiàng)目，如上海浦東國際機(jī)場、上海閔行區(qū)中心醫(yī)院、上海花園飯店、上海華夏賓館、上海仁濟(jì)醫(yī)院、廣州大學(xué)城等。

1.2 系統(tǒng)原理和構(gòu)成

分布式供能系統(tǒng)主要由原動機(jī)、余熱利用設(shè)備、電氣系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、輔機(jī)控制系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等組成。

（1）原動機(jī)將天然氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，同時(shí)對系統(tǒng)余熱進(jìn)行回收利用。這種先功后熱的做法可以最大限度地提高能源利用率，避免直接燃燒造成的可用能損失；從所轉(zhuǎn)化的功來看，絕大部分系統(tǒng)是用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，也有用來驅(qū)動制冷/制熱設(shè)備工作的。

（2）余熱利用設(shè)備包括余熱鍋爐，煙氣、熱水、蒸汽型溴化鋰機(jī)組等。余熱利用建議應(yīng)用模式上優(yōu)先用于熱水和采暖，后制冷，但在設(shè)備布置次序上則依次為吸收制冷機(jī)組、采暖換熱器、供熱水換熱器。

（3）排氣系統(tǒng)由尾氣回收器、消音器和煙囪組成。

（4）電氣系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的運(yùn)行關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括保護(hù)模塊和隔離開關(guān)。

（5）通風(fēng)系統(tǒng)由送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)組成。

運(yùn)用在申能能源中心的系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的運(yùn)行模式，機(jī)組所發(fā)電力并在低壓母線上，發(fā)電機(jī)組排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰空調(diào)機(jī)組經(jīng)吸收利用后，冬季產(chǎn)生溫水進(jìn)入大樓供熱系統(tǒng)，夏季產(chǎn)生冷水進(jìn)入冷水系統(tǒng)，系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)試運(yùn)行情況和效率測算

2.1 系統(tǒng)試運(yùn)行情況

申能能源中心分布式功能系統(tǒng)從2011年1月～2011年9月進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行工作。1月份進(jìn)行了72小時(shí)連續(xù)滿負(fù)荷的發(fā)電機(jī)可靠性測試，空調(diào)機(jī)組并未投入調(diào)試，暫時(shí)定義空調(diào)機(jī)組供熱量為134kW，即設(shè)備額定工況下的制熱量。

2.2 系統(tǒng)效率測算

由于環(huán)境溫度對機(jī)組發(fā)電功率影響很大，發(fā)電功率的變化又對整個(gè)系統(tǒng)的效率產(chǎn)生一定的影響。下面根據(jù)試運(yùn)行的數(shù)據(jù)分別計(jì)算不同工況下的系統(tǒng)效率。

（1）1月份為冬季供暖期，溫度低，機(jī)組發(fā)電效率高。

輸出總量=電量+熱量=197.58+268=465.58kW

輸入總量=微燃機(jī)天然氣耗量+空調(diào)機(jī)組補(bǔ)燃天然氣耗量=65.17+0=65.17Nm3/h

系統(tǒng)效率=輸出總量/輸入總量=(465.58×860)/(65.17×8500)=72.28%。

式中，天然氣熱值取8500kcal/Nm3（下同）。

（2）5、6月份為過渡期。由于系統(tǒng)煙氣閥組故障，5月份，機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行。6月份，氣溫開始上升，發(fā)電功率略有降低。

輸出總量=電量+熱量=155.23+260.27=415.5kW

輸入總量=微燃機(jī)天然氣耗量+空調(diào)機(jī)組補(bǔ)燃天然氣耗量=51.82+7.64=59.46Nm3/h

系統(tǒng)效率=輸出總量/輸入總量=(415.5×860)/(59.46×8500)=70.7%。

（3）7、8月份為夏季供冷期，正是大樓各方面負(fù)荷需求量大的時(shí)候，機(jī)組也能處于高負(fù)荷區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

輸出總量=電量+冷量=162.03+270.6=432.63kW

輸入總量=微燃機(jī)天然氣耗量+空調(diào)機(jī)組補(bǔ)燃天然氣耗量=58.83+3.33=62.16 Nm3/h

系統(tǒng)效率=輸出總量/輸入總量=(432.63×860)/(62.16×8500)=70.42%。

從上述數(shù)據(jù)看出，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行還是比較穩(wěn)定的。雖然發(fā)電機(jī)組功率受環(huán)境溫度影響較大，但尾部煙氣余熱得到了利用，整個(gè)系統(tǒng)效率不是下降很多。

（4）9月份為過渡期供冷，白天氣溫還是比較高，但與和7、8月份相比氣溫已經(jīng)降低，發(fā)電功率略有增加。

輸出總量=電量+冷量=168+335.83=503.83kW

輸入總量=微燃機(jī)天然氣耗量+空調(diào)機(jī)組補(bǔ)燃天然氣耗量=59+9=68Nm3/h

系統(tǒng)效率=輸出總量/輸入總量=(503.83×860)/(68×8500)=74.96%。

從上述數(shù)據(jù)看出，空調(diào)機(jī)組的制冷量高于其他月份的。這可能是由于在供回水溫差不大的情況下，出水溫度抬升，使制冷機(jī)效率提升，隨之制冷量增加的緣故。9月份氣溫較之前有所回落，只需啟動分布式供能系統(tǒng)就可以滿足大樓負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)過渡季節(jié)最優(yōu)的運(yùn)行模式。

以上為不同工況下的系統(tǒng)效率，平均下來系統(tǒng)的效率為72%左右。效率計(jì)算中都沒有扣除自用電部分。自用電主要是風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的耗電。夏季供冷，空調(diào)機(jī)組需要冷卻水，冷卻塔運(yùn)行。由于機(jī)組設(shè)置在地下室，冷卻塔設(shè)置在裙樓頂層，冷卻水泵的揚(yáng)程較大，自用電增加。扣除自用電后，系統(tǒng)效率會明顯下降。冬季供暖，冷卻塔停運(yùn)，自用電下降。同時(shí)環(huán)境溫度下降，發(fā)電效率較高，因此系統(tǒng)效率高于夏季。

3 節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析

3.1 分布式功能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1.1 微燃機(jī)發(fā)電輸出成本價(jià)格

本系統(tǒng)按照冬季采暖期和夏季制冷期進(jìn)行計(jì)算消耗天然氣的成本價(jià)格,根據(jù)表1中運(yùn)行參數(shù)采暖期和制冷期每立方米天然氣所發(fā)電量分別為3.048kWh和2.946 kWh,按表2天然氣價(jià)格計(jì)算后發(fā)電成本分別為0.797元和0.825元。

表1 微燃機(jī)組、空調(diào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

表2 上海市天然氣銷售價(jià)格

3.1.2 分布式供能系統(tǒng)運(yùn)行期經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

擬投入運(yùn)行時(shí)間段為每天的8：00～17：00,與發(fā)電量同等電量的價(jià)格計(jì)算如下(市電價(jià)格參照上海市發(fā)展改革委滬發(fā)改價(jià)管〔2011〕018號《關(guān)于調(diào)整上海市電網(wǎng)電價(jià)的通知》)：

3.1.2.1 冬季采暖期

（1）市電平均價(jià)=（峰段小時(shí)數(shù)×1.167＋平時(shí)小時(shí)數(shù)×0.714）÷9=（3×1.167＋6×0.714）÷9=0.865元

（2）日發(fā)電量輸出毛利=小時(shí)發(fā)電量×運(yùn)行時(shí)間×（平均單價(jià)－發(fā)電成本價(jià)）=195×9×（0.865－0.797）=119.34元

（3）空調(diào)機(jī)吸收煙氣余熱產(chǎn)生熱量：

總輸出熱量=2×輸出熱量=2×150=300kW/h

能源中心大樓2t/h鍋爐：額定熱量1400kW/h，天然氣額定耗氣155m3/h

單位燃?xì)饬恐茻崃?額定熱量÷天然氣額定耗氣=1400÷155=9.03kW/m3

日空調(diào)機(jī)熱量輸出毛利=總輸出熱量÷單位燃?xì)饬恐茻崃俊铃仩t用天然氣單價(jià)×日運(yùn)行時(shí)間=300÷9.03×3.99×9=1193.02元

（4）微燃機(jī)、空調(diào)機(jī)組投入運(yùn)行產(chǎn)生日經(jīng)濟(jì)效率：

日產(chǎn)生總毛利=日發(fā)電量輸出毛利＋日空調(diào)機(jī)熱量輸出毛利=119.34＋1193.02=1312.36元

3.1.2.2 夏季制冷期

（1）市電平均單價(jià)=（峰段小時(shí)數(shù)×1.202＋平時(shí)小時(shí)數(shù)×0.749）÷9=（5×1.202＋4×0.749）÷9=1.00元

（2）日發(fā)電量輸出毛利=小時(shí)發(fā)電量×運(yùn)行時(shí)間×（平均單價(jià)－發(fā)電成本價(jià)）=165×9×（1.00－0. 825）=259.89元

（3）空調(diào)機(jī)吸收煙氣余熱制冷量（參照基載制冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)）：

總輸出冷量=2×輸出冷量=2×140=280kW/h

能源中心大樓基載制冷機(jī)組：額定容量553kW，額定功率120 kW，小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)用電量相當(dāng)于120kWh

單位電量制冷量

=額定容量÷額定功率=553÷120=4.60kW/kWh日空調(diào)機(jī)冷量輸出毛利

=總輸出冷量÷單位電量制冷量×市電平均單價(jià)×日運(yùn)行時(shí)間=280÷4.60×1.00×9=547.82元

（4）微燃機(jī)、空調(diào)機(jī)組投入運(yùn)行日經(jīng)濟(jì)效率：

日產(chǎn)生總毛利=日發(fā)電量輸出毛利＋日空調(diào)機(jī)冷量輸出毛利=259.89＋547.82=807.71元

4 結(jié)語

申能能源中心大樓分布式供能系統(tǒng)試運(yùn)行一年來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)電成本比市電價(jià)格低，為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行,結(jié)合市電的價(jià)格情況,系統(tǒng)開啟時(shí)間為市電峰值期（8：00～15：00），系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組每天發(fā)電量約1600kWh，試運(yùn)行至2011年底累計(jì)發(fā)電量121870 kWh，單日平均發(fā)電量（12月為例）1770 kWh，累計(jì)供冷量為55234.89 kWh，累計(jì)供熱為906030.02 kWh。當(dāng)季節(jié)性用電高峰時(shí)，能源中心大樓所申請變壓器（微燃機(jī)組并網(wǎng)于1#變壓器低壓400V側(cè)）基本用電負(fù)荷可能還會有缺口，這部分缺口可以由微燃機(jī)組功率輸出來填補(bǔ)，因此可以申請減少基本用電量、降低用電成本、避免MD超標(biāo)遇罰。在今后的運(yùn)行中，要充分利用三聯(lián)供發(fā)電優(yōu)點(diǎn)結(jié)合契約電量的合理運(yùn)用，在夏季用電高峰時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行三聯(lián)供系統(tǒng)的基礎(chǔ)上降低契約電量預(yù)估申請，從而達(dá)到節(jié)約契約電費(fèi)并開啟三聯(lián)供溴化鋰機(jī)組來補(bǔ)充供冷。

雖然在運(yùn)行過程對能源合理利用和節(jié)約運(yùn)行成本有很好的經(jīng)濟(jì)效益,但由于該套系統(tǒng)引進(jìn)了國外設(shè)備,前期設(shè)備投入較高,在小規(guī)模功能系統(tǒng)利用上仍然不夠經(jīng)濟(jì),若擴(kuò)大系統(tǒng)發(fā)電和制冷供熱的功率，并將設(shè)備國產(chǎn)化以降低前期投入，天然氣分布式供能系統(tǒng)的運(yùn)用前景將非常可觀。