分布式能源站低負荷運行難點及解決思路

陳靖，和彬彬，范潔

(1.華電分布式能源工程技術有限公司，北京 100160；2.華電工程設計院，北京 100160)

0 引言

華電產(chǎn)業(yè)園建設的分布式能源站設計工作于2011年開始，建設有4座規(guī)模不等的大樓，用作賓館和辦公場所，根據(jù)原始資料要求，能源站需滿足產(chǎn)業(yè)園25萬m2建筑冷、熱負荷供應及部分電力負荷需求。

1 能源站機型選擇和運行方式

華電產(chǎn)業(yè)園全部用電設備的累計負荷為27.318 MW，考慮0.6的同時系數(shù)，電負荷需求為16.391 MW。根據(jù)對華電總部大樓、燃氣大廈等類似功能建筑冷熱電負荷的調(diào)研，預測園區(qū)最大穩(wěn)定電負荷為8.755 MW。其中，A座、B座電力負荷預測為2.130 MW，C座、D座消防電負荷為0.466 MW，即產(chǎn)業(yè)園初期投用時平均電負荷約為2.596 MW。

根據(jù)負荷預測結(jié)果，確定了“滿足用戶冷、熱負荷供應，在此基礎上保證發(fā)電效率最大化的原則”。確定了機組數(shù)量和機組額定容量后，保證機組額定冷、熱負荷下滿足用戶要求，高峰和極端溫度天氣下投入直燃機和電制冷機等調(diào)峰設備，滿足建筑的最大冷、熱負荷需求。在此條件下，發(fā)電出力可基本滿足產(chǎn)業(yè)園的供電需求，不足電力由市政電網(wǎng)補充。由于機組并網(wǎng)不上網(wǎng)，所以電力輸出將通過自身負荷平衡，當機組出力負荷富余時，可降負荷以保證電網(wǎng)負荷平衡，也可啟動冷、熱制備設備消耗富余電力，達到電負荷和熱負荷的同時平衡。

根據(jù)以上原則，確定分布式能源站的發(fā)電裝機容量為6 MW級。最初考慮采用3臺2 MW級的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，后來因為場地緊張，分布式能源站確定采用2臺3 MW級燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組。僅A座、B座投用且辦公面積達到70%時，單臺燃氣輪機孤網(wǎng)運行可滿足用電需求。

由于能源站并網(wǎng)不上網(wǎng)，當用戶用電負荷低于單臺機組50%時，發(fā)電機將停止工作，電負荷完全由市政電網(wǎng)滿足；電力負荷高于發(fā)電機最大出力時，不足部分由電網(wǎng)補充。發(fā)電機停運及發(fā)電余熱不足時，冷、熱負荷由直燃機、電制冷機等調(diào)峰設備提供。由于采用內(nèi)燃機組，單臺機組最低運行負荷約50%額定負荷，故用戶電負荷低于50%額定負荷時，為保護設備，機組將自動跳閘，電源切換到電網(wǎng)負荷，這一狀況雖然是所有分布式能源機組的共性問題，但對用戶來說是希望避免的情況，故如何處理是亟須解決的難題。

2 運行現(xiàn)狀及過渡季節(jié)預測

能源站投運后遇到的第1個難題是園區(qū)4座大樓同時建設，但第1幢辦公大樓投運后就必需投入運行，此時用戶電負荷低于單臺機組的最低穩(wěn)燃負荷，投運后56天內(nèi)共計發(fā)電2 342.5 MW·h，但實際用戶用電量1 658.1 MW·h，實際平均電負荷僅1 232 kW。由于市政電網(wǎng)尚未接入，為保證大樓正常工作，迫使采用了一些非常規(guī)手段以保證用電。正常工作日、周末、春節(jié)等典型日的負荷比較見表1。

表1 能源站運行初期典型日電負荷(2014年) kW

由表1可知，正常上班狀態(tài)和周末、節(jié)假日條件下用電情況差別很大，夜晚時差別更大。這雖然是一種極端情況，但需要高度重視和認真解決。

另外，休息日和晚間，辦公、電梯、餐廳等用電負荷下降較多，產(chǎn)業(yè)園實際用電負荷僅為燃氣輪機額定負荷的28%～38%。峰值負荷1 900 kW也僅為燃氣輪機額定負荷的56.8%。由于負荷率低，負荷波動的問題尤為突出，當1臺電梯突然啟動時，沖擊電流比較大，特別是當2臺電梯同時動作時(雖然概率很小，但有發(fā)生的可能)，造成孤網(wǎng)運行電壓大幅波動，當電壓波動大于內(nèi)燃機發(fā)電機保護值時，導致機組迅速跳閘。

由于產(chǎn)業(yè)園投運年為暖冬，熱負荷相對較低，上述問題更加突出。停止供暖后，能源站和二級泵房的供暖設備停運，因此C座、D座大樓用電量將大幅下降；其他建筑物與供暖有關的設備(盤管、風機等)停運也會造成負荷進一步大幅度下降，估計白天負荷在800 kW左右(不考慮其他樓裝修、施工等用電)，晚上及假日負荷在500 kW左右，相當于燃氣輪機要在25%額定負荷下長期運行。故分布式能源站如果長期在25%負荷率以下運行是非常困難的。

3 能源站長期低負荷運行的弊病

內(nèi)燃機組一般按照常規(guī)應用環(huán)境進行設計，按80%～100%額定負荷下運行最優(yōu)效率的原則工作，設備部件(包括渦輪增壓器)、空燃比等均按此選定。如果在低于50%額定負荷下運行，機組在恒定稀薄燃燒下的空燃比(即燃料和空氣的比例在1.0∶2.2左右)下，按照渦輪增壓器的曲線特性，進氣量要大于實際負荷做功時的進氣量，導致混合氣體在氣缸內(nèi)燃燒時，只有一部分能量進行機械做功，其余則以熱能的形式隨煙氣排放出去，從而在低負荷下出現(xiàn)排氣溫度過高、效率降低、積炭加快等狀況。

內(nèi)燃機組長期低負荷運行時產(chǎn)生的影響可歸納為以下幾點。

(1)氣缸積炭。長時間低負荷運行會加快在進氣閥、燃燒室(氣缸蓋和活塞頂)等部位積炭，而積炭是燃料和潤滑油的竄氣混合后不完全燃燒產(chǎn)生的沉積物。

(2)積炭危害。當燃燒室積炭到一定程度會引起氣缸爆震而損害活塞及曲軸，使發(fā)動機體損壞的幾率增大。氣缸爆震現(xiàn)象發(fā)生后，為保護設備部件安全，燃氣輪機即刻甩負荷停機，因此能源站運行極不穩(wěn)定，隨時會出現(xiàn)停機；渦輪增壓器渦輪處積炭會使進氣效率降低，導致出力不足、效率降低；長時間積炭還會影響點火效率。

(3)潤滑油耗量增加。燃氣輪機低負荷運行時，潤滑油耗量比滿負荷時增加1倍，現(xiàn)為0.6 g/(kW·h)。

(4)低負荷運行對設備的危害。燃氣輪機在50%額定負荷運行時，比70%額定負荷運行時耗氣量增加10%。煙氣溫度過高而超出余熱回收設備運行的設計溫度時，可能導致余熱回收設備損壞，維修周期縮短后，部件更換過快會導致維修費用增大。

燃氣輪機長期低負荷運行，會對燃氣輪機造成不必要的損害，縮短設備運行壽命和增加設備生命期內(nèi)運行成本，同時運行穩(wěn)定性差。因此，所有燃氣內(nèi)燃機廠家均建議用戶避免燃氣輪機在40%額定負荷以下長期運行。

目前，世界上燃氣內(nèi)燃機仍無任何成熟的低負荷運行技術或應用案例，個別廠家正在進行試驗研究，以期解決或降低低負荷率運行的問題。

4 解決問題的思路及措施

近些年投運的分布式能源站，存在的問題主要集中在3個方面：機組最低穩(wěn)燃負荷及負荷點；機組不同輸出能的變化幅值；機組不同輸出能的相互關系。解決了上述問題，就提高了分布式能源站對用戶的適應性，提高了機組的綜合效率，同時能降低運行費用及綜合造價。下面探討解決問題的思路和具體措施。

4.1 降低機組最低穩(wěn)燃負荷點的思路和措施

降低機組最低穩(wěn)燃負荷點，就能使分布式能源站更廣泛地適應用戶需求，解決問題的方法主要有以下幾種。

(1)降低內(nèi)燃機和燃氣輪機自身最低運行負荷點。由于機組自身的特點，雖然不可能降到極低的范圍，但如果能控制在30%額定負荷以下，將會使機組具有更廣泛的適應性，對于內(nèi)燃機來說，需要研制更寬泛的或可變動的空燃比，而燃氣輪機還要避免軸系的共振和末級葉片的余速損失，這需要設備廠家配合。

(2)采用多臺機組也能降低最小負荷點，但可能造成成本上升和場地占用的變化，需要根據(jù)情況分析確定。

(3)通過系統(tǒng)內(nèi)部的能源互換方式解決最低穩(wěn)燃負荷的問題。能源之間是可以互相轉(zhuǎn)換的，當用戶電負荷需求低于機組實際輸出負荷時，可通過轉(zhuǎn)換部分電能至熱能的方式解決(如果用戶電負荷、熱負荷都低于機組實際輸出時，本方案不成立)。

(4)決定分布式能源站機組數(shù)量的重要判斷依據(jù)是，當用戶的電負荷與熱負荷總和低于實際電負荷與熱負荷總和時，可考慮降低單機容量，增加機組數(shù)量。

4.2 關于機組不同輸出能的幅值變化方法

(1)重新分配電、熱、冷的負荷分配設計點，即移動熱、電負荷的分配點，可適當提高內(nèi)燃機煙氣出口溫度，降低發(fā)電段熱焓的使用量，這樣電負荷比例就會下降，熱負荷比例就會上升。

(2)采用蓄能的方法調(diào)節(jié)用戶日負荷的變化，可以在用戶不需要熱或冷時儲存部分能量，當外界需要時再釋放，間接地滿足了用戶在不同時間段對不同種類能的需求。

4.3 關于機組不同輸出能的相互轉(zhuǎn)換方法

(1)當電負荷輸出大于用戶實際需求，熱負荷輸出小于用戶實際需求時，可將電負荷轉(zhuǎn)換為冷、熱負荷，以取得用戶對不同能的動態(tài)需要量，如夏季在電負荷富余條件下，可采用蓄冰的方法將電能轉(zhuǎn)換為其他能源。

(2)如果能源站附近有直供電需求用戶，而且電網(wǎng)政策允許直供電的話，可直接售給其他有需求的用戶。

4.4 現(xiàn)場采取的措施和方法

(1)產(chǎn)業(yè)園其他建筑物在加快裝修，增加了用電負荷，可將部分多余電量提供給其使用。

(2)將臨時用電電源引至園區(qū)，與能源站供電在低壓側(cè)切換倒閘后，再由園區(qū)正式低壓配電系統(tǒng)送至各用電單元。為防止在低壓側(cè)與電網(wǎng)并網(wǎng)，倒閘停電前需逐一關閉較重要的低壓電子設備，如關閉二次泵房低壓大型變頻器及確保電梯無人乘坐等。

(3)在保證電能質(zhì)量的前提下內(nèi)燃機壓線運行，加強內(nèi)燃機定期檢查和維護，根據(jù)氣候變化適時調(diào)整供熱參數(shù)，盡量減少直燃機的運行時間，并在辦公樓等處采取正常節(jié)電措施等。