燃?xì)夥植际侥茉丛谀翅t(yī)院中的應(yīng)用分析

王 健

無(wú)錫華光鍋爐股份有限公司

引言

燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)是指以天然氣清潔能源為燃料，應(yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等各種熱動(dòng)力發(fā)電機(jī)組和余熱利用機(jī)組的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，為用戶(hù)提供冷、熱、電等各種負(fù)荷需求的分布式供能系統(tǒng)。燃?xì)夥植际焦┠芟到y(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，將年平均能源綜合利用率控制在70%以上，節(jié)約能源，同時(shí)由于燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)多采用清潔的天然氣能源，能減少污染物排放，環(huán)保效果明顯。隨著人們生活水平的提高以及對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，能源問(wèn)題逐漸成為制約人類(lèi)發(fā)展的重大問(wèn)題［1-2］。能源消耗量的不斷增加，以及環(huán)境的日益惡化，使人們已意識(shí)到提高能源利用率和保護(hù)環(huán)境的重要性與迫切性?？紤]到實(shí)際情況，大力發(fā)展能同時(shí)提供冷能、熱能和電能的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)具有非常重要的意義。

醫(yī)院在常規(guī)公共建筑中屬于用能大戶(hù)，其能源消耗大約是一般公共建筑的2倍，同時(shí)對(duì)供電的可靠性要求特別高［3］。燃?xì)夥植际侥茉醋鳛橐环N相對(duì)獨(dú)立的供能系統(tǒng)，除常規(guī)供電系統(tǒng)外，可以為醫(yī)院多提供一路可靠的電源和冷熱源，擺脫對(duì)大電網(wǎng)的依賴(lài)，增加了醫(yī)院供能的可靠性。

燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)最重要的因素之一，是冷熱電負(fù)荷的穩(wěn)定性，而醫(yī)院一般用能負(fù)荷較大且同時(shí)具備冷熱電負(fù)荷，最適合應(yīng)用燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)，且適合常年運(yùn)行分布式能源系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)時(shí)，一般基于某一固定工況，當(dāng)用戶(hù)的冷熱電負(fù)荷變化較大時(shí)，系統(tǒng)全年實(shí)際運(yùn)行時(shí)低負(fù)荷時(shí)段相對(duì)較多，全年運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。醫(yī)院負(fù)荷波動(dòng)較大，因此在設(shè)計(jì)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮各方面因素來(lái)確定燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的配置，結(jié)合其運(yùn)行工況，保證系統(tǒng)全年高效運(yùn)行［4］。

本文以無(wú)錫某新建醫(yī)院為例，對(duì)其負(fù)荷需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)與其負(fù)荷匹配的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)，并分析其運(yùn)行方式及經(jīng)濟(jì)性。

1 項(xiàng)目負(fù)荷分析

該新建醫(yī)院為無(wú)錫某醫(yī)院的分院，建成后向醫(yī)院提供冷、熱、電三種能源，鑒于供冷與供熱的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目中燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)主要向該醫(yī)院提供電力、熱水和蒸汽，制冷采用常規(guī)空調(diào)機(jī)組。

作為新建項(xiàng)目，項(xiàng)目冷、熱、電的負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)自于前期設(shè)計(jì)資料。在設(shè)計(jì)方對(duì)建筑物進(jìn)行冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)和供能設(shè)備選型時(shí)，考慮到需要保證用戶(hù)在最?lèi)毫邮彝鉁囟拳h(huán)境條件下的用能需求以及運(yùn)行的可靠性，往往根據(jù)建筑物的最大負(fù)荷并留出一定的余量進(jìn)行冷熱電設(shè)備設(shè)計(jì)選型配置。在最大負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之間留有一定的設(shè)計(jì)余量。另外，因運(yùn)行季節(jié)的不同，冷熱源設(shè)備的負(fù)荷也會(huì)發(fā)生變化，在最大負(fù)荷和最小負(fù)荷之間也會(huì)有較大的差距。因此，對(duì)供能用戶(hù)實(shí)際負(fù)荷的預(yù)測(cè)就顯得尤為重要[5]。

1.1 熱負(fù)荷

根據(jù)業(yè)主和設(shè)計(jì)院提供的前期設(shè)計(jì)資料，整個(gè)醫(yī)院設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為3 600kW，最低熱負(fù)荷為800kW，主要用于采暖（每年11月15日～3月15日供暖），部分用于每日的消毒、餐飲。衛(wèi)生用熱水采用太陽(yáng)能，不足部分用蒸汽加熱。

1.2 熱水負(fù)荷

根據(jù)規(guī)范［6］，生活熱水定額按如下標(biāo)準(zhǔn)選取：醫(yī)院住院部100L/(床·d)，醫(yī)務(wù)人員90L/(人·班)，門(mén)診部10L/(人·次)。選取合理的用水人數(shù)，預(yù)測(cè)日均熱水負(fù)荷約為100t，該熱水負(fù)荷包含在醫(yī)院設(shè)計(jì)總負(fù)荷3 600kW以?xún)?nèi)。

1.3 蒸汽負(fù)荷

蒸汽主要用于醫(yī)院消毒、蒸汽加濕、廚房蒸煮和洗滌烘干等，其中蒸汽消毒主要用于醫(yī)院無(wú)菌用品的清洗、打包和消毒滅菌，蒸汽加濕主要是負(fù)責(zé)供應(yīng)病房和門(mén)診大樓[7]。根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷，該醫(yī)院的蒸汽負(fù)荷約為1t/h。

1.4 空調(diào)冷負(fù)荷

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，整個(gè)醫(yī)院的最大冷負(fù)荷為7 200kW，最低冷負(fù)荷為1 600kW，平均冷負(fù)荷為5600kW。

1.5 電負(fù)荷

根據(jù)業(yè)主和設(shè)計(jì)院的前期設(shè)計(jì)資料，醫(yī)院變壓器容量為2臺(tái)1 600kVA，最大用電負(fù)荷為2 800kW，最小用電負(fù)荷為500kW，平均用電負(fù)荷為1 500kW。醫(yī)院用電電壓等級(jí)為400V，因此發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)接入400V端可滿(mǎn)足醫(yī)院的用電電壓等級(jí)，可供醫(yī)院用電設(shè)備使用。本方案在進(jìn)行燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)容量設(shè)計(jì)時(shí)，采用“以熱定電”原則，同時(shí)結(jié)合電力接入處變壓器的實(shí)際用電負(fù)荷（“以電定熱”）及變壓器容量等因素。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行分布式供能系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)時(shí)，除根據(jù)“以熱定電”原則考慮用戶(hù)用熱（熱水和空調(diào)）負(fù)荷外，還要考慮電力接入處變壓器的實(shí)際用電負(fù)荷（“以電定熱”）及變壓器容量等因素。為了保證分布式供能系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組能長(zhǎng)期在較高的工況下運(yùn)行而不發(fā)生向電網(wǎng)倒送電的現(xiàn)象，同時(shí)又要獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益（“熱電平衡”），因此機(jī)組的容量不宜選得過(guò)大，但也不宜過(guò)小。

供電方面，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為醫(yī)院提供電負(fù)荷，不足負(fù)荷由市電提供；供冷方面，直接采用中央冷源電制冷系統(tǒng)，設(shè)備配置為：2 800kW水冷機(jī)組2臺(tái)、1 600kW水冷機(jī)組1臺(tái)。供熱方面，首先利用發(fā)電機(jī)余熱通過(guò)余熱直燃機(jī)為用戶(hù)供熱，不足部分由燃?xì)忮仩t提供。用戶(hù)目前總的配電容量為2×1600kVA。因此發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不宜超過(guò)400kW。為保證項(xiàng)目的規(guī)模效益及供電的安全性，同時(shí)兼顧項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益，保證余熱利用率，該項(xiàng)目總裝機(jī)容量建議不要太大，保證機(jī)組具備滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行條件。

該項(xiàng)目商業(yè)電價(jià)0.80元、氣價(jià)3.20元，氣電價(jià)格比為4，此值較高，因此需要選用熱、電效率高、總效率高的發(fā)電機(jī)組，充分利用一次能源和余熱，達(dá)到最高的經(jīng)濟(jì)性。本方案測(cè)算按照選用一臺(tái)德國(guó)進(jìn)口MTU12V400GS熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型，主要設(shè)備配置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備配置參數(shù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)容量和類(lèi)型確定后，可供利用的余熱量也同時(shí)確定。制熱工況時(shí)，初步考慮用余熱鍋爐和高效板式換熱器，分別回收機(jī)組排氣和缸套水廢熱生產(chǎn)熱水。本方案為一臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總余熱供熱負(fù)荷454kW，余熱負(fù)荷占醫(yī)院總設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷的12.6%，不足的部分由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。其系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組系統(tǒng)原理圖

當(dāng)燃?xì)鉄犭娐?lián)供機(jī)組輸出制熱量無(wú)法滿(mǎn)足醫(yī)院采暖和熱水負(fù)荷需求時(shí)，采用燃?xì)鉄崴仩t進(jìn)行調(diào)峰。根據(jù)上述負(fù)荷分析，考慮部分設(shè)計(jì)余量，調(diào)峰鍋爐裝機(jī)容量為一臺(tái)4t/h熱水鍋爐（折合2 800kW），實(shí)際運(yùn)行時(shí)優(yōu)先考慮采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組輸出的余熱量，根據(jù)實(shí)際選型后發(fā)電機(jī)組的制熱量，對(duì)本項(xiàng)目配置的燃?xì)鉄崴仩t可降低運(yùn)行負(fù)荷。為滿(mǎn)足醫(yī)院消毒、食堂最大用蒸汽的需求，另配置1臺(tái)蒸發(fā)量為1t/h的燃?xì)庹羝仩t（折合700kW），總的供熱能力為3 954kW，大于設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷3 600kW，完全滿(mǎn)足醫(yī)院的熱需求。其系統(tǒng)原理如圖2。

圖2 分布式能源站系統(tǒng)原理圖

2.2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本方案測(cè)算按照選用一臺(tái)德國(guó)進(jìn)口MTU12V400GS熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)型，主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)技術(shù)主要參數(shù)

3 運(yùn)行模式

本方案只采用一臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，供熱能力454kW，占醫(yī)院總熱負(fù)荷的12.6%，最低熱負(fù)荷為供電能力357kW，占醫(yī)院總電負(fù)荷的12.75%。

由于分布式供能系統(tǒng)根據(jù)能源梯級(jí)利用原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有顯著地節(jié)能減排效果，且運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)性越好。因此，對(duì)于分布式供能系統(tǒng)能夠提供的能源需求，應(yīng)由分布式供能系統(tǒng)優(yōu)先提供；其供能不足部分，由其他設(shè)備（系統(tǒng)）補(bǔ)足，形成分布式供能系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行，其他供能設(shè)備作為備用和調(diào)峰的運(yùn)行模式。由于分布式供能系統(tǒng)在整個(gè)能源構(gòu)成比例中屬于基本負(fù)荷部分，可以始終處于較高負(fù)荷運(yùn)行。

由于該醫(yī)院熱負(fù)荷主要是冬季采暖，非冬季的熱負(fù)荷由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及燃?xì)鉄崴仩t供應(yīng)，而且本方案配置的機(jī)組占該醫(yī)院熱負(fù)荷和電負(fù)荷的比例較小，因此燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)只在冬季的時(shí)候運(yùn)行，運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2 800h（11月15日至次年的3月15日），機(jī)組能夠滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

本方案機(jī)組選型相對(duì)較小，僅滿(mǎn)足該醫(yī)院部分熱負(fù)荷和電負(fù)荷，因此我們將燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)供應(yīng)的熱和電與常規(guī)供能系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析采用天然氣分布式能源系統(tǒng)后降低能源消耗。

以冬季運(yùn)行為例，本方案機(jī)組每小時(shí)消耗天然氣98.5Nm3，生產(chǎn)357kW電能及454kW熱能，消耗能源成本為315.2元/h。本方案中，天然氣價(jià)格3.2元/Nm3，電價(jià)0.8元/kWh，燃?xì)忮仩t效率90%，天然氣熱值8 300kcal/Nm3，則采用常規(guī)能源的話，生產(chǎn)357kW電能及454kW熱能需要消耗市電357kWh，天然氣52.27Nm3，消耗能源成本為452.86元/h。因此，采用本方案中的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)能夠減少能源成本137.66元/h。

5 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)院負(fù)荷種類(lèi)較多，電、熱、冷負(fù)荷波動(dòng)大，但醫(yī)院用能時(shí)間較長(zhǎng)，采用天然氣分布式能源系統(tǒng)為醫(yī)院供能需根據(jù)醫(yī)院的負(fù)荷波動(dòng)選擇合理的機(jī)組容量和運(yùn)行方式[8]。

由于燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)裝機(jī)價(jià)格相對(duì)較高，因此需保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，在制定裝機(jī)方案時(shí)，需與醫(yī)院負(fù)荷分析數(shù)據(jù)相匹配，防止設(shè)備選型過(guò)大，無(wú)法高負(fù)荷運(yùn)行，降低設(shè)備效率；針對(duì)不同時(shí)段醫(yī)院的負(fù)荷變化情況，制定合理的運(yùn)行模式，可以提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，降低運(yùn)行成本。在合理的機(jī)組運(yùn)行模式下，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)可以降低醫(yī)院的用能成本，減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。