分布式供能系統(tǒng)在新建醫(yī)院的應(yīng)用實(shí)踐

高雄偉

上海申能能源服務(wù)有限公司

1 前言

分布式供能系統(tǒng)靠近用戶端、運(yùn)行方式多樣，相對(duì)傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)，具有安全、清潔、高效、靈活的特點(diǎn)，可提高用戶端用能安全可靠性，同時(shí)也可為電力、天然氣削峰填谷。與傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)相比，污染物與溫室氣體排放均大幅削減,系統(tǒng)所消耗的一次能源更少。通過(guò)用戶的就地使用，減少了電能、熱能等遠(yuǎn)距離輸送引起的能源損耗。天然氣分布式能源系統(tǒng)作為當(dāng)前一種最可行的能源綜合解決方案,已得到能源行業(yè)共識(shí)。

上海在分布式能源扶持政策方面形成了一系列的配套政策，先后出臺(tái)了四輪發(fā)展專項(xiàng)扶持辦法，項(xiàng)目遍布醫(yī)院、賓館、交通樞紐、辦公樓，大型商務(wù)區(qū)域等，重點(diǎn)建設(shè)了一批以仁濟(jì)醫(yī)院為代表的新建三甲醫(yī)院分布式能源項(xiàng)目和以虹橋商務(wù)區(qū)為代表的區(qū)域分布式能源站，分布式能源發(fā)展較快。本文主要分析討論4個(gè)新建三甲醫(yī)院的分布式能源項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用。

2 醫(yī)院系統(tǒng)方案配置

2.1 醫(yī)院能源需求分析

根據(jù)上海三甲醫(yī)院的狀況，確立以800張床位和建筑面積10萬(wàn)平米為新建三甲醫(yī)院的典型規(guī)模。規(guī)劃分布式能源系統(tǒng)首要的工作是負(fù)荷分析，用現(xiàn)有同類醫(yī)院的統(tǒng)計(jì)能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合軟件預(yù)測(cè)，繪制了醫(yī)院逐時(shí)負(fù)荷圖（圖1～圖4）。

圖1 冷負(fù)荷逐時(shí)圖

圖2 電力逐時(shí)負(fù)荷圖

圖3 熱負(fù)荷逐時(shí)圖

圖4 熱水負(fù)荷逐時(shí)圖

醫(yī)院建筑能耗量大，是一般公共建筑的1.6～2倍。其中電力消耗中的50%是用于空調(diào)。生活熱水用量冬季大，夏季小，星期六、日小，平日大。用電量夏季大，冬季小，平日多，星期六、日小，夏季主要用于空調(diào)制冷。照明用電則與季節(jié)關(guān)系不大。

根據(jù)建立的模型能耗分析表明：

（1）電力年峰值負(fù)荷（不包括冷源）2 701kW出現(xiàn)在8月份，最小負(fù)荷554kW。

（2）冷負(fù)荷年峰值負(fù)荷9 455kW出現(xiàn)在8月份，最小負(fù)荷510kW。

（3）熱負(fù)荷年峰值4 270kW出現(xiàn)在1月份,最小熱負(fù)荷為600kW。

（4）熱水負(fù)荷年峰值3 350kW出現(xiàn)在2月份，全年最小月為8月份，最小負(fù)荷120kW。

2.2 系統(tǒng)模式選擇

根據(jù)以上的能耗分析，確定醫(yī)院分布式能源系統(tǒng)的配置原則：

（1）機(jī)組容量：選擇發(fā)電規(guī)模500kW以下的機(jī)組，能夠確保機(jī)組全年連續(xù)運(yùn)行。

（2）機(jī)型選擇：醫(yī)院存在熱水需求，內(nèi)燃機(jī)的余熱中約有50%為熱水，選擇內(nèi)燃機(jī)較為合適,優(yōu)選整合熱水型機(jī)組。圖5、圖6為可選的二種系統(tǒng)模式。

圖5 350kW/250kW全熱水模式

圖6 (2×250kW)熱水空調(diào)模式

根據(jù)醫(yī)院實(shí)際情況（其他節(jié)能措施）,實(shí)際工程中采用系統(tǒng)配置如下：

仁濟(jì)醫(yī)院南院發(fā)電機(jī)組2×232kW，熱水/采暖模式；奉賢中心醫(yī)院發(fā)電機(jī)組357kW，熱水/空調(diào)模式；瑞金醫(yī)院北院發(fā)電機(jī)組340kW，熱水模式；東方醫(yī)院南院發(fā)電機(jī)組232kW，熱水模式。

2.3 安全控制系統(tǒng)

根據(jù)醫(yī)院項(xiàng)目的安全運(yùn)行要求，建立系統(tǒng)總體的監(jiān)控,采集重要數(shù)據(jù),包括發(fā)電量余熱燃料消耗熱參數(shù)等。最重要的是需要針對(duì)醫(yī)院項(xiàng)目增加安全措施，特別是確保醫(yī)院供電的安全性。

2.3.1 電力負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)

醫(yī)院供電安全尤為重要，不能因?yàn)樵O(shè)置了分布式供能系統(tǒng)而增加醫(yī)院斷電的可能性。由于采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，都采用了防逆功保護(hù)模塊，一旦產(chǎn)生逆功，將及時(shí)解列發(fā)電機(jī)組。正常情況下這種設(shè)置已經(jīng)足夠安全，屬于被動(dòng)式安全裝置，但尚不能確定解列的及時(shí)性以及可能有其他潛在風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，為確保安全，在項(xiàng)目系統(tǒng)中增設(shè)了主動(dòng)性防護(hù)，即在逆功有可能產(chǎn)生前提前降低運(yùn)行功率或者主動(dòng)解列。

2.3.2 主動(dòng)防護(hù)措施

（1）動(dòng)態(tài)的負(fù)荷跟蹤

（2）設(shè)置買電功率（50kW）

設(shè)置啟停功率，確保在可以開啟的時(shí)候運(yùn)行（50+70%機(jī)組額定功率），買電功率小于50kW，先降功率，功率調(diào)整后買電功率還是小于設(shè)定值，再停機(jī)。主動(dòng)性防護(hù)措施先于逆功模塊前運(yùn)作，雙重逆功保護(hù)，同時(shí)確保機(jī)組在較高負(fù)荷率運(yùn)行。

3 醫(yī)院運(yùn)行分析

3.1 年運(yùn)行時(shí)間

項(xiàng)目建成后，實(shí)測(cè)各臺(tái)機(jī)組的一年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，包括機(jī)組的維護(hù)停機(jī)，改造，四個(gè)項(xiàng)目目前運(yùn)行時(shí)間均可達(dá)2 000h以上。 圖7～圖11分別為各套機(jī)組年度分月運(yùn)行小時(shí)圖。

圖7

圖8

仁濟(jì)醫(yī)院供電為一部制單一電價(jià)（其他醫(yī)院為二部制電價(jià)），因此具備24h連續(xù)運(yùn)行的條件。2套機(jī)組均為232kW，生活熱水兼顧采暖模式，冬季運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，夏季生活熱水需求少，僅單套機(jī)組可以連續(xù)運(yùn)行。1套232kW機(jī)組，熱水模式，夏季也可較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，其中6、7月有技術(shù)改造暫停運(yùn)行。

瑞金醫(yī)院采用了340kW機(jī)組，熱水模式，冬季/過(guò)渡季均可連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，夏季運(yùn)行時(shí)間略少，與預(yù)期預(yù)測(cè)相符（圖9）。（電力負(fù)載在設(shè)計(jì)階段作了優(yōu)化，保證過(guò)渡季可滿功率運(yùn)行。5月有熱水系統(tǒng)改造）。

奉賢中心醫(yī)院采用了357kW機(jī)組，熱水和空調(diào)模式，夏季/冬季連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。過(guò)渡季目前沒(méi)有運(yùn)行，因并網(wǎng)點(diǎn)電力負(fù)荷沒(méi)有達(dá)到滿功率運(yùn)行條件（電力負(fù)載暫未作優(yōu)化）。1～3月處于試運(yùn)行階段，數(shù)據(jù)不全。（圖10）

東方南院為單套232kW機(jī)組，熱水模式，夏季也可較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，（6、7月有技術(shù)改造暫停運(yùn)行）（圖11）

圖9

圖10

圖11

通過(guò)分月運(yùn)行驗(yàn)證，可以說(shuō)明項(xiàng)目前期設(shè)置的模式和規(guī)模選擇基本合理，確保了機(jī)組均能運(yùn)行2 000h以上，隨著醫(yī)院負(fù)荷需求的正?；瑱C(jī)組年運(yùn)行小時(shí)有望達(dá)到3 000h級(jí)別。

3.2 節(jié)能驗(yàn)證

對(duì)醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的節(jié)能效果。表1為上述其中一家醫(yī)院一年運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 醫(yī)院年運(yùn)行效率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明年滿功率運(yùn)行4 770h，年發(fā)電效率32%，年熱回收率54.5%,運(yùn)行綜合效率86.5%。年減排二氧化碳33%。年節(jié)約標(biāo)煤550t標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.3 經(jīng)濟(jì)性和預(yù)期

按當(dāng)前的能源價(jià)格、維護(hù)成本、造價(jià)，投資的靜態(tài)回收時(shí)間約39 000h。經(jīng)濟(jì)性不是很理想，這也是目前分布式能源產(chǎn)業(yè)不能快速推廣的主要原因。重要的解決途徑是提高經(jīng)濟(jì)性，可以采取以下幾個(gè)優(yōu)化措施：

（1）氣價(jià)下調(diào)20%（已有可能）

（2）降低維護(hù)費(fèi)用至0.15元/kWh

（3）機(jī)組造價(jià)至15 000元/kW

圖12 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化措施的效果預(yù)期

通過(guò)以上的措施，從39 000 h縮短到22 500h（見(jiàn)圖12），相當(dāng)于靜態(tài)回收年從10～16年縮短為5～9年，應(yīng)用推廣的商業(yè)價(jià)值開始顯現(xiàn)。再考慮到目前激勵(lì)政策，回收時(shí)間可能縮短在20 000h內(nèi)，具備一定的市場(chǎng)商業(yè)運(yùn)行價(jià)值。

4 應(yīng)用實(shí)踐總結(jié)

從運(yùn)行實(shí)踐表明，新建醫(yī)院的分布式供能系統(tǒng)獲得了成功，從技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行模式上有值得推廣的經(jīng)驗(yàn)。

4.1 技術(shù)設(shè)計(jì)

（1）采用嵌入式、模塊式設(shè)計(jì)

根據(jù)醫(yī)院的系統(tǒng)模式和負(fù)荷特點(diǎn)（本質(zhì)上也是一種空調(diào)采暖負(fù)荷），采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，嵌入式的設(shè)計(jì)，是一個(gè)實(shí)用明智的選擇，保證了年運(yùn)行時(shí)間。另外模塊化、嵌入式的系統(tǒng)今后更利于項(xiàng)目推廣。

（2）熱電平衡設(shè)計(jì)，優(yōu)先熱水利用

這種原則下分布式系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)替代了原鍋爐系統(tǒng)部分產(chǎn)能，成本節(jié)約效果明顯?；趦?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)有50%左右的直接熱水產(chǎn)出，很多機(jī)型有熱水整合型機(jī)組，效率高和系統(tǒng)安裝方便，便于市場(chǎng)快速推廣。

（3）醫(yī)院功能安全

系統(tǒng)的控制設(shè)置根據(jù)醫(yī)院供能安全的要求，增加雙重逆功保護(hù)，設(shè)置電力負(fù)荷跟蹤及控制系統(tǒng)等。

4.2 運(yùn)行和模式

（1）醫(yī)院項(xiàng)目以熱水模式為主,單純的空調(diào)制冷模式需做充分研究。

空調(diào)模式的優(yōu)點(diǎn)可以適當(dāng)提高規(guī)模，但也受制于電負(fù)荷的平衡（醫(yī)院上網(wǎng)的模式目前不建議推薦，今后需要根據(jù)政策再研究），但空調(diào)本身運(yùn)行時(shí)間也僅在空調(diào)季節(jié)。同時(shí)制冷的替代成本低，用分布式余熱制冷競(jìng)爭(zhēng)力不高。需要增加溴化鋰機(jī)組的投資，需要做綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析才確定。

（2）規(guī)模設(shè)置與運(yùn)行時(shí)間

在醫(yī)院項(xiàng)目中，250～500kW的規(guī)模均可運(yùn)行2 000h以上，其中250kW的熱水模式可以運(yùn)行3 000h，350/500kW熱水模式/空調(diào)模式有條件運(yùn)行2 500h以上。

（3）100%功率運(yùn)行

主要是模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，100%運(yùn)行效率高，運(yùn)行簡(jiǎn)單可控。目前機(jī)組維護(hù)成本較高，滿發(fā)工況下，機(jī)組維護(hù)約占總運(yùn)行成本的25%左右。如果在50%功率下，維護(hù)成本將接近翻倍，占總運(yùn)行成本的40%。

5 建議

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐，建議醫(yī)院項(xiàng)目發(fā)展規(guī)模在2套350kW～500kW機(jī)組為宜。未來(lái)需要進(jìn)一步深入的工作如下：

（1）選擇機(jī)組和系統(tǒng)的匹配，力求降低系統(tǒng)造價(jià)，進(jìn)一步進(jìn)行350kW/500kW的熱水兼蒸汽模式的示范。

（2）根據(jù)項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。建立包括模塊化設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)等工作的指南和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）培養(yǎng)建立分布式系統(tǒng)的維護(hù)隊(duì)伍，降低運(yùn)維成本。

機(jī)組維護(hù)成本較高，而且設(shè)備供應(yīng)商提供的運(yùn)維與項(xiàng)目運(yùn)行與實(shí)際需要存在一定的差距，這些制約了項(xiàng)目的推廣及經(jīng)濟(jì)效益。因此需要培養(yǎng)建立能源服務(wù)公司自己的運(yùn)維隊(duì)伍，降低維護(hù)成本，提高運(yùn)維水平。