樓宇型天然氣分布式能源系統(tǒng)的典型案例分析

陳卉，劉穎，趙龍生

（1. 東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，南京210096；2. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京210096）

0 引 言

冷、熱、電三聯(lián)供（即CCHP 系統(tǒng)）是以天然氣為原料，能源利用有三個層級。第一層是用天然氣發(fā)電，第二層利用發(fā)電余熱制冷或采暖，實現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供，能源綜合利用率一般都會達(dá)70%以上。由于天然氣分布式能源對電力體系形成了重要的補(bǔ)充，可改善我國能源結(jié)構(gòu)，具有利用效率高、環(huán)境污染小、管理體系先進(jìn)、可靠性高和綜合效益好等優(yōu)勢，受到了市場的極大關(guān)注。

1 冷、熱、電負(fù)荷分析

1.1 電負(fù)荷分析

能源中心電負(fù)荷主要是空調(diào)系統(tǒng)、照明、電梯、消防系統(tǒng)、辦公設(shè)備和能源中心數(shù)據(jù)機(jī)房動力設(shè)備的耗電。根據(jù)對能源中心功能分區(qū)分析并結(jié)合《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034—2013）和《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）對各類建筑物（辦公室、營業(yè)廳、客房、醫(yī)院建筑、學(xué)校內(nèi)建筑等）的平均照明密度提出的明確規(guī)定，包括標(biāo)準(zhǔn)值和目標(biāo)值，對能源中心用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)估，電負(fù)荷如表1所示。

表1 電負(fù)荷一覽表Tab.1 Table of electrical load

1.2 冷、熱負(fù)荷分析

根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（CJJ34—2010）中空調(diào)熱指標(biāo)、冷指標(biāo)的推薦值及對應(yīng)的負(fù)荷如表2～表3所示。

表2 空調(diào)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)推薦值Tab.2 Table of cooling and thermal load index for air conditioner

表3 空調(diào)冷、熱負(fù)荷Tab.3 Table of cooling and thermal load of air conditioner

用能端夏季典型日逐時冷、熱負(fù)荷如圖1 和圖2所示。

能源站的供能設(shè)計負(fù)荷如表4所示。

能源站的全年逐時負(fù)荷如圖3所示。

圖1 夏季典型日逐時冷負(fù)荷Fig.1 Hourly cooling load of typical days in summer

圖2 冬季典型日逐時熱負(fù)荷Fig.2 Hourly heat load of typical day in winter

表4 能源站用能需求Tab.4 Energy demand of energy station MW

圖3 全年逐時負(fù)荷Fig.3 Figure of the annual hourly load value

2 能源站裝機(jī)方案

該能源站位于蘇州市吳中區(qū)，為其能源中心配套的供能系統(tǒng)，除對能源中心供應(yīng)冷熱電負(fù)荷，還對外供應(yīng)冷/熱負(fù)荷。天然氣分布式能源系統(tǒng)按“以熱（冷）定電、自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”為原則進(jìn)行設(shè)計，以滿足冷/熱負(fù)荷需求、滿足能源中心備用電源需求。

通過比較分析，得出該分布式能源站推薦方案，即2 臺單機(jī)裝機(jī)容量2 MW 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+2 臺單機(jī)裝機(jī)容量3 MW 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組+配套4 臺煙氣-熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組+4 臺6.3 MW 的離心式電制冷（熱泵）機(jī)組+1 臺2.1 MW 的地源熱泵機(jī)組+2臺7 MW 的天然氣熱水鍋爐（補(bǔ)充、備用）+2臺6 800 m水蓄冷（熱）系統(tǒng)，能源工藝由天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、蓄能（冷、熱）系統(tǒng)及電制冷調(diào)峰系統(tǒng)等組成，形成能源梯級利用的綜合系統(tǒng)。結(jié)合能源站所在地當(dāng)?shù)刭Y源，充分利用天然氣、土壤能等清潔、低品位的能源，采用天然氣三聯(lián)供、蓄能（冷、熱）技術(shù)達(dá)到天然氣、電力移峰填谷的目的，充分發(fā)揮天然氣管網(wǎng)、電網(wǎng)的效率。樓宇式分布式能源系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 樓宇型分布式能源系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of the building-type CCHP system

供能站配置的內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)如表5所示。

表5 內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)Tab.5 The main parameters of internal combustion engine generator

利用天然氣燃燒產(chǎn)生的高品位熱能發(fā)電，為能源中心提供電能，燃燒后的煙氣熱量及高溫缸套水熱量進(jìn)入煙氣-熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組，溴化鋰機(jī)組與發(fā)電機(jī)一一對應(yīng)，1 臺2 MW 內(nèi)燃機(jī)制冷/熱量為1.907 MW，1 臺3 MW 內(nèi)燃機(jī)制冷/熱量為3.083 MW，4 臺煙氣-熱水-型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組的總制冷量為9.98 MW，夏季最小冷負(fù)荷量為13.298 MW，最大冷負(fù)荷量65.894 MW，冷負(fù)荷波動較大；過渡季冷負(fù)荷量為6.92 MW；冬季冷負(fù)荷量為6.92 MW（信息中心），最大熱負(fù)荷量25.238 MW，最小熱負(fù)荷量6.452 MW。

1）為充分利用地下淺層地?zé)豳Y源，采用地源熱泵系統(tǒng)。采用雙U 換熱器，設(shè)計埋管間距5 m×5 m，有效換熱井深120 m，共設(shè)242 口地源井。豎直埋管管材采用HDPE，管徑D32×3.0，公稱壓力1.6 MPa。地源側(cè)水通過地源收集井接至電制冷機(jī)房。

2）水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)按節(jié)能運(yùn)行模式設(shè)計，可以有效地減少冷水機(jī)組白天運(yùn)行時間，保證冷水機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)間。對于時峰、谷電差價較大地區(qū)，可顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，同時對電網(wǎng)可起到平衡、削峰填谷的作用。根據(jù)冷、熱平衡的計算，能源站設(shè)置2個直徑為16 m，高30 m的蓄能水罐，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。單個蓄能水罐的有效容積為6 800 m，單罐蓄冷量為65.031 MWh，單罐蓄熱量為76.507 MWh（按10 ℃溫差）。蓄水罐的設(shè)計液面標(biāo)高為13 m，兼做系統(tǒng)定壓裝置。

3）采用10 kV 上網(wǎng)方案。設(shè)置10 kV 母線段。4臺發(fā)電機(jī)分為2組，每組發(fā)電機(jī)出口處分別設(shè)置1段10 kV母線段，通過10 kV聯(lián)絡(luò)線并入電網(wǎng)，10 kV采用單母線分段的接線形式。電制冷機(jī)組和水水熱泵從10 kV 母線引出，溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組、地源熱泵、水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)及其他用電設(shè)備通過廠用變從400 V母線引接。

3 能源站供能運(yùn)行方案

能源站內(nèi)燃發(fā)電機(jī)與市電并列運(yùn)行，內(nèi)燃機(jī)只帶基本負(fù)荷，不足部分由市電補(bǔ)充，夜間內(nèi)燃機(jī)不運(yùn)行。

夏季利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電余熱提供空調(diào)冷水，制冷水溫5.5/12.5 ℃，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電產(chǎn)生的煙氣和缸套水作為余熱進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組制冷，冷量不足部分由電制冷機(jī)組補(bǔ)充。白天供冷高峰時，離心式制冷機(jī)根據(jù)供需情況確定開啟臺數(shù)及負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰。

冬季利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電余熱提供空調(diào)熱水，制熱水溫75/45 ℃，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)制熱，缸套水通過板式換熱器直接供熱。冬季夜間低谷時段，兩臺離心機(jī)制冷機(jī)組運(yùn)行在制冷工況，為數(shù)據(jù)中心提供冷負(fù)荷，另外兩臺運(yùn)行在制熱工況，制冷工況的離心機(jī)的冷卻水作為制熱工況的離心機(jī)的熱源。

另設(shè)蓄冷罐2 臺，一臺離心式電制冷機(jī)組利用夜間0～8 點(diǎn)低谷時的電能進(jìn)行蓄冷，產(chǎn)生4 ℃的冷水，存儲于蓄冷罐內(nèi)，白天放冷，單臺蓄冷罐日存放量如圖5所示。

圖5 單臺蓄冷罐日存放冷量曲線圖Fig.5 Daily storage capacity curve of single cold storage tank

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 約束條件

對于供、用電，其能量平衡公式如下：

式中：代表供應(yīng)用戶端電量；代表內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量；代表電網(wǎng)上下行電量；代表電制冷機(jī)消耗電量；代表地源熱泵消耗電量；∑代表制冷或采暖水泵及風(fēng)機(jī)等消耗電量總和。

對于供冷設(shè)備，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用戶端冷、熱量；代表煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組供冷/熱量；代表 地源熱泵供冷/熱量；表電制冷機(jī)組供冷/熱量。

對于供熱設(shè)備，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用戶端冷/熱量；代表煙氣-熱水型溴化鋰機(jī)組供冷/熱量；代表地源熱泵供冷/熱量；代表電制冷機(jī)組供冷/熱量。

4.2 算例分析

4.2.1 技術(shù)指標(biāo)

通過分析，得出能源站的主要技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

4.2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1）邊界條件

能源站的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)需要在一定的邊界條件下進(jìn)行計算，供能站的邊界條件如表7所示。

2）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在上述邊界條件下，供能站的內(nèi)部回收期等主要經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)如表8所示。

經(jīng)過敏感性分析，能源站經(jīng)濟(jì)上是可行的。能源站的敏感性分析情況如圖6所示。

5 節(jié)能及環(huán)境效益分析

5.1 節(jié)標(biāo)煤量及節(jié)能率

經(jīng)計算，能源站可節(jié)標(biāo)煤量12 564 t/年。節(jié)能率：

表6 能源站技術(shù)指標(biāo)（內(nèi)燃機(jī)ISO工況）Tab.6 The technical index of energy station（ISO condition of internal combustion engine generator）

表7 邊界條件Tab.7 Table of boundary condition

式中：代表節(jié)能率；代表聯(lián)供系統(tǒng)年凈輸出電量（kWh）；代表聯(lián)供系統(tǒng)年余熱供熱總量（MJ）；代表聯(lián)供系統(tǒng)年余熱供冷總量（MJ）；代表聯(lián)供系統(tǒng)年天然氣總耗量（Nm）；代表天然氣低位發(fā)熱量，=34.2 MJ/Nm；代表常規(guī)供電方式的平均供電效率，計算結(jié)果為38.57%；代表常規(guī)供熱方式的天然氣鍋爐平均熱效率；COP代表常規(guī)供冷方式的電制冷機(jī)平均性能系數(shù)，可按5.0 取值；代表電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗（g/kWh），可取上一年全國統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本工程取298 g/kWh；代表供電線路損失率，可取上一年全國統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本工程取6.47%。

表8 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表Tab.8 Table of economic indicators

圖6 敏感性分析Fig.6 Figure of sensibility analysis

CCHP 系統(tǒng)節(jié)能率20.7%，滿足并高于國家標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51131—2016）中節(jié)能率大于15%的要求。

5.2 環(huán)境效益

能源站CCHP 系統(tǒng)污染物減排情況如表9所示。

表9 能源站污染物減排一覽表Tab.9 Table of the pollutant reduction （t·a-1）

6 結(jié) 論

能源站內(nèi)燃機(jī)帶基礎(chǔ)電負(fù)荷運(yùn)行，高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣-熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組供部分冷熱負(fù)荷，保障了能源的梯級利用，不足部分由電制冷機(jī)組及地源熱泵等機(jī)組供應(yīng)。分布式能源系統(tǒng)選用成熟可靠的技術(shù)設(shè)備，在技術(shù)上是可行的。

另外，樓宇型分布式能源站還設(shè)置蓄冷/熱裝置，可以達(dá)到削峰填谷，降低容量配置的作用，可節(jié)省投資，利用峰谷電價差，降低運(yùn)行費(fèi)用，同時提高運(yùn)行靈活性和系統(tǒng)效益，節(jié)能減排效果顯著。