天然氣分布式能源在門站的應(yīng)用

賴建波， 李建勛， 馬鴻敬， 王 林

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100011；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津300381；3.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第四設(shè)計研究院，天津300074；4.廣匯能源綜合物流發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇啟東226200)

1 概述

天然氣分布式能源是以天然氣為燃料，通過對能源的梯級利用，就近為用戶提供冷(熱)、電能源，其能源綜合利用率可達70%以上。2011年10月9日國家發(fā)展改革委、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布(發(fā)改能源[2011] 2196號)《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》以來，天然氣分布式能源開始在我國步入快速發(fā)展階段。

目前天然氣分布式能源主要應(yīng)用在醫(yī)院、酒店、交通樞紐以及工業(yè)園區(qū)等負(fù)荷需求較大且穩(wěn)定的用能場所[1],而天然氣分布式能源在門站中的應(yīng)用目前尚未見報道。門站通常含有綜合辦公樓、輔助用房、工藝裝置區(qū)等設(shè)施，除有電負(fù)荷需求外，還有冷、熱負(fù)荷需求。為此，本文針對天然氣分布式能源在門站中的應(yīng)用進行研究。

2 工程概況

某門站占地面積約3 000 m2，站內(nèi)設(shè)有工藝裝置區(qū)、綜合辦公樓(辦公用房、營業(yè)廳、控制室、職工宿舍等)、生產(chǎn)輔助用房(變壓器室、高低壓配電間及鍋爐房等)、消防水池和其他相配套的生產(chǎn)輔助設(shè)施。其中，綜合辦公樓的建筑面積為2 400 m2，高度為19.8 m。

3 逐時負(fù)荷計算

3.1 逐時電負(fù)荷計算

門站的電負(fù)荷主要來自工藝裝置區(qū)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、生產(chǎn)輔助用房、綜合辦公樓和照明，具體的電負(fù)荷組成見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，門站的銘牌電負(fù)荷為400 kW。

表1 門站電負(fù)荷組成

門站電負(fù)荷逐時變化特征與設(shè)備用電負(fù)荷、耗電性能及作息時間有直接關(guān)系，因此，我們很難根據(jù)設(shè)備的銘牌電負(fù)荷直接預(yù)測門站的全年逐時電負(fù)荷。這里采用小時負(fù)荷分?jǐn)偡▽﹂T站全年逐時電負(fù)荷進行計算[2]。根據(jù)現(xiàn)有門站的電負(fù)荷運行數(shù)據(jù)，門站每月內(nèi)的日電負(fù)荷變化不明顯，即每月內(nèi)每日的電負(fù)荷可以近似認(rèn)為是相同的，但門站的月電負(fù)荷和小時電負(fù)荷具有明顯的波動性，且近似認(rèn)為全年每日的電負(fù)荷波動規(guī)律是一致的。定義門站的月電負(fù)荷比例為月電負(fù)荷與年電負(fù)荷之比，小時電負(fù)荷比例為小時電負(fù)荷與日電負(fù)荷之比。門站的月電負(fù)荷比例見圖1，小時電負(fù)荷比例見圖2。

圖1 門站月電負(fù)荷比例

圖2 門站小時電負(fù)荷比例

根據(jù)月電負(fù)荷比例，將門站的年總電負(fù)荷分?jǐn)偟矫吭拢賹⒚吭碌碾娯?fù)荷除以相應(yīng)月份的日歷天數(shù)得到每日的電負(fù)荷，再根據(jù)小時電負(fù)荷比例，將每日電負(fù)荷分?jǐn)偟矫總€小時，這樣就可以得到門站的全年逐時電負(fù)荷。 經(jīng)計算，門站全年逐時電負(fù)荷波動范圍為94～400 kW，大部分電負(fù)荷分布在150～250 kW范圍。門站的全年電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在夏季，時平均最大電負(fù)荷為379 kW；低谷出現(xiàn)在過渡季節(jié)，時平均最小電負(fù)荷為216 kW。

3.2 逐時冷熱負(fù)荷計算

門站的冷負(fù)荷為綜合辦公樓夏季供冷負(fù)荷。熱負(fù)荷分為兩部分：一部分是生產(chǎn)熱負(fù)荷，為預(yù)防調(diào)壓設(shè)備冰堵需提供300 kW的穩(wěn)定熱負(fù)荷；另一部分是綜合辦公樓冬季供暖負(fù)荷。綜合辦公樓的冷、熱負(fù)荷具有季節(jié)特性,調(diào)壓設(shè)備的熱負(fù)荷具有常年性。

目前，針對建筑物全年逐時冷熱負(fù)荷的模擬計算已發(fā)展得較為成熟，現(xiàn)有的模擬軟件包括美國的DOE-2、EnergyPlus和清華大學(xué)的DeST(建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包)等[3-5]。對建筑物全年逐時冷熱負(fù)荷的計算是天然氣分布式能源系統(tǒng)設(shè)備選擇和運行優(yōu)化的基礎(chǔ)。這里采用DeST軟件對綜合辦公樓的逐時冷、熱負(fù)荷進行模擬計算，具體操作步驟如下。

① 設(shè)置項目地理位置

為了反映室外氣象參數(shù)在建筑熱過程中的影響，DeST軟件利用我國194個氣象臺自建站以來約50 a的實測逐日氣象數(shù)據(jù)(包括氣溫、濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向、日照時間和大氣壓力)模擬生成全年逐時氣象數(shù)據(jù)的氣象模型—Medpha，并以典型氣象年作為DeST軟件的全年模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本項目位于我國中部的某城市， 根據(jù)建筑熱工分區(qū)，該城市屬于寒冷地區(qū)，部分室外計算參數(shù)如下：

冬季供暖室外計算干球溫度：-3.8 ℃；

夏季空調(diào)室外計算干球溫度：34.9 ℃；

夏季空調(diào)室外計算濕球溫度：27.4 ℃。

該地區(qū)供冷期為5月16日至10月14日，全年供冷期持續(xù)時間為152 d；供暖期為11月15日至次年3月15日，全年供暖期持續(xù)時間為121 d。

② 繪制建筑模型

綜合辦公樓為地上5層建筑，其中地上1層層高為4.2 m，2～5層層高為3.9 m。建筑內(nèi)部走廊寬度為2.0 m，每個房間都是7.2 m×5.4 m的矩形房間，每層建筑面積為480 m2。建筑整體為西南朝向，其中東向、南向、西向、北向的窗墻面積比分別為0.15、0.40、0.10、0.26。

③ 設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

綜合辦公樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表2。

表2 綜合辦公樓圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

④ 設(shè)置室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)為25 ℃，冬季室內(nèi)供暖溫度設(shè)為20 ℃。室內(nèi)熱量只受室外溫度和太陽熱輻射通過墻體的熱作用，而不受室內(nèi)發(fā)熱量的影響。此外，不考慮室外環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向的影響。在通風(fēng)設(shè)定時，只設(shè)定房間與室外的通風(fēng)，各房間之間互相不存在通風(fēng)。

⑤ 模擬計算結(jié)果

由DeST軟件模擬計算，得到綜合辦公樓夏季供冷期和冬季供暖期的逐時冷熱負(fù)荷。結(jié)合門站全年逐時電負(fù)荷，得到門站夏季供冷期典型日(夏季冷負(fù)荷最大日)逐時冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、電負(fù)荷(見圖3)，冬季供暖期典型日(冬季熱負(fù)荷最大日)逐時熱負(fù)荷、電負(fù)荷(見圖4)，過渡季節(jié)典型日(全年電負(fù)荷最小日)逐時熱負(fù)荷、電負(fù)荷(見圖5)。

圖3 供冷期典型日逐時冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、電負(fù)荷

圖4 供暖期典型日逐時熱負(fù)荷、電負(fù)荷

圖5 過渡季節(jié)典型日逐時熱負(fù)荷、電負(fù)荷

4 能源站系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

為了確保天然氣分布式能源站運行的經(jīng)濟性，需結(jié)合項目的逐時冷、熱、電負(fù)荷特點，合理選擇發(fā)電機組容量以延長能源站系統(tǒng)的年運行時間。本能源站系統(tǒng)設(shè)計遵循發(fā)電并網(wǎng)不上網(wǎng)原則來選擇發(fā)電機組的容量，以滿足用戶冷熱負(fù)荷為主要目標(biāo)，用戶不足的電力由市政電網(wǎng)補充。

4.2 系統(tǒng)主要設(shè)備選擇

4.2.1 選擇原則

① 發(fā)電機組容量的選擇應(yīng)能保證發(fā)電機組及余熱利用機組盡可能長時間運行。

② 保證發(fā)電機組在運行期間其發(fā)電量和余熱量能被充分利用，沒有過度的電力或余熱量被浪費。

股市動態(tài)分析周刊記者通過仔細研讀其招股說明書后發(fā)現(xiàn)，在報告內(nèi)米奧會展的營業(yè)收入及凈利潤都呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢，但不斷增長的宣傳推廣成本以及轉(zhuǎn)化潛在客戶的“付費買家計劃”使得公司毛利率逐年下降，沖抵部分利潤，或?qū)ζ湮磥砝麧櫴杖朐斐刹焕绊憽４送?，匯率變動、辦展地區(qū)政治動蕩也給公司帶來一定經(jīng)營風(fēng)險，這些問題不容忽視。

4.2.2 發(fā)電機組

天然氣分布式能源系統(tǒng)常選擇的發(fā)電機組類型有燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組和燃氣輪機發(fā)電機組兩種。發(fā)電功率在1 MW以下以燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組為主，發(fā)電功率在1 MW以上以燃氣輪機發(fā)電機組為主[6-7]。根據(jù)門站的全年逐時電負(fù)荷變化范圍，本項目應(yīng)選擇燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組。遵循發(fā)電并網(wǎng)不上網(wǎng)原則，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組選取3種不同容量作為比選方案：方案1，發(fā)電機組額定發(fā)電功率為232 kW；方案2，發(fā)電機組額定發(fā)電功率為315 kW；方案3，發(fā)電機組額定發(fā)電功率為390 kW。取天然氣低熱值為35.7 MJ/m3，天然氣氣價為2.5元/m3,電價為0.87元/(kW·h)，供熱熱價為0.30元/(kW·h)。經(jīng)計算，不同方案的運行收益見表3。

表3 各方案運行收益

將3個方案的運行收益進行比較得到，方案1的發(fā)電機組年運行時間最長且運行收益最好，方案2次之，方案3的年運行時間最短且運行收益最差。因此，本項目采用方案1，選用1臺額定發(fā)電功率為232 kW的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組。

4.2.3 余熱回收設(shè)備

由表3可知，燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組排放的煙氣由454 ℃降到120 ℃時可回收的熱流量為143.0 kW，缸套冷卻水溫度由85 ℃降到75 ℃時可回收的熱流量為226.0 kW。選用1臺與燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組相配套的補燃型溴化鋰吸收式熱泵機組(以下簡稱溴化鋰熱泵機組)回收燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組排放的煙氣和缸套冷卻水的熱量進行制冷和制熱。溴化鋰熱泵機組利用煙氣制冷的性能系數(shù)為1.45，利用缸套冷卻水制冷的性能系數(shù)為0.70。溴化鋰熱泵機組通過位于發(fā)生器內(nèi)的煙氣換熱器和熱水換熱器回收發(fā)電機組排放的煙氣和缸套冷卻水熱量，利用煙氣和冷卻水制熱的性能系數(shù)為0.93～0.95，本文取0.94。因此，經(jīng)計算，溴化鋰熱泵機組回收燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組排放的煙氣和冷卻水的熱流量可制取的供冷量和供熱量分別為：煙氣供冷量207.3 kW，煙氣供熱量134.4 kW，冷卻水供冷量158.2 kW，冷卻水供熱量212.4kW。

門站夏季冷負(fù)荷最大值為308 kW，冬季熱負(fù)荷最大值為540 kW。為此，本項目選用1臺額定制冷量為310 kW、額定制熱量為450 kW的補燃型溴化鋰熱泵機組。制冷期溴化鋰熱泵機組回收發(fā)電機組額定工況下排放的煙氣和大部分缸套冷卻水的熱流量即可滿足門站最大冷負(fù)荷需求，缸套冷卻水富裕的熱流量為82.2 kW。因此，這里再配置1臺額定換熱量為90 kW的水-水換熱器，以回收缸套冷卻水富裕的熱流量，同時與溴化鋰熱泵機組一起滿足熱負(fù)荷。

4.3 系統(tǒng)組成和工藝流程

能源站系統(tǒng)主要由燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組、溴化鋰熱泵機組和水-水換熱器組成，其工藝流程見圖6。

圖6 能源站系統(tǒng)工藝流程

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組對天然氣進氣壓力范圍的要求為12～20 kPa。天然氣燃燒驅(qū)動燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)出的電力電壓等級為400 V，將該電力并入門站電力內(nèi)網(wǎng)供內(nèi)部使用，不足的電力由市政電網(wǎng)補充。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組產(chǎn)生的余熱分為兩部分：一部分是溫度為454 ℃的煙氣，另一部分是溫度為85 ℃的缸套冷卻水。溴化鋰熱泵機組回收燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組余熱可制取冷水和熱水。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組富裕的冷卻水熱量通過水-水換熱器制取熱水，門站不足熱量由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。冷水的供回水溫度分別為7 ℃和12 ℃，熱水的供回水溫度分別為85 ℃和65 ℃。水-水換熱器制取的熱水溫度為80 ℃，溴化鋰熱泵機組制取的熱水溫度為90 ℃，二者經(jīng)混合后再供給門站使用。溴化鋰熱泵機組制冷運行時其冷凝熱不回收。

4.4 系統(tǒng)運行策略

能源站系統(tǒng)運行策略為優(yōu)先回收燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的余熱，供熱量不足時由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。供冷期、供暖期、過渡季節(jié)典型日供電負(fù)荷分布見圖7～9，供冷期、供暖期、過渡季節(jié)典型日供冷負(fù)荷、供熱負(fù)荷分布見圖10～13。

圖7 供冷期典型日供電負(fù)荷分布

圖8 供暖期典型日供電負(fù)荷分布

圖9 過渡季節(jié)典型日供電負(fù)荷分布

圖10 供冷期典型日供熱負(fù)荷分布

圖11 供冷期典型日供冷負(fù)荷分布

圖12 供暖期典型日供熱負(fù)荷分布

圖13 過渡季節(jié)典型日供熱負(fù)荷分布

5 能源站經(jīng)濟性分析

5.1 工程造價

本項目主要設(shè)備包括1臺燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組、1臺溴化鋰熱泵機組和1臺水-水換熱器。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組單位發(fā)電功率設(shè)備費取6 000 元/kW, 溴化鋰熱泵機組單位制冷量設(shè)備費取1 100 元/kW,水-水換熱器單位換熱量設(shè)備費取900 元/kW[5、8]。輔助設(shè)備設(shè)備費按燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組、溴化鋰熱泵機組和水-水換熱器總設(shè)備費的37%計取[5]。設(shè)備安裝費按設(shè)備費的12%計取，建筑工程費按單位發(fā)電功率費用600 元/kW計取，其他費用(設(shè)計咨詢費、系統(tǒng)調(diào)試費、工程管理費等)按設(shè)備費的4%計取[9]。計算得到能源站的工程總造價為304.8×104元，具體構(gòu)成見表4。

表4 工程造價

續(xù)表4

5.2 經(jīng)濟性計算

本能源站勞動定員為5人。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組在制冷期運行3 648 h，供暖期運行2 904 h，過渡季節(jié)運行1 948 h，即全年累計運行8 500 h。能源站在過渡季節(jié)進行維護，維護期間燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組不運行，門站用熱是由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。

取冷價為0.20 元/(kW·h)，按電制冷價格折算。水價為3.7元/t，年人均職工薪酬為60 000 元，固定資產(chǎn)修理費按0.05 元/(kW·h)計算。經(jīng)計算，本項目的靜態(tài)投資回收期為5.1 a，見表5。由此可見，本項目具有較好的經(jīng)濟效益。

表5 能源站經(jīng)濟性計算

根據(jù)GB 51131—2016《燃氣冷熱電聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱GB 51131—2016)中的式(4.3.8)，能源站聯(lián)供系統(tǒng)年余熱供熱總量為799.2×104MJ，年余熱供冷總量為77.8×104MJ，發(fā)電機組年耗天然氣量為48.1×104m3，經(jīng)計算，聯(lián)供系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為86.3%。根據(jù)GB 51131—2016中的式(4.3.10)，取火電廠的平均供電效率為36%，燃氣鍋爐的平均熱效率為90%，電制冷機制冷性能系數(shù)為5.0，經(jīng)計算，聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率為34.3%。

6 結(jié)論

城鎮(zhèn)門站布置有綜合辦公樓、工藝裝置及輔助設(shè)施等，其中綜合辦公樓有冷、熱負(fù)荷需求，工藝裝置中的調(diào)壓設(shè)備有全年熱負(fù)荷需求，通過建設(shè)天然氣分布式能源站滿足用能需求。按發(fā)電并網(wǎng)不上網(wǎng)的運行原則，設(shè)計該門站天然氣分布式能源系統(tǒng)和工藝流程。采用燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電機組的煙氣余熱和缸套冷卻水余熱供給補燃型溴化鋰吸收式熱泵機組進行制冷制熱，制冷量能夠滿足冷負(fù)荷需求，不足的電力由市政電網(wǎng)補充，不足的供熱量由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決，實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。

采用小時負(fù)荷分?jǐn)偡▽﹂T站的全年逐時電負(fù)荷進行預(yù)測，采用DeST軟件對門站全年逐時冷熱負(fù)荷進行預(yù)測。通過比較3種不同容量燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的運行收益，選擇發(fā)電機組的容量，并配置相應(yīng)的溴化鋰熱泵機組及水-水換熱器。結(jié)合門站冷、熱、電逐時負(fù)荷需求來確定運行策略。能源站的年平均能源綜合利用率為86.3%,節(jié)能率為34.3%。能源站的靜態(tài)投資回收期為5.1 a，具有較好的經(jīng)濟效益。