燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)合理配置研究

陳霖新

(中國電子工程設(shè)計院，北京 100142)

0 引言

在我國天然氣供應(yīng)日益增多的情況下，面對我國節(jié)能減排的嚴峻形勢，為提高能源利用效率，促進結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排，推動天然氣分布式能源有序發(fā)展，國家相關(guān)部委于2011年10月以發(fā)改能源〔2011〕2196號文發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，文件指出：“應(yīng)以提高能源綜合利用效率為首要目標，重點在能源負荷中心建設(shè)區(qū)域分布式能源系統(tǒng)和樓宇分布式能源系統(tǒng)，包括城市工業(yè)園區(qū)、旅游集中服務(wù)區(qū)、生態(tài)園區(qū)、大型商業(yè)設(shè)施等”。國家電網(wǎng)公司也發(fā)布了《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，文件指出：“所稱分布式能源是指位于用戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10 kV及以下電壓等級接入電網(wǎng)，且單個并網(wǎng)點總裝機容量不超過6 MW的發(fā)電項目”。“建于用戶內(nèi)部場所的分布式電源項目，發(fā)電量可以全部上網(wǎng)、全部自用或自發(fā)自用余電上網(wǎng)，由用戶選擇，用戶不足電量由電網(wǎng)提供。上、下網(wǎng)電量分開結(jié)算，電價執(zhí)行國家相關(guān)政策?！?/p>

從以上引述可見，我國政府及相關(guān)部門已對燃氣分布式能源系統(tǒng)制定、發(fā)布了明確的支持、指導(dǎo)和服務(wù)工作意見，為我國燃氣分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。燃氣冷、熱、電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)DES/CCHP(Distributed Energy System/Combined Cold，Heat and Power)是我國發(fā)展分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)良方式，它是從一次能源天然氣轉(zhuǎn)換到終端用戶應(yīng)用的全過程科學(xué)用能系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”科學(xué)用能思想，提高一次能源利用率；由于DES/CCHP具有分布式能源系統(tǒng)的所有特點，它建設(shè)在能源終端用戶的建筑物內(nèi)或其鄰近處，近距離的冷、熱、電供應(yīng)減少了輸能管線的能量損失和建設(shè)投資；它可針對各類終端用戶的冷熱電負荷特點、使用狀況，進行認真統(tǒng)計、分析，采用優(yōu)化集成燃氣發(fā)電技術(shù)，各種制冷、蓄冷、蓄熱技術(shù)及熱泵技術(shù)等，做到夏季供冷、冬季供熱，可使燃氣發(fā)電裝置的年運行小時數(shù)達到5 000 h左右，運行經(jīng)濟、降低運行費用；環(huán)境友好，采用冷熱電聯(lián)供比常規(guī)分供的綜合能耗降低，可相應(yīng)降低溫室氣體的排放量；DES/CCHP夏季發(fā)電并同時供冷、冬季發(fā)電并同時供熱，在許多地區(qū)將會有利于電網(wǎng)和燃氣供應(yīng)的削峰填谷。目前，各地區(qū)、各相關(guān)園區(qū)、企業(yè)和規(guī)劃設(shè)計部門都十分關(guān)注燃氣冷熱電聯(lián)供分布能源系統(tǒng)的建設(shè)，如何才能使DES/CCHP建造后達到減少一次能源消耗、較大幅度地提高能源利用率的預(yù)期，并得到顯著的經(jīng)濟效益，是擬采用DES/CCHP系統(tǒng)的決策者和規(guī)劃設(shè)計人員十分關(guān)心的問題。本文對合理配置燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)，提高節(jié)能和經(jīng)濟效益的相關(guān)問題進行研究。

1 能源站計算負荷與運行模式

燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)的特點之一是設(shè)在用戶終端，DES/CCHP能源站的建設(shè)規(guī)模、年一次能源消耗量、技術(shù)經(jīng)濟比較等主要依據(jù)供應(yīng)范圍內(nèi)建筑物或建筑群的冷、熱、電負荷及其變化情況，既應(yīng)按各類用戶不同功能區(qū)環(huán)境參數(shù)要求計算冷、熱、電負荷，又應(yīng)按使用情況和室外環(huán)境參數(shù)的變化計算或繪制不同季節(jié)的負荷曲線，包括供熱季、供冷季和過渡季的連續(xù)負荷曲線和典型日負荷曲線，某辦公樓和某大廈的典型日負荷曲線如圖1～圖4所示。同時，應(yīng)計算供應(yīng)范圍內(nèi)總的冷、熱、電負荷，并計入“同時使用系數(shù)”，該系數(shù)通常應(yīng)小于 1.0。這樣得到的DES/CCHP能源站供應(yīng)范圍內(nèi)的冷、熱、電匯總計算負荷才能比較接近投入運行后的實際需求情況，不能簡單地采用建筑群或建筑物工程設(shè)計的冷、熱、電負荷，避免DES/CCHP設(shè)備配置不當或某些設(shè)備能力偏大而不能實現(xiàn)經(jīng)濟運行，甚至運行困難；避免燃氣發(fā)電裝置余熱不能充分利用而達不到預(yù)期節(jié)能目標；投入運行后的燃氣發(fā)電裝置可做到充分發(fā)揮發(fā)電能力，發(fā)電機組可長期處于滿負荷或較高負荷運行，提高全年節(jié)能和經(jīng)濟效益。

圖1 某辦公樓典型日冷負荷曲線(供冷期)

圖2 某辦公樓典型日熱負荷曲線(供暖期)

圖3 某大廈典型日電力負荷曲線

圖4 某大廈典型日電力負荷曲線

DES/CCHP的運行模式，其一是運行時間的制定，包括年運行天數(shù)、供冷季/供熱季/過渡季或月/周運行天數(shù)和每天的運行小時數(shù)，在規(guī)劃、設(shè)計DES/CCHP時應(yīng)實事求是地按用戶冷熱電負荷特點確定全年的運行小時數(shù)及其分布情況，這是關(guān)系到能否真正做到節(jié)能減排和經(jīng)濟運行的基本條件；其二是能源站生產(chǎn)電力的出路，在自發(fā)自用、自發(fā)自用余電上網(wǎng)、并網(wǎng)售電、并網(wǎng)不售電等方式中，推薦采用并網(wǎng)不售電的自發(fā)自用方式，并在城市電網(wǎng)的低谷時段不發(fā)電并從電網(wǎng)購電，既降低運行成本，又利于城市削峰填谷。

根據(jù)氣候變化特點，我國分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)等，為確保室內(nèi)所需的舒適環(huán)境，各地區(qū)各類建筑對供熱、供冷的需求差異較明顯。寒冷地區(qū)既要求冬季供熱，又需要夏季供冷，且需較長的供熱、供冷時間，由于這些地區(qū)供冷、供熱季不同時日的晝夜溫度變化較大，所以每天的負荷都在變化。在夏熱冬冷地區(qū)雖然冬季也需供熱，但熱負荷較低，夏季需供冷，其冷負荷較大且供冷時間較長。夏熱冬暖地區(qū)主要是要求供冷，其冷負荷較大且供冷時間可能長達10個月，但在夏季、過渡季甚至是冬季，所需冷負荷也是隨環(huán)境和使用功能不斷變化的。冷、熱負荷的變化直接影響到DES/CCHP的運行狀態(tài)，影響燃氣發(fā)電機組的運行小時數(shù)和負荷率，最終影響到節(jié)能減排的實際效果和經(jīng)濟效益，所以在進行能源站的規(guī)劃、設(shè)計時必須準確地確定運行模式。一些工程項目實際運行情況表明，DES/CCHP年運行時間不宜少于3 000 h，每天的運行時間宜為10～18 h，在城市電網(wǎng)的低谷時段不宜運行，以利于城市電網(wǎng)供電系統(tǒng)削峰填谷。

鑒于我國電力生產(chǎn)是以煤電為主，我國燃煤、燃氣的價格差異在較長時期內(nèi)將不會有大的改變，所以燃氣發(fā)電的成本難以與燃煤發(fā)電成本競爭，劣勢短期內(nèi)不會改變。DES/CCHP能源站建設(shè)在用戶終端，具備實現(xiàn)“并網(wǎng)不售電”的可能，燃氣發(fā)電量全部“自發(fā)自用”，并且保持能源站生產(chǎn)電力始終低于供應(yīng)范圍內(nèi)實際使用電力，總是要從城市電網(wǎng)購入部分電能，這樣既可減少使用城市電網(wǎng)的電費支出獲得較好的經(jīng)濟效益，又可通過DES/CCHP設(shè)備的合理配置，確保用戶端的可靠供電。目前，國外一些公共建筑采用這種運行模式使DES/CCHP獲得了較好的節(jié)能和經(jīng)濟效益。

2 合理進行燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)及設(shè)備配置

2.1 燃氣發(fā)電機組的類型及能力

燃氣發(fā)電機組是DES/CCHP的核心設(shè)備，其類型選擇恰當與否直接關(guān)系運行的經(jīng)濟性、可靠性。目前，國內(nèi)外廣泛采用小型或微型燃氣輪機、內(nèi)燃機等，這些機組各具特點和優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用項目的條件、規(guī)模、冷熱電負荷及使用特點等因素認真分析、核算、比較之后選定。不同燃氣發(fā)電裝置的特性見表1。

表1 不同燃氣發(fā)電裝置的特性

燃氣發(fā)電機組的選用一般應(yīng)考慮下列因素：一是機組的發(fā)電效率，一些項目前期研究表明，發(fā)電效率提高一個百分點，DES/CCHP的綜合經(jīng)濟效益可能提高1%～2%；二是所需燃氣供應(yīng)壓力，我國城鎮(zhèn)燃氣在末端用戶處常為≤0.4 MPa的中壓或低壓管網(wǎng)，只有在城鎮(zhèn)燃氣主管或干管鄰近處才有≥0.8 MPa的次高壓或高壓燃氣管網(wǎng)，若建設(shè)場所燃氣壓力不能滿足小型燃氣輪機需要,需增設(shè)燃氣壓縮機進行增壓，將增加投資和運行費用；三是設(shè)備壽命和運行維護工作量，小型、微型燃氣輪機使用壽命長、運行維護工作量少，而燃氣內(nèi)燃機需要日常維修和定期維修，每年要支付一定的維修費用或停機維修；小型、微型燃氣輪機和內(nèi)燃機的設(shè)備費用不同，通常燃氣內(nèi)燃機單位發(fā)電能力的設(shè)備價格較低。

DES/CCHP能源站的電力供應(yīng)計算負荷是選擇燃氣發(fā)電機組發(fā)電能力和臺數(shù)的主要依據(jù)。目前，國內(nèi)外DES/CCHP應(yīng)用中燃氣發(fā)電機組通常選用2臺或2臺以上，由于工程項目的具體條件和使用要求不同，也有設(shè)置多臺發(fā)電機組的能源站。如西班牙馬德里機場在2005年投入運行的DES/CCHP能源站設(shè)置6臺6 MW燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組；倫敦某電子公司集成電路工廠的DES/CCHP能源站，采用8臺5 MW的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組,且采用n+2的機組配置方式，確保不間斷供電。

2.2 電制冷機和熱泵的配置

DES/CCHP能源站在城市電網(wǎng)低谷時段不發(fā)電，若能源站供應(yīng)范圍內(nèi)有供冷需求，應(yīng)設(shè)置電制冷機并由電網(wǎng)供電制冷；在能源站選擇的燃機發(fā)電能力下，燃氣發(fā)電裝置的余熱制冷不能滿足夏季冷負荷需求時，一般可采用普通燃氣直燃機制冷，在燃氣發(fā)電機組或排氣出口補燃增加制冷量，電制冷機制冷等方式。國內(nèi)外DES/CCHP能源站的實踐表明，采用電制冷機制冷補充“不足冷量”是節(jié)能減排和經(jīng)濟運行的優(yōu)良方式。圖5是DES/CCHP采用電制冷與吸收式制冷不同比例時節(jié)能率的變化曲線，該曲線是以城市電網(wǎng)發(fā)電效率為55%(此發(fā)電效率是按燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組計，實際上我國各城市電網(wǎng)的發(fā)電效率一般在40%左右)、電網(wǎng)輸配效率為90%、電制冷機的制冷性能系數(shù)(COP)為5.0、余熱吸收式制冷機的COP為1.2進行繪制的。從圖中曲線可見,采用燃氣輪發(fā)電機組(ηt=78%)時，若余熱吸收式制冷機制冷量小于或等于92%，其供冷期的節(jié)能率為4%～62%；采用燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組(ηt=82%)時，各種配比在供冷期都是節(jié)能的；當電制冷機供冷量大于50%后，其節(jié)能率均在40%以上，因此在DES/CCHP中的“不足冷量”推薦采用電制冷機供給。

圖5 不同制冷機配置方式的節(jié)能率

在DES/CCH中配置熱泵，節(jié)能減排效果更加顯著。利用已經(jīng)配置的電制冷機，根據(jù)具體項目的條件，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟比較可采用不同類型熱泵，如水源熱泵(地下水、地表水、污水或中水等)、土壤換熱器(地埋管等)以及其他形式的熱源，獲得40～60 ℃熱水供應(yīng)采暖、空調(diào)和生活用熱水，一般可提高一次能源利用率5%以上，節(jié)能減排效果十分明顯。新建北京火車南站的DES/CCHP能源站即采用污水源熱泵，供應(yīng)南站暖通空調(diào)熱水。

2.3 燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)的運行案例

DES/CCHP在國內(nèi)外都有一些實際運行案例。20世紀80年代以來，美國、歐洲、日本等均建設(shè)了一批DES/CCHP，取得了很好的節(jié)能和經(jīng)濟效益。如美國佛羅里達州奧蘭多(orlando)迪斯尼樂園的燃氣冷熱電聯(lián)供能源站，裝設(shè)2套60 MW的燃氣輪機發(fā)電裝置+余熱鍋爐+蒸汽吸收式制冷機+電制冷機+煙氣/水換熱器，供應(yīng)游樂園區(qū)約5 km2范圍內(nèi)各種建筑物(含數(shù)座五星級賓館等)的空調(diào)用冷凍水、生活熱水和部分電力，能源站的全年效率可達80%左右，具有很好的節(jié)能和經(jīng)濟效益，并已運行多年。英國某微電子工廠，在廠區(qū)內(nèi)設(shè)有燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置的燃氣冷熱電聯(lián)供能源站，根據(jù)需要采用了n+2配置，設(shè)置了8臺5 MW的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電裝置，正常運行6臺；發(fā)電裝置排出的煙氣和缸套水等余熱經(jīng)吸收式制冷機得到的冷凍水與電制冷機得到的冷凍水一起供應(yīng)凈化空調(diào)系統(tǒng)和供應(yīng)關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備等的連續(xù)供電。該能源站運行多年，并在工廠擴建中再次進行擴大。

廣州大學(xué)城DES/CCHP項目于2009年10月建成并試運行，2010年暑期開始供冷。該能源站設(shè)有2套78 MW的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，排出的500 ℃煙氣至余熱鍋爐產(chǎn)生4.0 MPa的過熱蒸汽送至汽輪機發(fā)電裝置；余熱鍋爐排出的煙氣經(jīng)煙氣/水換熱器降溫后排放，換熱得到的60 ℃熱水與汽輪機凝汽器的冷凝潛熱獲得的熱水匯合后供應(yīng)大學(xué)城的生活熱水；廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)的總供冷能力為11萬t，由設(shè)在能源站內(nèi)蒸汽吸收式制冷站和3個由能源站直接供應(yīng)電力的電制冷/蓄冷供冷站組成。上海浦東國際機場燃氣冷熱電聯(lián)供能源中心于2000年投入運行，設(shè)有1臺4 MW的燃氣輪發(fā)電裝置+余熱鍋爐(約11 t/h)+蒸汽吸收式制冷機(4臺1 500 RT)+電制冷機(4臺4 000 RT+2臺7 200 RT)+燃氣鍋爐。夏季燃氣發(fā)電裝置的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽與燃氣鍋爐生產(chǎn)的蒸汽，由吸收式制冷供應(yīng)機場空調(diào)用冷，不足冷量由電制冷機補充，生產(chǎn)電力除供能源站自身使用外還供臨近用電設(shè)備使用，該能源站運行多年，經(jīng)濟、社會效益明顯。成都新希望集團的冷熱電聯(lián)供分布式能源站已投入運行多年，設(shè)有8臺500 kW燃氣內(nèi)燃機和2臺吸收式制冷機，供應(yīng)一座五星級賓館和部分寫字樓用冷和部分電力，節(jié)能和經(jīng)濟效益顯著。長沙黃花機場燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源站于2012年投入運行，設(shè)有2臺約850 kW燃氣內(nèi)燃發(fā)電機和吸收式制冷機、電制冷機等，承擔該機場3號航站樓的供冷、供熱、生活熱水和部分電力供應(yīng)，投入運行后其節(jié)能和經(jīng)濟效益良好。

3 結(jié)束語

(1)燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)良方式，也是我國大力提倡的節(jié)能減排有效措施，各類園區(qū)、公共建筑和建筑群建設(shè)中積極貫徹《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，大力發(fā)展燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)，提高一次能源利用率，達到節(jié)能減排的目標。

(2)冷熱電聯(lián)供的冷熱電計算負荷不能簡單地采用建筑物工程設(shè)計數(shù)據(jù)，應(yīng)該結(jié)合工程項目的具體情況準確地計算年、季(月)、日、時冷熱電負荷及其變化(曲線)，并在此基礎(chǔ)上確定能源站的運行模式，以取得較好的經(jīng)濟效益。

(3)依據(jù)具體工程項目特點，合理配置燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)，正確選擇燃氣發(fā)電機組類型和單機發(fā)電能力，在充分利用燃機余熱和充分發(fā)揮發(fā)電能力的條件下，多生產(chǎn)電力，獲得較好的經(jīng)濟和社會效益。

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