分布式能源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)示例

重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 李志琴

中美綠色能源技術(shù)有限公司 胡 濱 姚鈺鋒 吳 竺

1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy Resource，DER)是將發(fā)電系統(tǒng)與供冷、供熱等供能系統(tǒng)整合在一起，通過(guò)能源梯級(jí)利用的方式，如利用天然氣、太陽(yáng)能等清潔能源，滿足用戶的冷、熱、電等各種負(fù)荷需求的供能方式。

在當(dāng)前能源短缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的形勢(shì)下，分布式能源系統(tǒng)是提供這種嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)解決方案的重要研究方向，具有能源利用效率高、環(huán)境友好、輸送損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

(1)能源利用效率高：通過(guò)能量的梯級(jí)利用，整個(gè)系統(tǒng)等能源利用率可達(dá)80%以上；

(2)環(huán)境友好：利用天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，降低了污染物的排放，溫室氣體排放量減少50%以上，硫化物及煙塵排放量基本為零；

(3)能源輸送損耗低：分布式能源站設(shè)立在用戶附近，能源輸送半徑小，輸送過(guò)程損耗低，并且極大地提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 分布式能源系統(tǒng)配置方案分析

分布式能源系統(tǒng)具有同時(shí)產(chǎn)生多種不同能量的特性，而實(shí)際上冷、熱、電負(fù)荷的變化是十分復(fù)雜的，需要對(duì)用戶的冷、熱、電等各種負(fù)荷充分分析后才能對(duì)發(fā)電設(shè)備、供熱設(shè)備以及制冷設(shè)備等進(jìn)行選型，選型與實(shí)際需求之間的匹配度會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率、投資收益等。因此，如何最優(yōu)化的配置分布式能源系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文結(jié)合某瓷磚產(chǎn)業(yè)園的實(shí)際用能情況，詳細(xì)介紹了該產(chǎn)業(yè)園的分布式能源系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 產(chǎn)業(yè)園用能分析

該產(chǎn)業(yè)園屬于重點(diǎn)用電園區(qū)，供電系統(tǒng)為10kV進(jìn)線，配有3個(gè)7500kVA、1個(gè)9450kVA和1個(gè)1000kVA的變電站。其中一個(gè)變電站配有3臺(tái)2500kVA的變壓器，用電負(fù)荷較大，且用電負(fù)荷波動(dòng)較小。其余變電站均為間歇性用電，用電波動(dòng)性大。

產(chǎn)業(yè)園內(nèi)宿舍及辦公建筑面積約21000m2，員工人數(shù)約 1000人左右。據(jù)估算，制冷負(fù)荷約1693kW，生活熱水日均需求量約36 t。產(chǎn)業(yè)園冷熱水供應(yīng)時(shí)長(zhǎng)分別為：宿舍，24 h；辦公樓，日間工作時(shí)間10 h。

該瓷磚產(chǎn)業(yè)園日均干粉產(chǎn)量為2200 t，以含水率由35%烘干至6%計(jì)算，烘干這部分水分所需熱量為27 MW。干燥塔所需熱風(fēng)溫度為550 ℃，每運(yùn)行15 d停運(yùn)1～2 d。

2.2 分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目分布式能源綜合供能系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備、余熱利用設(shè)備(用戶自有的熱風(fēng)爐)、其他補(bǔ)充供能設(shè)備和相關(guān)輔助設(shè)備等構(gòu)成，本項(xiàng)目能源需求為電力、熱風(fēng)、生活熱水與冷凍水。根據(jù)項(xiàng)目特性及分布式關(guān)鍵設(shè)備性能，擬采用以燃?xì)廨啓C(jī)、熱泵和冷水機(jī)組共同組成的分布式能源綜合供能系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出電力、熱風(fēng)、熱水與冷凍水。

2.2.1 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的選擇

目前天然氣分布式能源系統(tǒng)中主要的發(fā)電方式為燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)以及微燃機(jī)。根據(jù)《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》(DG/T 508—115—2008)，分布式能源系統(tǒng)的機(jī)組容量的確定應(yīng)根據(jù)電負(fù)荷、熱(冷)負(fù)荷的特性以及負(fù)荷大小合理確定。對(duì)本項(xiàng)目而言，其熱電比為 4.7。對(duì)中小型燃?xì)鈾C(jī)組而言，當(dāng)熱(冷)電比大于1時(shí)，項(xiàng)目發(fā)電與余熱利用規(guī)模按照“以電定熱”原則，否則在電力無(wú)法上網(wǎng)的情況下會(huì)造成能源的浪費(fèi)。因此，在本項(xiàng)目中按照“熱電聯(lián)產(chǎn)、以電定熱、自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)”為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選擇燃?xì)廨啓C(jī)為發(fā)電設(shè)備。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)園預(yù)測(cè)平均負(fù)荷率及平均功率因數(shù)計(jì)算可知，其中一個(gè)變電站的平均電功率為5865kW，因此該分布式能源系統(tǒng)的總裝機(jī)容量宜在6000kW左右。

綜合考慮發(fā)電量、機(jī)組尺寸、發(fā)電機(jī)組空間以及產(chǎn)業(yè)園用能情況，選擇1臺(tái)5860kW燃?xì)廨啓C(jī)。

2.2.2 余熱回收設(shè)計(jì)

分析實(shí)際情況后得出該產(chǎn)業(yè)園內(nèi)對(duì)熱(冷)的需求主要是干燥塔熱風(fēng)需求、生活熱水以及夏季空調(diào)制冷需求，如表1所示。

表1 制冷、熱水、熱風(fēng)以及可利用余熱量

從上表可以看出燃?xì)廨啓C(jī)余熱量遠(yuǎn)大于生活熱水及制冷負(fù)荷需求量，且生活熱水及制冷負(fù)荷晝夜波動(dòng)較大，熱風(fēng)負(fù)荷與燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間較為吻合，且燃?xì)廨啓C(jī)余熱可以得到全部利用。

3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)該產(chǎn)業(yè)園的負(fù)荷特性，采用以燃?xì)廨啓C(jī)、熱泵和冷水機(jī)組共同組成的分布式能源綜合供能系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出電力、熱風(fēng)、熱水與冷凍水。該系統(tǒng)以燃?xì)廨啓C(jī)為核心，燃?xì)廨啓C(jī)利用天然氣發(fā)電，其排煙熱量作為熱風(fēng)提供給噴霧干燥塔(不足熱風(fēng)由工廠原熱風(fēng)爐補(bǔ)充)；燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻水的廢熱，通過(guò)熱泵將其提升至 55～60℃后作為生活熱水利用。

該產(chǎn)業(yè)園分布式能源系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 分布式能源系統(tǒng)流程

3.1 發(fā)電

發(fā)電機(jī)所發(fā)電能，除一小部分供給能源站內(nèi)部輔助用電設(shè)備外，其余電能可作為可靠連續(xù)的供電電源，與用戶10 kV市電電源一起組網(wǎng)，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式并列供電，為用戶提供可靠性更高的供電電源。

3.2 熱風(fēng)供應(yīng)

燃?xì)廨啓C(jī)排煙口與產(chǎn)業(yè)園噴霧干燥塔配套熱風(fēng)爐相連接，燃?xì)廨啓C(jī)排煙全部進(jìn)入熱風(fēng)爐。熱風(fēng)爐同時(shí)還配備天然氣燃燒器，從而實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的風(fēng)量、溫度雙重調(diào)節(jié)。

3.3 熱水供應(yīng)模式

過(guò)渡季節(jié)和冬季采暖時(shí)，通過(guò)熱泵將燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件的冷卻水進(jìn)行回收利用，升溫后的熱水用于宿舍和辦公樓的生活熱水，提高能源利用率。

3.4 冷水供應(yīng)模式

考慮到燃?xì)廨啓C(jī)的余熱已經(jīng)充分被利用，制冷季制冷時(shí)，采用2臺(tái)1 055 kW的高效離心式冷水機(jī)組為宿舍和辦公樓供應(yīng)冷凍水。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

設(shè)計(jì)該分布式能源系統(tǒng)全年運(yùn)行 330 d，系統(tǒng)除正常檢修外，每15 d停機(jī)1 d(噴霧式干燥塔要求)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)為24 h運(yùn)行。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

按照分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)惠氣價(jià)為1.74元/m3，生活熱水12元/t，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析見(jiàn)表2。

表2 分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

可以看出，分布式能源系統(tǒng)提供的電能、熱風(fēng)、冷凍水和生活熱水與現(xiàn)有分產(chǎn)(市政電網(wǎng)+燃?xì)鉄犸L(fēng)爐+燃?xì)忮仩t+離心式制冷機(jī))相比，本分布式能源系統(tǒng)年節(jié)省能源費(fèi)用約377萬(wàn)元。

4.2 年平均能源綜合利用率分析

根據(jù)《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145—2010)，天然氣分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率計(jì)算公式為：

式中：η——年平均能源綜合利用率；

W——年供電量，kWh；

Q1——年余熱供熱量，MJ；

Q2——年余熱供冷量，MJ；

B——年燃?xì)夂牧?，m3；

QL——燃?xì)獾臀粺嶂担琈J/m3。

根據(jù)表2中所示分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用上式計(jì)算該能源系統(tǒng)的年均總能源利用率，得到系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為91.2%，符合國(guó)家對(duì)天然氣分布式能源全年綜合利用效率大于 70%的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本設(shè)計(jì)方案所描述的“燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+補(bǔ)燃型熱風(fēng)爐+余熱利用水源熱泵+高效離心冷水機(jī)組”分布式能源系統(tǒng)，充分利用了天然氣這種清潔能源，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，同時(shí)回收了機(jī)組冷卻的余熱加以利用并提升，提高了能源利用效率，同時(shí)又降低了能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，提高了供能安全水平。

(2)分布式能源系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)業(yè)園應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮各類能源的需求量以及需求時(shí)段，綜合考慮各方面因素來(lái)確定分布式能源系統(tǒng)的配置。