上海地區(qū)賓館建筑導(dǎo)入CCHP系統(tǒng)方案的探討

嚴(yán)佳晨，顧群音

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

眾所周知，現(xiàn)行的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)對(duì)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，遲緩了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)程.能源價(jià)格、電網(wǎng)穩(wěn)定性、環(huán)境污染以及全球性氣候變化是當(dāng)前面臨的重要問題，因此解決節(jié)能和環(huán)保難題迫在眉睫.要解決上述問題就必須對(duì)目前的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，大力發(fā)展包括天然氣在內(nèi)的清潔能源.作為一種分布式能源系統(tǒng)，天然氣冷熱電三聯(lián)供(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)已經(jīng)成為能源供應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)之一.它具有節(jié)約能源、改善環(huán)境、增加電力供應(yīng)、減少城市大氣污染和提高能源綜合利用率等優(yōu)點(diǎn)，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略.[1]

賓館由于其特殊的商業(yè)定位，對(duì)電力、供熱、供冷都有大量需求.CCHP可以通過余熱回收設(shè)備有效地利用系統(tǒng)發(fā)電后排出的余熱向用戶供熱、供冷.通過這種方式大大提高整個(gè)系統(tǒng)的一次能源利用率，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用.另外，還可以提供并網(wǎng)電力作能源互補(bǔ)，使得整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益及效率相應(yīng)提高.[2]

1 上海地區(qū)某賓館概況

以上海地區(qū)某中型賓館為研究對(duì)象，其總建筑面積為59 320 m2，擁有客房500間.在導(dǎo)入分布式供能系統(tǒng)前，該賓館原來的供熱系統(tǒng)采用3臺(tái)傳統(tǒng)的7 t/h的CJHS-G713燃油蒸汽鍋爐，用電則全部由2臺(tái)市電進(jìn)線的容量為2 500 kW的變壓器供給.

2 實(shí)際冷熱電負(fù)荷情況

2.1 用電負(fù)荷

該賓館各季節(jié)典型日電負(fù)荷情況如圖1所示.其中，所有負(fù)荷數(shù)據(jù)是與賓館方溝通后所獲得的，都是該賓館的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù).

圖1 賓館各季節(jié)典型日電負(fù)荷情況

由圖1可知，冬季最小電負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨4點(diǎn)左右，最大負(fù)荷出現(xiàn)在傍晚17點(diǎn)左右，最小負(fù)荷為649.59 kW，最大負(fù)荷為1 791.58 kW.夏季最小電負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨5點(diǎn)左右，最大負(fù)荷出現(xiàn)在下午14點(diǎn)左右，最小負(fù)荷為555.27 kW，最大負(fù)荷為3 561.96 kW.春季和秋季最小電負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨3點(diǎn)左右，最大負(fù)荷出現(xiàn)在傍晚17點(diǎn)左右，最小負(fù)荷為 727.19kW，最大負(fù)荷為1765.12kW.

通過分析可以得出，該賓館全年最小電負(fù)荷為555.27 kW.比較3種季節(jié)的電負(fù)荷情況不難發(fā)現(xiàn)，每天的12:00～20:00是賓館用電的高峰期，其余時(shí)間段的用電量相對(duì)較低.冬季與過渡季節(jié)的用電負(fù)荷很相似，最大負(fù)荷都在1 500～2 000 kW之間.而夏季的最大電負(fù)荷高達(dá)3 500 kW，約是其他季節(jié)的2倍.可見，在夏季，賓館擁有更大的用電需求.

2.2 用熱負(fù)荷

該賓館各季節(jié)典型日熱負(fù)荷情況如圖2所示.

圖2 賓館各季節(jié)典型日熱負(fù)荷情況

由圖2可以看出，冬季最小熱負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨4點(diǎn)左右，為1 288.79 kW;最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在傍晚16點(diǎn)左右，為3 525.15 kW.換算成1 MPa的蒸汽，最小熱負(fù)荷為1.83 t/h，最大熱負(fù)荷為5 t/h.夏季最小熱負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨 3點(diǎn)左右，為163.9 kW;最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在晚上21點(diǎn)左右，為1 025.86 kW.換算成1 MPa的蒸汽，最小熱負(fù)荷為0.23 t/h，最大熱負(fù)荷為 1.46 t/h.春季和秋季最小熱負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨3點(diǎn)左右，為190.52 kW;最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在晚上19點(diǎn)左右，為1 372.86 kW.換算成 1 MPa的蒸汽，最小熱負(fù)荷為0.27 t/h，最大熱負(fù)荷為 1.95 t/h.

通過分析可以得出，賓館全年最小熱負(fù)荷為0.23 t/h.比較3種季節(jié)的熱負(fù)荷情況可以發(fā)現(xiàn)，冬季用戶對(duì)熱負(fù)荷的需求最大，達(dá)到了3 500 kW.過渡季節(jié)也達(dá)到了近1 400 kW，相比之下夏季用戶的熱負(fù)荷需求最小.

另外，一天之內(nèi)除了凌晨用熱負(fù)荷比較低，晚上19:00左右用熱負(fù)荷較高以外，其余時(shí)間段的用熱負(fù)荷較為平均.

2.3 用冷負(fù)荷

該賓館各季節(jié)典型日冷負(fù)荷情況如圖3所示.

圖3 賓館各季節(jié)典型日冷負(fù)荷情況

由圖3可以看出，冬季最小冷負(fù)荷出現(xiàn)在23點(diǎn)到次日早上8點(diǎn)，為零;最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在中午12點(diǎn)左右，為227.679 kW.夏季最小冷負(fù)荷出現(xiàn)在凌晨5點(diǎn)左右，為769.04 kW;最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在下午14點(diǎn)左右，為4 933.23 kW.春季和秋季最小冷負(fù)荷出現(xiàn)在晚上23點(diǎn)左右，為零;最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在下午13點(diǎn)左右，為1 643.014 kW.

通過分析可以得出，該賓館全年大多數(shù)時(shí)間冷負(fù)荷為零.比較3種季節(jié)的冷負(fù)荷情況可以發(fā)現(xiàn)，夏季用戶對(duì)冷負(fù)荷的需求最大，達(dá)到了4 933.23 kW.過渡季節(jié)也達(dá)到了1 643.014 kW，相比之下冬季用戶對(duì)冷負(fù)荷的需求最小.另外，凌晨用冷負(fù)荷都比較低，而從早上9點(diǎn)開始用冷負(fù)荷迅速提高，在中午的時(shí)候達(dá)到最大.

3 CCHP導(dǎo)入方案

3.1 CCHP導(dǎo)入原則

如果選用“以熱定電”的原則，由于熱負(fù)荷在不同季節(jié)和時(shí)刻的變化很大，最小值與最大值相差幾倍甚至十幾倍，所以很難確定根據(jù)哪個(gè)熱負(fù)荷來確定發(fā)電設(shè)備.

若用最小熱負(fù)荷來確定發(fā)電設(shè)備，則冬季需要更多的天然氣進(jìn)行補(bǔ)燃，這違背了熱電聯(lián)產(chǎn)的本質(zhì)，顯然是降低了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的價(jià)值，達(dá)不到推廣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)、提高能源品質(zhì)、促進(jìn)節(jié)能減排的目的.反之，若用最大熱量來確定發(fā)電設(shè)備，也是不經(jīng)濟(jì)、不合理的，無法充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)組設(shè)備的利用率，使熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)難以回收多余熱量.

本文導(dǎo)入 CCHP后的配置原則為“以電定熱”原則.不足的電力選擇從電網(wǎng)補(bǔ)充，不足的熱量采用補(bǔ)燃解決，電力系統(tǒng)“并網(wǎng)不上網(wǎng)”.采用以電定熱的原則是在考慮熱電比的基礎(chǔ)上利用以電定熱的思路對(duì)產(chǎn)生的余熱達(dá)到100%的利用，雖然需要進(jìn)行補(bǔ)燃供熱，但系統(tǒng)的總效率還是能夠達(dá)到較高的水平.因此，以電定熱的設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于賓館改進(jìn)是可行的.

確定配置原則后，補(bǔ)燃設(shè)備采用3臺(tái)2 t/h的燃?xì)庳灹麇仩t.[3-4]

3.2 4種導(dǎo)入方案

考慮到可用于改造的空間有限，本文討論了了4種系統(tǒng)方案:方案1，洋馬EP350G型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和0.188 t/h的余熱鍋爐;方案2，威爾信PG475B燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組;方案3，卡特彼勒500F/C15柴油發(fā)電機(jī)組;方案4，美國聯(lián)合技術(shù)公司PureCell-400燃料電池.

3.2.1 方案 1

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為CCHP動(dòng)力裝置之一，可以和余熱鍋爐聯(lián)合作用進(jìn)行高效的余熱回收，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率.將洋馬EP350G型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力裝置，方案流程如圖4所示.

圖4 洋馬EP350G型燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組方案流程

由圖4可知，供電方面由市電和內(nèi)燃機(jī)分時(shí)段共同提供，供熱方面由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排出高溫?zé)煔饨?jīng)余熱蒸汽蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽，接入鍋爐房中的3臺(tái)2 t/h貫流式燃?xì)忮仩t和1臺(tái)7 t/h老鍋爐組成的分汽缸，共同供應(yīng)采暖、生活熱水、餐飲蒸煮、濕衣烘干等用熱需求.不足的熱能由貫流式燃?xì)忮仩t補(bǔ)燃.制冷可以通過分氣缸后直接將蒸汽送進(jìn)蒸汽溴化鋰吸收式制冷機(jī)組來實(shí)現(xiàn)，以滿足賓館的供冷需求.

3.2.2 方案 2

燃?xì)廨啓C(jī)適用于“燃?xì)廨啓C(jī)+溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組”的模式，充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔庵茻?，提高燃料的使用效?方案2選擇采用威爾信PG475B燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，它是威爾信公司最新專為熱電聯(lián)產(chǎn)所設(shè)計(jì)的一整套解決方案，具有較高的可靠性和煙氣利用率，適用于賓館的改造.其方案流程如圖5所示.

圖5 威爾信PG475B燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組方案流程

由圖5可知，供電方面由市電和燃?xì)廨啓C(jī)分時(shí)段共同提供.燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)的廢氣排入廢氣回收裝置，在廢氣熱回收裝置的入口上有一個(gè)機(jī)動(dòng)的方向閥可以控制廢氣直接排放到外面，或者讓廢氣通過熱回收裝置進(jìn)行熱回收.使用水通過初級(jí)熱交換器回收缸套水的熱能，再通過廢氣熱回收裝置吸收熱能，進(jìn)一步提高使用水溫度.

圖6 卡特彼勒500F/C15柴油發(fā)電機(jī)組方案流程

3.2.3 方案 3

目前對(duì)柴油發(fā)電機(jī)余熱利用的研究進(jìn)展遠(yuǎn)不如燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)，而柴油發(fā)電機(jī)的尾氣溫度高達(dá)500～600℃，具有極高的能量利用價(jià)值.綜合考慮賓館的改造空間限制和排出尾氣的溫度，選擇卡特彼勒500F/C15柴油發(fā)電機(jī)組，其流程如圖6所示.

由圖6可知，供電方面由市電和柴油發(fā)電機(jī)組分時(shí)段共同提供.柴油發(fā)電機(jī)組尾氣經(jīng)過換熱器得到熱水，然后將熱水通過管道輸送到各用戶，在夏天可以進(jìn)行吸附式制冷，冬天可以直接利用熱水進(jìn)行采暖.同時(shí)，還可以安裝一個(gè)閥門進(jìn)行24 h生活熱水供應(yīng).

3.2.4 方案 4

燃料電池系統(tǒng)能夠同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能，并從余熱中產(chǎn)生熱氣和熱水.由美國聯(lián)合技術(shù)公司生產(chǎn)的PureCell-400磷酸燃料電池是上一代PureCell-200的繼任者，其使用壽命是 PureCell-200的2倍，是其他燃料電池系統(tǒng)的 3～4倍.PureCell-400系統(tǒng)由空氣處理系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模塊、熱管理與水處理系統(tǒng)、燃料處理系統(tǒng)、冷卻模塊組成，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.方案流程如圖7所示.

由圖7可知，供電方面由市電和燃料電池分時(shí)段共同提供;余熱利用方面，燃料電池排熱產(chǎn)生的熱量可用于供應(yīng)熱水和蒸汽，部分熱量通過溴化鋰制冷機(jī)組供冷.

圖7 PureCell-400燃料電池方案流程

4 供電經(jīng)濟(jì)性分析

通過查閱相關(guān)資料可知，2013年上海地區(qū)工商業(yè)及其他用電類別兩部制分時(shí)電價(jià)如表1所示.

表1 2013年上海地區(qū)工商業(yè)及其他用電類別兩部制分時(shí)電價(jià)

除了上述的電量電價(jià)外，賓館每月還要根據(jù)需求量繳納40.5元/kW 的基本電價(jià)(按最大需求量計(jì)算).經(jīng)過計(jì)算，可以得到各方案的供電經(jīng)濟(jì)收益，如表2所示.其中單位發(fā)電成本計(jì)算公式為:

表2 各方案的供電經(jīng)濟(jì)性比較

5 供熱經(jīng)濟(jì)性分析

供熱經(jīng)濟(jì)性主要由余熱收益和補(bǔ)燃收益組成，由于方案3和方案4的發(fā)電成本都高于市電價(jià)格，所以不做考慮.方案1和方案2的供熱經(jīng)濟(jì)性如表3所示.

表3 方案1和方案2的供熱經(jīng)濟(jì)性比較

6 結(jié)論

(1)上海地區(qū)中型賓館(客房數(shù)在300～600間)導(dǎo)入CCHP后每年可以獲得大約300萬元的經(jīng)濟(jì)收益，如果有足夠的空間配置更多的機(jī)組數(shù)量，可以獲得更高的收益;

(2)在各種發(fā)電方案中內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)具有較高的經(jīng)濟(jì)性;

(3)導(dǎo)入CCHP后的供熱收益遠(yuǎn)高于供電收益，經(jīng)計(jì)算前者是后者的4～5倍;

(4)在選擇具體機(jī)組的品牌和型號(hào)時(shí)，應(yīng)當(dāng)著重考慮單位的發(fā)電成本，盡可能地增加自行發(fā)電時(shí)間，從而獲得更多的熱能.

(5)如果自行發(fā)電的單價(jià)超出市電價(jià)格不是很多，也可以考慮在該時(shí)段用CCHP系統(tǒng)自行發(fā)電.雖然在供電經(jīng)濟(jì)性上的收益有所下降，但在供熱方面可以獲得更多的收益.

[1]國樂軍，楊洪海.天然氣冷熱電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)分析[J].電力能源，2013，34(6):21-24.

[2]李芳芹，魏敦崧.天然氣熱、電、冷三聯(lián)供的熱經(jīng)濟(jì)性分析[J].動(dòng)力工程，2004(2):57-61.

[3]殷平.冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)研究[J].暖通空調(diào) HV＆AC，2013，43(4):12-18.

[4]王超群，龍惟定.冷熱電三聯(lián)供實(shí)例經(jīng)濟(jì)性分析[J].暖通空調(diào) HV＆AC，2004，34(4):38-41.