中國南方地區(qū)典型樓宇群分布能源系統(tǒng)的裝機方案與運行策略的研究

王明祥，王明曉，王 冉，王世朋

（1.廣州大學(xué)城華電新能源有限公司，廣東 廣州511400；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州310030；

3.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州310030）

隨著中國的改革開放力度進一步加大，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化持續(xù)推進，經(jīng)濟發(fā)展動能持續(xù)增強的同時，人們對節(jié)約資源和環(huán)境保護的認識日益加深。而長期以來，中國的電源結(jié)構(gòu)主要以煤電為主，其綜合能源利用效率只有40%～50%，并且污染相當(dāng)嚴(yán)重[1]。而分布式供能系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達到70%以上[2]。分布式供能系統(tǒng)具有低污染排放、建設(shè)周期短、可靠性高、供電效率高等特點，是優(yōu)化調(diào)整電源結(jié)構(gòu)，促進節(jié)能減排的重要手段[3]。

分布式能源系統(tǒng)是一種位于用戶側(cè)，包括能量轉(zhuǎn)換、傳遞和終端輸配等環(huán)節(jié)的發(fā)電系統(tǒng)或有電能輸出的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能靈活、因地制宜地利用清潔化石能源和可再生能源[4]。但在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備繁多、供能方式多樣且復(fù)雜，特別是熱負荷、冷負荷和熱水負荷可以由不同設(shè)備的不同組合方式來實現(xiàn)[5]。同時，不同地理位置的氣候條件因素導(dǎo)致供能方式的多樣性，特別是中國南方地區(qū)有熱帶或者亞熱帶冬暖夏熱的氣候特性，因此其合理的裝機容量和運行策略都是值得商榷的[6]。

本文以廣州某中央商務(wù)區(qū)為對象，調(diào)研其能源利用現(xiàn)狀，根據(jù)已確定的設(shè)計冷、熱負荷和電負荷，選定燃氣發(fā)電機組的容量，并分析分布式能源站的運行策略，論證南方典型樓宇群分布式能源站的節(jié)能效益，為中國南方地區(qū)同類樓宇群燃氣分布式能源系統(tǒng)的開發(fā)提供重要參考。

1 典型案例分布式能源站的基本概括

1.1 某商務(wù)區(qū)分布式能源站的建筑概況

廣州某中央商務(wù)區(qū)是集現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)總部基地、五星級酒店、商業(yè)廣場、購物中心、數(shù)碼產(chǎn)業(yè)總部、智能產(chǎn)業(yè)總部和汽車文化商貿(mào)中心于一體的大型高品質(zhì)公共中心，總用地面積約730000m2。

該商務(wù)區(qū)擬建冷、熱、電三聯(lián)供能源站一座，其能源站的供能區(qū)域建筑面積約為1523200m2，其中商業(yè)面積約為642100m2，酒店面積約93700m2，辦公面積約787400m2。

1.2 負荷分析

廣州橫跨北回歸線，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，屬于夏熱冬暖地區(qū)。

所以，該商務(wù)區(qū)分布式能源站的負荷以冷負荷為主，其冷、熱、電負荷具有以下特點：廣州地區(qū)全年主要冷負荷集中區(qū)域在4月至10月，冷負荷典型日最大負荷為124MW。全年主要熱負荷集中區(qū)域在2月，熱負荷典型日最大負荷為723kW，平均負荷為259kW。同時考慮能源站自用冷負荷，可得出空調(diào)冷負荷的設(shè)計值約為126MW，空調(diào)供熱負荷的約為750kW。冷負荷集中在每日07：00—20：00，負荷穩(wěn)定，其余時間冷負荷較低。此能源站只考慮為某五星級酒店提供生活熱水，酒店生活熱水熱負荷約1730W，年熱水耗熱量為6763325kW·h。商務(wù)區(qū)主要項目合計用電負荷為248319kW。

2 分布式能源站的裝機方案選擇

2.1 機組配置總原則

燃氣發(fā)電機組選型主要遵照“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對口、梯級利用”的原則，合理進行電力、供冷、供熱設(shè)備的配置，做到按需供給、適時匹配，達到冷熱負荷的相對平衡[5]。根據(jù)已確定的設(shè)計冷、熱負荷和電負荷，選定燃氣發(fā)電機組的容量，同時做到“充分利用余熱”“充分發(fā)揮發(fā)電能力”。

2.2 燃氣發(fā)電機組的方案選擇

樓宇群分布式能源站的動力系統(tǒng)主要分為燃氣內(nèi)燃機系統(tǒng)和微型燃氣輪機系統(tǒng)。不同動力系統(tǒng)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨蠼Y(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境制約因素。

從以下幾個方面對“燃氣內(nèi)燃機”方案和“燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)”方案進行比較選擇，如表1所示。

表1 燃氣內(nèi)燃機與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)方案比較

2.2.1 熱經(jīng)濟性

微型燃氣輪發(fā)電機組的發(fā)電效率通常為30%～40%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率能達到50%左右。由于夜間冷負荷很小，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)啟停時間較長（4h以上），只能在純凝工況運行；燃氣內(nèi)燃機發(fā)電容量較小，可以選擇多臺，而且在低負荷工況下，發(fā)電效率幾乎不變，發(fā)電效率在43%以上，綜合能源利用率在80%以上。

2.2.2 初投資

微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)需要配備燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、蒸汽型溴化鋰機組等設(shè)備，系統(tǒng)比較復(fù)雜，初投資較高；而燃氣內(nèi)燃機只需配備煙氣熱水型溴化鋰機組，就能保證余熱的高效利用，初期投資較低。

2.2.3 運行靈活性

“燃氣內(nèi)燃機”方案可選擇多臺內(nèi)燃機，可根據(jù)負荷要求靈活調(diào)整檢修方案，實現(xiàn)全年持續(xù)高效率運行；“燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)”方案由于機組發(fā)電容量大，運行靈活性小，檢修不方便。

2.2.4 對燃氣壓力的要求

微型燃氣輪機的進氣壓力要求較高（3.5～4.0MPa），本項目地區(qū)附近現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)管道壓力為0.4～0.8MPa，需要設(shè)置專用的天然氣調(diào)壓站；燃氣內(nèi)燃機對燃氣壓力要求較低，供氣壓力為0.55～0.6MPa，無需專門的調(diào)壓站。

考慮到廣州市目前的燃氣價格和市電價格情況，同時此分布式能源站的冷熱負荷波動比較大，并結(jié)合上述的優(yōu)缺點對比，優(yōu)先選用發(fā)電效率高的燃氣內(nèi)燃機，更好地體現(xiàn)項目的經(jīng)濟性。根據(jù)冷負荷分析，確定內(nèi)燃機裝機規(guī)模為30MW，對3個裝機方案進行對比，如表2所示。

表2 燃氣內(nèi)燃機技術(shù)經(jīng)濟性比選

通過對比可知：從熱耗、發(fā)電效率方面來看，9.78MW機組高于7.5MW機組和4MW級別機組；7.5MW級別內(nèi)燃機只有一家供應(yīng)商，9.78MW級和4MW級別內(nèi)燃機可選擇的供應(yīng)商較多，但4MW級機組臺數(shù)過多，占地面積大、設(shè)備及管道投資大，而9.78MW級別內(nèi)燃機數(shù)量合理，既保證了運行調(diào)節(jié)的靈活性，又兼顧主廠房布置占地面積和設(shè)備投資等方面的因素；能源站氣源壓力預(yù)計為0.7～0.8MPa，4MW級和7.5MW級需要設(shè)計減壓裝置，而9.78MW級機組無需設(shè)置。

綜合考慮上述3方面因素，選用3臺9.78MW級別內(nèi)燃機的方案一最適宜。

2.3 輔機的方案選擇

由于本案列中主機選擇燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，其排氣溫度較低和排氣量較小，不適合采用余熱鍋爐，且分布式能源站主要為滿足冷、熱和生活熱水負荷，無蒸汽負荷要求，所以余熱利用設(shè)備選用煙氣熱水型溴化鋰機組。針對冷負荷需求，考慮采用離心式電空調(diào)冷水機組作為冷負荷調(diào)峰設(shè)備、采用蓄熱水箱滿足儲熱調(diào)峰需要。

綜上所述，本能源站采用3臺燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機，裝機容量為3×9.78MW，對應(yīng)的余熱設(shè)備為3臺煙氣熱水型溴化鋰機組。針對冷負荷需求，考慮采用3臺8.6MW的串聯(lián)式離心式冷水機組，9臺單機制冷量為7.4MW和3臺單機制冷量為2.8MW的大溫差離心式冷水機組作為冷負荷調(diào)峰設(shè)備，采用蓄熱水箱滿足儲熱調(diào)峰需要。溴化鋰機組與發(fā)電機組一對一配置，溴化鋰機組排煙溫度為120℃，冷凍水額定進、出口溫度為13℃、8℃。與溴化鋰機組配套設(shè)置離心式冷水機組3臺，與溴機一對一串聯(lián)，冷凍水設(shè)計進、出口溫度為8℃、3℃。冷負荷不足部分由大溫差離心式冷水機組補充。供熱系統(tǒng)是由高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣熱水型溴化鋰機組作用后降溫至120℃，再進入煙氣熱水換熱器，制取90～95℃熱水。熱負荷高峰時段，制取的熱水直接外供給用戶使用；低負荷時段制取的高溫?zé)崴疅崃拷?jīng)蓄熱板式換熱機組儲存至蓄熱水箱，在熱負荷高峰時段或內(nèi)燃機停運時段時，蓄熱水箱儲存的熱量經(jīng)板式換熱機組換熱后供用戶使用。

3 分布式能源站的運行策略

根據(jù)上述能源站的裝機配置方案，能源站供冷系統(tǒng)冷源設(shè)備由煙氣熱水型溴化鋰機組、溴化鋰機組下游串聯(lián)離心式冷水機組、大溫差離心式冷水機組組成，煙氣熱水型溴化鋰機組為余熱利用設(shè)備，利用內(nèi)燃機發(fā)電機組余熱制冷，運行經(jīng)濟性最佳，串聯(lián)離心式冷水機組與煙氣熱水型溴化鋰機組配套運行；大溫差離心式冷水機組只在夜間冷負荷低負荷時段或白天余熱供冷量不滿足要求時運行，其取電方式為能源站的自發(fā)電或者夜間谷電。

在實際運行過程中，能源站管理系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件及用戶末端冷熱負荷變化情況來調(diào)整溴化鋰機組、離心式冷水機組、大溫差離心式冷水機組的運行狀態(tài)，以使能源站收益最高。

以下探討不同的設(shè)計日工況下的機組運行模式。

3.1 100%設(shè)計日工況運行模式

100%設(shè)計日工況運行模式如圖1所示，100%冷負荷設(shè)計日溴化鋰機組供冷占全天供冷量的26.3%，電制冷機組供冷占全天供冷量的73.7%。

圖1 100%設(shè)計日工況運行模式

3.2 75%設(shè)計日工況運行模式

75%設(shè)計日工況運行模式如圖2所示，75%冷負荷設(shè)計日溴化鋰機組供冷占全天供冷量33%，電制冷機組供冷占全天供冷量67%。

圖2 75%設(shè)計日工況運行模式

3.3 50%設(shè)計日工況運行模式

50%設(shè)計日工況運行模式如圖3所示，50%冷負荷設(shè)計日溴化鋰機組供冷占全天供冷量的46%，電制冷機組供冷占全天供冷量的54%。

圖3 50%設(shè)計日工況運行模式

3.4 25%設(shè)計日工況運行模式

25%設(shè)計日工況運行模式如圖4所示，25%冷負荷設(shè)計日溴化鋰機組供冷占全天供冷量的49%，電制冷機組供冷占全天供冷量的51%。

圖4 25%設(shè)計日工況運行模式

4 節(jié)能效果分析

4.1 能耗情況

根據(jù)上述的裝機方案配置方案，能源站的能耗指標(biāo)如表3所示。

由表3可看出，冷、熱、電運行方式下能源站運行的綜合利用效率高達81.2%以上，熱電比超過96.28%。所以能源站的綜合利用效率符合國家發(fā)改委、財政部、建設(shè)部和國家能源局于2011年發(fā)布的2196號文件《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的意見》中“原則上天然氣分布式能源全年綜合利用效率應(yīng)高于70%”的規(guī)定；同時，其熱電比也符合國家能源局發(fā)布于2000年發(fā)布的《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》中“燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)要求其總效率年平均大于55%，各容量等級燃氣的蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電比應(yīng)大于30%”的規(guī)定。由此可見，本能源站符合行業(yè)準(zhǔn)入要求，節(jié)能效果顯著。

表3 能源站主要能耗指標(biāo)

4.2 節(jié)能效果分析

對照分散供熱小鍋爐效率89%、2018年火電廠平均供電標(biāo)煤耗率0.308kg/（kW·h）等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本能源站利用內(nèi)燃機組的余熱，年對外供冷、供熱共計9.4×105GJ/a，每年可以節(jié)約標(biāo)煤9920t。所以，本能源站節(jié)能效果良好，具有一定的競爭優(yōu)勢。

5 總結(jié)

分布式能源系統(tǒng)以梯級利用、靠近用戶、一次能源利用效率高、環(huán)境友好、能源供應(yīng)安全可靠等特點，成為當(dāng)今電力行業(yè)的重要發(fā)展方向。分布式能源站的設(shè)備繁多和不同地理環(huán)境影響其供能方式的多樣性，最終導(dǎo)致其裝機方案和運行策略的復(fù)雜性。

本文以中國南方地區(qū)某典型商務(wù)樓宇群為例，通過調(diào)研其能源利用現(xiàn)狀，根據(jù)熱、冷負荷和電負荷，確定了3臺9.78MW燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機，并通過對煙氣熱水型溴化鋰機組、溴化鋰機組下游串聯(lián)離心式冷水機組和大溫差離心式冷水機組的調(diào)整來應(yīng)對冷、熱負荷的變化，實現(xiàn)能源站的最高收益。同時，通過對能源站的主要經(jīng)濟指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，本能源站每年可以節(jié)約標(biāo)煤9920t，節(jié)能效果良好。本文結(jié)論為中國南方同類樓宇群燃氣分布式能源系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要參考。