燃氣分布式供能節(jié)能率計算標準研究

虞正發(fā) 馮云崗

1 背景

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，能源、環(huán)境問題不斷突出，工業(yè)和建筑用戶冷熱電需求不斷增長，現(xiàn)有的供能負荷變化范圍將不斷擴大，供能模式將隨之改善。常規(guī)的單一功能模式——冷、熱、電分別獨立生產(chǎn)與供應(yīng)存在著較多的不足；集中大規(guī)模單一發(fā)電，難以實現(xiàn)梯級利用；高品位電制低品位冷；高品位燃料制低品位熱，能源利用效率比較低。因此，為了滿足區(qū)域能源的不規(guī)律增長，增強能源從高品位能到低品位能的梯級利用以及提高供能利用效率，發(fā)展新型的節(jié)能減排新的功能模式勢在必行。分布式供能系統(tǒng)是典型的小型、臨近用戶、冷熱電聯(lián)產(chǎn)的供能系統(tǒng)，其過程為：燃料化學能首先進入原動機發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣進入余熱回收裝置，產(chǎn)生的冷和熱提供給工業(yè)與建筑用戶。這個概念早在1978年美國公共事業(yè)管理政策法公布后就正式在美國推廣，然后被其它先進國家接受的。該系統(tǒng)有很高的環(huán)保優(yōu)勢，相對于大電網(wǎng)來說，供能的可靠性比較高，可以應(yīng)對大電網(wǎng)突發(fā)事件，實現(xiàn)電力調(diào)峰，形成互補的作用；其次，對能源進行了有效的梯級利用，系統(tǒng)先產(chǎn)生高品位電能，隨之利用余熱廢熱生產(chǎn)低品位冷與熱，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供；煙氣余熱充分利用，能源利用效率顯著提高，既控制了排煙溫度，又實現(xiàn)了低溫廢熱利用，所以分布式功能和大規(guī)模集中功能的有機結(jié)合，被稱為未來能源系統(tǒng)的發(fā)展方向。

分布式供能對燃料的化學能，釋放的高溫、中溫、低溫不同品位的能源持續(xù)梯級利用模式，相對于分產(chǎn)利用實現(xiàn)了能的綜合梯級利用，節(jié)能效果明顯。當前分布式供能系統(tǒng)在國家科技發(fā)展規(guī)劃中也是處于很重要的地位，并且各地方政府也都在制定相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，包括國家能源局綠色能源縣分布式供能計劃。

目前，上海市已有十多個分布式供能系統(tǒng)投入運行，其中不乏運行良好的例子，尤其是在節(jié)能減排方面均有比較好的成效。但由于分布式供能系統(tǒng)與分散供電、供熱之間目前還沒有統(tǒng)一的能耗差值計算方法，使得用不同計算方法得出的節(jié)能率相差較大，不能很好的體現(xiàn)分布式供能系統(tǒng)在節(jié)能方面的優(yōu)越性。因此通過本課題研究，以達到統(tǒng)一的節(jié)能率計算標準。

2 國內(nèi)節(jié)能計算

2.1 一次能源節(jié)約率

參政文獻[1]提到一次能源節(jié)約率是指分產(chǎn)所得冷熱電所耗一次能源與聯(lián)產(chǎn)所得冷熱電所耗一次能源的差值與分產(chǎn)所得冷熱電所耗一次能源的比值。以冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)都產(chǎn)生等量的熱量、冷量、電量為前提，求出它們消耗的總的一次能源，進而求出一次能源節(jié)約率PES(primaryenergysaving)。

式中，QCCHP——三聯(lián)供總的一次能源消耗量，J；

HSUP——分產(chǎn)系統(tǒng)和聯(lián)供系統(tǒng)等量的可用熱能，J；

CCUP——分產(chǎn)系統(tǒng)和聯(lián)供系統(tǒng)等量的可用冷量，J；

ESUP——分產(chǎn)系統(tǒng)和聯(lián)供系統(tǒng)等量的可用電量，J；

PERe(CCHP）——可用電量占聯(lián)供系統(tǒng)總一次能源消耗的比例，%；

PERC(CCHP）——可用冷量占聯(lián)供系統(tǒng)總一次能源消耗的比例，%；

PERH(CCHP）——可用熱量占聯(lián)供系統(tǒng)總一次能源消耗的比例，%；

ηe——電網(wǎng)發(fā)電效率，%；

ηb——鍋爐效率，%；

COPCRSηb——制冷性能系數(shù)。

若PES＞0，表示冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能；若PES＜0則表示冷熱電聯(lián)供不節(jié)能。同時PES值的大小可以反映出節(jié)能的程度。該方法從熱力學第一定律建立數(shù)學模型，對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性進行分析研究，分析分布式冷熱電聯(lián)供的節(jié)能條件和節(jié)能率的特點，反映了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對于壓縮式制冷的分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2.2 節(jié)煤量

參政文獻[2～4]采用節(jié)煤量來衡量分布式三聯(lián)供系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能特性。節(jié)煤量表示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所耗一次能源煤量與分產(chǎn)系統(tǒng)所耗一次能源煤量的差值。該系統(tǒng)比較模型為：分布式能源冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與區(qū)域鍋爐房供熱、凝汽式電廠發(fā)電及壓縮式制冷機組合的系統(tǒng)相比較。在供熱量、制冷量及供電量相同的條件下，節(jié)煤量的表達式為：

式中，△B——節(jié)煤量，kgce/h；

Qc——制冷量，kW；

nL——壓縮式制冷機的制冷電耗，kW電耗/kW制冷量； ，

nx——溴化鋰吸收式制冷機的電耗，kW電耗/kW制冷量；

W——供熱式機組的發(fā)電量，kW；

ε——熱電廠用電率；

b——電網(wǎng)供電煤耗，kgce/kWh；

Qha——供熱式機組的供熱量，GJ/h；

ηb（d）——區(qū)域鍋爐房鍋爐效率；

ηp（d）——供熱管道效率；

B——供熱式機組的耗煤量，kgce/h；

節(jié)煤量建立在熱力學第一定律的基礎(chǔ)之上，其實質(zhì)是按熱量法來分配總熱耗量，計算簡單、直觀、明確。

3 國外節(jié)能計算

3.1 日本計算方法

日本從1980年開始推廣熱電聯(lián)產(chǎn)項目，迄2004年底，共建9710個項目，合計發(fā)電功率7782MW(包括燃油、燃氣項目)，約占日本發(fā)電設(shè)備總?cè)萘康?.5%；其中燃氣的4651項、發(fā)電功率3065MW，分別占47.9%和39.4%。包括工業(yè)項目1087項、發(fā)電功率2238MW和民用商業(yè)項目3564項、發(fā)電功率827MW，分別占總量的23.4%、73.0%及76.6%、27.0%。按原動機類型進行分類，燃氣輪機共1228臺，發(fā)電容量3617MW，占12.6%、46.5%；柴油機4212臺，發(fā)電容量3048MW占43.4%、39.2%；燃氣內(nèi)燃機4262臺，發(fā)電容量1187MW，占43.4%、15.3%；其他8臺，發(fā)電容量31MW。從上可見，日本燃油柴油機的數(shù)量還不少，但大多是早期投產(chǎn)的，目前已經(jīng)陸續(xù)進入退役期，也有部分作為備用，年運行小時逐步下降。從發(fā)展趨勢看，分布式供能系統(tǒng)的主力原動機是燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機[5]。

新時代完善企業(yè)干部考核評價體系的研究——以廣西電網(wǎng)有限責任公司為例 …………………………………… 楊 威（5/32）

《日本三聯(lián)供設(shè)計手冊》通過比較年常規(guī)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的主要能源消費量來評價節(jié)能效果，可以認為是熱電聯(lián)產(chǎn)的整體效果在一個單一的建筑節(jié)能和余熱回收裝置的指標。典型的節(jié)能指標顯示如下：

熱電聯(lián)產(chǎn)裝置評價效率

發(fā)電機負荷因子

節(jié)能率

熱電聯(lián)產(chǎn)裝置評價效率，輸出的發(fā)電量與余熱利用量除以輸入的燃料熱量，設(shè)計效率應(yīng)大于60%。熱電聯(lián)產(chǎn)依存度（電力）該指標顯示了熱電聯(lián)產(chǎn)在建筑物年電力需求量中所占比重。

同樣，熱電聯(lián)產(chǎn)依存度（熱）也是如此，該指標顯示了熱電聯(lián)產(chǎn)余熱回收量在熱需求量中所占比重。熱電聯(lián)產(chǎn)的依存度要大于各單個設(shè)備的值，不犧牲余熱以提高設(shè)備利用率是設(shè)計的重點。

發(fā)電機負荷因子，是發(fā)電裝置在一個時間段內(nèi)的平均運行指標，要避免在低負荷運行引起的效率下降，要合理設(shè)計運行制度以增加發(fā)電機的負荷因子。

發(fā)電機效率、余熱回收效率來評價年平均能效，長時間的低負荷運行，發(fā)電機組的效率比額定值低。

余熱利用效率，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱回收比率是用來衡量次級余熱利用的狀況，該指標應(yīng)盡可能的高，以提高節(jié)能效果和經(jīng)濟性，臺數(shù)和運行策略是設(shè)計的重點。

表3-1 日本計算案例

節(jié)能效率用來比對一次能源利用的狀況，考慮到電廠的發(fā)電效率和電力公司的傳輸效率，到用戶端的綜合效率為36.6%（HHV——高熱值）（供電煤耗為9830kJ/kWh）。但是為了進行有區(qū)別的評估劃分為日間和夜間，日間（8點～22點）用電端的受電效率為35.8%（HHV——高熱值）（供電煤耗為10050kJ/kWh）；夜間（22點～8點）為38.7%（供電煤耗為9310kJ/kWh）。應(yīng)該指出，如果多余電力反向供給公共電網(wǎng)。

該方法依賴于日本對不同用能系統(tǒng)的統(tǒng)計資料，對中國的適應(yīng)性較差。

3.2 歐洲計算方法

在歐洲，自1973年能源危機之后，企業(yè)就積極進行各種活動，希望在節(jié)能方面為自己的傳統(tǒng)產(chǎn)品找到替代市場。在1978至1984年間，市場的巨大動力推動著熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在住宅和服務(wù)行業(yè)的應(yīng)用。英國第一次嘗試區(qū)域供熱是1742年，至今英國有500處以上小型熱電站(小于1MWe)，目前主要應(yīng)用于娛樂中心、游泳池、醫(yī)院、賓館、收容所、機場、學校和小型工業(yè)等場所。除了小型熱電站以外，英國還不斷利用容量在1—10MWe的中型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。在Cyanamid，采用往復(fù)式發(fā)動機供電3.5MWe，同時供應(yīng)蒸汽。在醫(yī)院和小型工廠是適合于安裝燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的，1992年3月，在cornwall安裝了由兩個燃氣輪機組成的熱電站。最近在曼切斯特機場建成了10MWe的熱電站，據(jù)預(yù)測運行成本可降低150萬英磅。倫敦一家醫(yī)院的熱電站安裝了兩臺1.5MWe汽輪機，汽機廢熱用于供給吸收式制冷機，空調(diào)加濕系統(tǒng)，機械通風系統(tǒng)。德國集中供熱很發(fā)達，尤其是在前東德地區(qū)。在實行集中供熱的地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)占60%。1991年為促進分散的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展，成立了成套熱電設(shè)備協(xié)會。成套熱電設(shè)備主要在三個領(lǐng)域使用：工業(yè)與商業(yè)(34%)、廢料管理(33%)和醫(yī)院與游泳池在內(nèi)的公共場所(33%)。

對于整個分布式能源冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的評估，需要計算一些能源相關(guān)的指標：PES（一次能源節(jié)約率）及PRF（一次資源指數(shù)）。PES表示由聯(lián)合生產(chǎn)相對獨立生產(chǎn)相同冷熱能和電能時獲得的一次能源能源節(jié)約。PRF定義為一次能源消耗與輸出能源的比值，表示了冷熱電三聯(lián)供冷熱傳輸分配時平均燃料消耗，熱損失及電消耗。一次能源消耗需考慮提取，加工，儲存，運輸，生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化，傳輸及分配等任何傳遞到用戶過程中使用到的能源。

一次能源節(jié)約率PES（PrimaryEnergySaving）：

其中ηe為電網(wǎng)效率，

ηb為常規(guī)鍋爐效率，

PHR為電熱比，

ηcg為產(chǎn)電效率。計算式為：

式中，LHV為低熱值，

mf為燃料流量，

Ecg為熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量。

一次資源指數(shù)PRF（PrimaryResourceFactor）：

其中：fp,DH表示區(qū)域供熱系統(tǒng)的一次資源指數(shù)，

fp,DC表示用戶轉(zhuǎn)換端一次資源指數(shù)，

fp,DH表示區(qū)域供熱系統(tǒng)的一次資源指數(shù)，

fP,F,i表示輸入燃料的一次資源指數(shù)，

fp,elt表示電能一次資源指數(shù)，

QF,i表示區(qū)域供熱供冷和熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)電所需的總輸入燃料，

QF,DH表示區(qū)域供熱系統(tǒng)所需燃料，

WCHP表示熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)出電能，

QDC,k表示用戶轉(zhuǎn)換端一次能源側(cè)所消耗的冷能，

QDH,j表示區(qū)域供熱系統(tǒng)用戶轉(zhuǎn)換端一次能源側(cè)所消耗的熱能。

上述計算公式表明，一次資源指數(shù)越小則表示越節(jié)能，使用化石燃料單一鍋爐生產(chǎn)冷熱電的一次資源指數(shù)較大，而使用余熱廢熱、生物質(zhì)燃料、熱電聯(lián)產(chǎn)等生產(chǎn)冷熱電時一次資源指數(shù)較小。該方法更偏向于熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能率計算，針對冷熱電三聯(lián)供中的冷，沒有給出具體的處理方式。

4 適合上海市的節(jié)能計算

綜合現(xiàn)有計算分布式供能節(jié)能率方法，并結(jié)合上海市已建成項目的運行效果提出適合上海市的節(jié)能計算。

4.1 計算方法

1）三聯(lián)供一次能源消耗量：

其中，QCCHP,T——三聯(lián)供總供能量，GJ；

QCCHP，C——三聯(lián)供總供冷量，GJ；

QCCHP,H——三聯(lián)供總供熱量，GJ；

QCCHP,E——三聯(lián)供總供電量，GJ。

其中，QCCHP,1——三聯(lián)供一次能源消耗量，ect；

QCCHP,1,NG——三聯(lián)供燃氣耗量，ect；

QCCHP,1,E三聯(lián)供用電量，根據(jù)當年供電煤耗（mS,E，g/kWh）和電網(wǎng)損耗（ηNET,E）率折算，ect；

2）分產(chǎn)年耗煤量計算公式：

其中，QC,E——分產(chǎn)制冷用電量，GJ；

COP——分產(chǎn)制冷系數(shù)；

其中，QH,1——分產(chǎn)供熱一次供熱能耗，ect；

ηB、1-ηNET，H——分產(chǎn)鍋爐效率，熱網(wǎng)損耗；

其中，QE,T，1——分產(chǎn)用電量，根據(jù)當年供電煤耗（mS,E，g/kWh）和電網(wǎng)損耗（ηNET，E）率折算，ect；

總一次能源消耗量：

其中，QH，1——分產(chǎn)一次供熱能耗，ect；

3）節(jié)能率計算：

其中，△B——節(jié)煤量，ect；

η——節(jié)能率。

4.2 計算案例

4-2分布式供能系統(tǒng)設(shè)備特性表

上海世博會B片區(qū)央企總部能源中心項目根據(jù)上海世博園會展及其商務(wù)區(qū)的冷、熱負荷容量及特點，擬在該區(qū)域內(nèi)建設(shè)天然氣分布式能源站，滿足該地區(qū)熱、冷負荷需求。B片區(qū)規(guī)劃用地面積25.11hm2，地上總建筑面積約76.44萬m2，平均容積率約為3.13，單體建筑高度不超過120m。規(guī)劃用地性質(zhì)為商務(wù)辦公（含商業(yè)文化娛樂設(shè)施）和灑店，商務(wù)辦公（含商業(yè)文化娛樂設(shè)施）建筑面積約為59.7萬m2，酒店建筑面積約為16.74m2，客房約為1300間。本次建筑的天然氣分布式能源站只考慮商務(wù)辦公（含商業(yè)文化娛樂設(shè)施），不考慮給酒店供能。

能源中心年供電量1726kWh，供熱89759GJ，供冷213535GJ，系統(tǒng)綜合能源利用率128%，原動機供能量占總供能量的42%，相對于分產(chǎn)供能節(jié)能率30%。

還對原動機供能量相對于總供能量的占比對節(jié)能率的影響進行了分析，原動機供能量超過27%時分布式供能的優(yōu)越性才能體現(xiàn)出來，分布式供能節(jié)能率的極限值為70%左右（見圖4-1）。

圖4-1 敏感性分析

5 結(jié)論

1）綜合多方研究成果，本文提出了適合上海市的分布式供能節(jié)能率計算方法。

2）為體現(xiàn)分布式供能系統(tǒng)在節(jié)能方面的優(yōu)越性確立了統(tǒng)一標桿。

3）以上海世博會B片區(qū)央企總部能源中心為例，分布式與分產(chǎn)式相比，節(jié)能率約在30%左右。同時發(fā)現(xiàn)，原動機供能量占總供能量的27%以上時節(jié)能率才大于0，并且節(jié)能率的極限值為70%。

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