產(chǎn)業(yè)園區(qū)分布式能源系統(tǒng)的探索與應(yīng)用

黃敏軒

（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014）

分布式能源系統(tǒng)是國內(nèi)外公認(rèn)的節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量的有效手段。中國是熱電大國，在國家提出“要推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，控制能源消費(fèi)總量，加強(qiáng)節(jié)能降耗，支持節(jié)能低碳和新能源、可再生能源發(fā)展”的背景下，分布式能源站采用天然氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，能源利用效率高，可有效節(jié)約能源消耗，且天然氣發(fā)電對環(huán)境的污染相比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電要小很多，可有效保護(hù)環(huán)境，因此本項目的建設(shè)適應(yīng)目前國家節(jié)能環(huán)保新形勢的需要。

目前湖北咸寧國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)（以下簡稱“咸寧高新區(qū)”）所需工業(yè)蒸汽均由各企業(yè)自建鍋爐房鍋爐提供，由于分散鍋爐在使用過程中不僅排放較多的氮氧化物等對大氣造成極大污染的廢氣，還產(chǎn)生熱污染、噪聲污染、廢水污染，對周邊環(huán)境造成較大的影響。根據(jù)高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)用熱企業(yè)的發(fā)展需求和環(huán)保部門要求，新建燃煤鍋爐已被禁止，現(xiàn)有燃煤鍋爐近期必須關(guān)停，因此為保證各用熱企業(yè)的正常用熱需求和擴(kuò)產(chǎn)需要，必須建立一個高效、節(jié)能和環(huán)保的熱源點。本項目以清潔能源天然氣為燃料，對高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)用熱企業(yè)實施集中供熱，取代現(xiàn)有的分散小鍋爐，不但滿足區(qū)內(nèi)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求，更可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的低碳排放和能源綜合高效利用。

1 項目概述

咸寧高新區(qū)，位于咸寧市東北部，其功能定位為：以裝備制造業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、新材料新能源產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥業(yè)等為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)基地?；赜写罅康墓I(yè)蒸汽需求，主要用于中試車間、消毒、研發(fā)等。

本項目的設(shè)計思路是：“以熱定電，以燃?xì)廨啓C(jī)為主，以燃?xì)忮仩t進(jìn)行備用調(diào)峰”。由于傳統(tǒng)建筑中的小型熱電系統(tǒng)是“以電定熱”，系統(tǒng)投資較高，在滿足電力需求的情況下，所產(chǎn)的熱量往往會有盈余而造成浪費(fèi)?！耙詿岫姟眲t是首先滿足園區(qū)的蒸汽需求，能源站系統(tǒng)所發(fā)的電力進(jìn)行自我供應(yīng)，如有不足則使用電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。

根據(jù)園區(qū)發(fā)展形勢以及前期的能源調(diào)研數(shù)據(jù)，本文預(yù)測了近期需求，園區(qū)內(nèi)以工業(yè)蒸汽需求與電需求為主，如何解決”熱-電平衡”問題是需求分析中的關(guān)鍵。表1為區(qū)域近期負(fù)荷估算結(jié)果統(tǒng)計表，反映了電、蒸汽的負(fù)荷需求［3］。

本期工程擬建設(shè)一套分布式能源系統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，遠(yuǎn)景規(guī)劃增加同規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。

表1 區(qū)域近期負(fù)荷估算結(jié)果統(tǒng)計表

在本階段，設(shè)計熱負(fù)荷只需滿足產(chǎn)業(yè)園區(qū)近期用汽要求。

2 比選方案

基于園區(qū)能源配套的熱負(fù)荷分析以及能源站機(jī)組選型主要原則可知，能源站的最小設(shè)計熱負(fù)荷為25 t/h，考慮到發(fā)電機(jī)組的余熱利用最大化，燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用所產(chǎn)蒸汽量應(yīng)與能源站最小熱負(fù)荷需求相適應(yīng)。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備調(diào)研所得數(shù)據(jù)，燃機(jī)出力為15 MW量級的燃機(jī)機(jī)組余熱利用（不補(bǔ)燃）所產(chǎn)蒸汽量在25～30 t/h的范圍（蒸汽參數(shù)以1.25 MPa，230℃計），其蒸汽量與本工程的最小熱負(fù)荷匹配，因此本工程燃?xì)廨啓C(jī)的功率選擇在15 MW左右比較合適。本期裝設(shè)1臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，同時考慮配套輔助燃?xì)庹羝仩t以滿足最大熱負(fù)荷的需求，可兼顧初投資和供熱可靠性及靈活性。

以燃?xì)廨啓C(jī)為原動機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要分為燃?xì)?蒸汽簡單循環(huán)系統(tǒng)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，因此本項目能源站的裝機(jī)方案可通過上述2種思路進(jìn)行比選，比選方案暫按索拉TITAN 130燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組考慮。以下為2種裝機(jī)方案的描述。

方案一：考慮建設(shè)1臺15 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和1臺30 t/h余熱鍋爐（1.25 MPa，230℃），即建設(shè)一套燃?xì)?蒸汽簡單循環(huán)機(jī)組，余熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽直接對熱用戶供熱，不設(shè)汽輪機(jī)。燃機(jī)機(jī)組余熱利用最大供熱量為28.2 t（1.25 MPa，230℃），裝機(jī)規(guī)?？偭繛?5 MW。同時配套設(shè)置2臺25 t/h蒸發(fā)量的輔助燃?xì)庹羝仩t以作調(diào)峰備用。圖1為方案一的燃?xì)?蒸汽簡單循環(huán)系統(tǒng)流程圖。

圖1 燃?xì)狻羝唵窝h(huán)系統(tǒng)流程圖（方案一）

方案二：考慮建設(shè)1臺15 MW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，1臺30 t/h余熱鍋爐（3.82 MPa，450℃）及C3-3.43/1.27抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，即建設(shè)一套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，余熱鍋爐實際產(chǎn)蒸汽量為24.4 t/h（3.82 MPa，450 ℃）。圖2為方案二的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程圖。

圖2 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)流程圖（方案二）

汽輪機(jī)抽汽所得的蒸汽經(jīng)減溫處理供給熱用戶，汽輪機(jī)最大抽汽量為15.2 t（1.27 MPa，321℃），減溫處理后供熱量為16 t（1.25 MPa，230℃），裝機(jī)規(guī)模總量為18 MW。同時配套設(shè)置2臺30 t/h蒸發(fā)量的輔助燃?xì)庹羝仩t以作調(diào)峰備用。

3 能效對比分析

本項目分布式能源站以清潔能源天然氣為燃料，根據(jù)熱機(jī)機(jī)組選型原則，應(yīng)盡可能選用高效率的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，充分利用能源，同時還需考慮機(jī)組的財務(wù)評價指標(biāo)。表2為上述2種方案的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)估算。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

目前當(dāng)?shù)毓I(yè)天然氣價為2.39元/m3，上網(wǎng)電價為0.709元/kWh，蒸汽價格為220元/t，水價為3.25元/t，因此可以簡單計算出該項目的全年運(yùn)行費(fèi)用及其節(jié)能減排率，表3為全年經(jīng)濟(jì)參數(shù)表。

綜上所述，方案一的全廠熱效率為88.12%，方案二的全廠熱效率為71.06%，可見方案一的能源利用效率更高。同時根據(jù)財務(wù)評價指標(biāo)，方案一的投資回收期為5.98年，方案二的投資回收期為10.46年，且方案一的年凈利潤更高，由此可見方案一的財務(wù)盈利能力更好。綜合上述相關(guān)評價指標(biāo)，本期工程選用簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，不僅能更充分地利用燃機(jī)余熱余能，而且項目的經(jīng)濟(jì)效率也較高。

表2 咸寧高新區(qū)能源站裝機(jī)方案比較

表3 全年經(jīng)濟(jì)參數(shù)表

5 敏感性分析

圖3 天然氣價格、余熱利用效率對蒸汽價格的影響

圖3為在保證投資回收期為5.98年情況下，天然氣價格的變化對蒸汽價格的影響以及余熱利用效率的變化對蒸汽價格的影響。

（1）天然氣價格對蒸汽價格的影響

從圖3中可以看出隨著天然氣價格的升高，蒸汽價格也相應(yīng)升高。天然氣價格增加導(dǎo)致蒸汽制取的成本增加，因此蒸汽價格上升。

按照目前當(dāng)?shù)匕l(fā)電用天然氣價格2.36元/m3計算，蒸汽定價約為220元/t。然而如果天然氣價格增長10%，則蒸汽價格需要達(dá)到250元/t，才能保證在5.98年收回成本。

（2）余熱利用效率對蒸汽價格的影響

隨著設(shè)備的不斷更新，新型節(jié)能的熱電機(jī)組的余熱利用效率也將不斷提升，因此從圖3中可以看出蒸汽價格隨著余熱效率的升高而相應(yīng)降低。主要因為熱效率提高，從而使得機(jī)組在同一時間內(nèi)制取了更多的蒸汽，因此成本相對降低，蒸汽價格隨之降低。

比較以上2個參數(shù)余熱利用效率及天然氣價格對蒸汽價格的敏感性，余熱利用效率對其影響更為明顯。因此在該項目在采購時，機(jī)組性能應(yīng)被列為首要考慮的因素。

6 結(jié)論

（1）天然氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在本項目上具有較好的適應(yīng)性，既能滿足產(chǎn)業(yè)園蒸汽需求，又可以解決部分用電需求，緩解用電壓力，實現(xiàn)能源梯級利用。

（2）根據(jù)方案比選可見，燃?xì)?蒸汽簡單循環(huán)機(jī)組相對于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的能源利用效率更高。同時投資回收期相對較短，項目的經(jīng)濟(jì)效益較好。

（3）分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)出的蒸汽價格，隨余熱利用效率的增加而降低，隨著天然氣價格的升高而增加。

（4）該系統(tǒng)初投資較大，因此根據(jù)建設(shè)周期、規(guī)模等特點，建議采用分期建設(shè)，并按需合理控制系統(tǒng)及蒸汽管網(wǎng)的規(guī)模，以避免因過早建設(shè)而造成能源浪費(fèi)。D

［1］ 華賁.天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］ 田貫之.“西氣東輸”中天然氣合理應(yīng)用方式研究［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］ 金紅光.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2008.

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［5］ 楊強(qiáng).基于GT25000燃?xì)廨啓C(jī)的參數(shù)優(yōu)化及性能分析［D］.北京：中國艦船研究院，2013.

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