基于燃?xì)夥植际侥茉吹木C合能源系統(tǒng)應(yīng)用分析

馬偉

上海航天智慧能源技術(shù)有限公司

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，減少碳排放的綜合能源技術(shù)得到了更廣泛的關(guān)注和討論[1]。天然氣分布式能源、蓄能等能源技術(shù)因?yàn)槠淠茉淳C合利用效率高、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等特點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)園區(qū)、商辦樓宇、數(shù)據(jù)中心、酒店等不同場(chǎng)景供能系統(tǒng)中得到了應(yīng)用研究[2-3]。

面向終端用戶電、熱、冷等多種用能需求，將分布式能源、蓄能、地源熱泵、常規(guī)供能或可再生能源等兩種或多種供能形式耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，就近向園區(qū)內(nèi)集中供應(yīng)電能、空調(diào)冷水、采暖熱水等，能有效地降低能源消耗、減少碳排放并提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

本文以上海市某產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，研究分析了基于分布式能源技術(shù)及水蓄能技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)方案、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排效果等。

1 綜合能源系統(tǒng)原理

1.1 綜合能源系統(tǒng)組成

燃?xì)夥植际侥茉礊楹诵?，與蓄能技術(shù)、常規(guī)電制冷及鍋爐供熱等能源技術(shù)耦合，形成綜合能源系統(tǒng)，屬于第三代分布式能源技術(shù)[6]，可滿足區(qū)域能源冷、熱、電協(xié)同供應(yīng)需求，節(jié)約供能成本，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用。工藝系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 綜合能源站工藝系統(tǒng)原理圖

1.2 燃?xì)夥植际侥茉?/h3>

燃?xì)夥植际侥茉词且蕴烊粴獾葹槿剂?，采用?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等原動(dòng)機(jī)發(fā)電，并利用不同能源品位的煙氣或缸套水等余熱制冷或制熱，可為用戶提供冷、熱、電等多種能源形式，布置在負(fù)荷中心附近的供能系統(tǒng)[7]。分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用，提高了能源綜合利用效率，節(jié)約一次能源，降低碳排放。

分布式能源系統(tǒng)根據(jù)供能種類的不同，可分為熱電聯(lián)供系統(tǒng)或冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP）。其中熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要用于蒸汽、熱水等熱負(fù)荷而冷負(fù)荷較少的工業(yè)或商業(yè)項(xiàng)目。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)主要用于空調(diào)冷熱負(fù)荷為主的公建項(xiàng)目。

本項(xiàng)目主要負(fù)荷為空調(diào)冷熱負(fù)荷，所以采用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供形式的分布式能源系統(tǒng)，原動(dòng)機(jī)選用發(fā)電效率較高、功率段合適的內(nèi)燃機(jī)。典型的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組以及燃?xì)膺M(jìn)氣系統(tǒng)、煙氣脫硝系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、并網(wǎng)配電系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)組成。典型以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供（CCHP）分布式能源系統(tǒng)流程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供分布式能源系統(tǒng)原理圖

1.3 蓄能

蓄能技術(shù)是將冷熱能以顯熱和潛熱的形式儲(chǔ)存在介質(zhì)中。常用的蓄能技術(shù)有水蓄能和冰蓄能。

水蓄能是利用水的顯熱進(jìn)行冷量或熱量?jī)?chǔ)存的，它具有初投資少、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維修方便、技術(shù)要求低、兼顧蓄冷蓄熱等特點(diǎn)[8]。但常規(guī)的水蓄冷系統(tǒng)單位容積蓄冷量較小，使得占地面積和和空間較大。

冰蓄冷是利用乙二醇溶液的相變潛熱進(jìn)行冷量的儲(chǔ)存，與水蓄冷相比，冰蓄冷系統(tǒng)的蓄能能力提高，并可使蓄能槽體積減小。但冰蓄冷系統(tǒng)的技術(shù)要求較高，必須使用特定的雙工況制冷機(jī)組，制冷劑的蒸發(fā)壓力要低，壓縮機(jī)耗能高。冰蓄冷系統(tǒng)需增加乙二醇溶液系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)比水蓄冷系統(tǒng)復(fù)雜很多。冰蓄能只能蓄冷不能蓄熱[9]。

鑒于水蓄能在初投資、運(yùn)行維護(hù)和兼顧蓄冷蓄熱的優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目綜合供能系統(tǒng)建議采用水蓄能系統(tǒng)。

2 負(fù)荷分析

本項(xiàng)目供能范圍園區(qū)總占地面積12.5 公頃，其中空調(diào)建筑面積16.45 萬(wàn)m2，建筑業(yè)態(tài)包括商業(yè)、辦公、酒店等。辦公建筑園區(qū)內(nèi)各地塊情況及設(shè)計(jì)負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。本項(xiàng)目綜合能源站設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷為18.5 MW，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為11.5 MW。

表1 園區(qū)各地塊建筑面積及設(shè)計(jì)負(fù)荷

園區(qū)不同建筑業(yè)態(tài)負(fù)荷疊加后的典型日逐時(shí)冷熱電負(fù)荷波動(dòng)情況見(jiàn)圖3。

圖3 典型日逐時(shí)冷熱電負(fù)荷波動(dòng)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

①采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”方式，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組10 kV出線，所發(fā)出的電能全部供園區(qū)自身消納。

②最大限度利用發(fā)電機(jī)組余熱制冷制熱，保持系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

③利用夜間電價(jià)低谷時(shí)段蓄冷蓄熱，日間高峰時(shí)段釋熱。

3.2 設(shè)備配置

本項(xiàng)目綜合能源站由燃?xì)饫錈犭娙?lián)供分布式能源系統(tǒng)、水蓄能系統(tǒng)和電制冷機(jī)、鍋爐等常規(guī)供能系統(tǒng)組成。

1）考慮到分布式能源系統(tǒng)的單位投資、負(fù)荷穩(wěn)定性要求相對(duì)較高，選用2 臺(tái)1000 kW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，同時(shí)配套2 臺(tái)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，滿足基礎(chǔ)負(fù)荷，提高分布式能源系統(tǒng)全年穩(wěn)定滿發(fā)運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

2）綜合考慮尖峰負(fù)荷、投資、占地等條件，水蓄能系統(tǒng)設(shè)置4000 m3蓄能水罐，削峰填谷，降低能源中心運(yùn)行費(fèi)用。

3）常規(guī)供能系統(tǒng)設(shè)置2 臺(tái)1500RT 離心式制冷機(jī)組，2 臺(tái)500RT 磁懸浮制冷機(jī)組和2 臺(tái)4200 kW 燃?xì)庹婵諢崴仩t，用于調(diào)峰及備用，2 臺(tái)1050 kW 電真空熱水鍋爐用于夜間蓄熱。

表2 綜合能源站主要設(shè)備表

3.3 運(yùn)行策略

綜合能源系統(tǒng)依據(jù)預(yù)測(cè)曲線并結(jié)合實(shí)際負(fù)荷波動(dòng)追蹤運(yùn)行，白天優(yōu)先運(yùn)行分布式能源系統(tǒng)及蓄能系統(tǒng)的釋能工況，電制冷或燃?xì)忮仩t作為調(diào)峰機(jī)組，夜間電制冷機(jī)或電鍋爐進(jìn)行蓄能工作。全年運(yùn)行時(shí)間為2640 h。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 工程投資

本項(xiàng)目綜合能源站土建由園區(qū)總體負(fù)責(zé)，投資僅考慮機(jī)電設(shè)備采購(gòu)、安裝等機(jī)電工程費(fèi)用，項(xiàng)目投資概算約6992 萬(wàn)元（表3）。

表3 綜合能源站機(jī)電工程投資（單位：萬(wàn)元）

4.2 計(jì)算邊界條件

1）能源價(jià)格

①電價(jià)：上海市10 kV 一般工商業(yè)分電價(jià)表見(jiàn)表4。能源站供能期間全年加權(quán)平均電價(jià)為0.731 元/kWh，蓄能期間全年加權(quán)平均電價(jià)為0.254 元/kWh。

表4 上海市10 kV 一般工商業(yè)分電價(jià)表

②燃?xì)鈨r(jià)格：燃?xì)忮仩t氣價(jià)按市場(chǎng)價(jià)3.8 元/Nm3，上海市分布式能源優(yōu)惠氣價(jià)為2.7 元/Nm3。燃?xì)鉄嶂?5.5 MJ/Nm3。

③冷熱價(jià)格：0.6 元/kWh。

2）負(fù)荷率預(yù)測(cè)

前四年負(fù)荷率10%、30%、50%，80%，第四年后負(fù)荷率90%穩(wěn)定達(dá)產(chǎn)運(yùn)行。

3）節(jié)能補(bǔ)貼

根據(jù)上海市2020 年7 月發(fā)布的《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)發(fā)展專項(xiàng)扶持辦法》，本項(xiàng)目分布式能源系統(tǒng)裝機(jī)2000 kW，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)2640 h，能源綜合利用效率85.8%，可享受上海市節(jié)能補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為1800 元/kW，總計(jì)360 萬(wàn)元。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目綜合能源站在100%負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)的全年技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 綜合能源站運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)匯總

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

項(xiàng)目建設(shè)期1 年，運(yùn)營(yíng)期20 年，分別計(jì)算綜合能源系統(tǒng)及分系統(tǒng)的投資經(jīng)濟(jì)效益（見(jiàn)表6）。項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率8.2%，投資回收期11.1 年，通過(guò)分布式能源和水蓄能的應(yīng)用提高了綜合能源站的經(jīng)濟(jì)性。

表6 綜合能源系統(tǒng)及各分系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.5 供能成本比較

基于分布式能源及水蓄能的綜合能源方式和常規(guī)供能方式在不同負(fù)荷率的可變成本、綜合成本比較分析如下：

1）燃?xì)?、電、水、脫硝、維保等可變成本：如圖4a 所示，常規(guī)供能可變成本保持不變。綜合能源系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)優(yōu)先使用分布式能源及蓄能系統(tǒng)，可變成本較低，隨著負(fù)荷率提高，常規(guī)供能設(shè)備投入使用，可變成本提高。100%負(fù)荷率時(shí)，綜合能源方式可變成本比常規(guī)供能方式降低20%。

2）考慮可變成本以及人工管理、折舊攤銷等固定成本的綜合成本：如圖4b 所示，隨著負(fù)荷率提高，系統(tǒng)供能收益增加，固定成本占比減少，綜合成本逐漸降低。100%負(fù)荷率時(shí)，綜合能源方式綜合成本比常規(guī)供能方式降低10%。

圖4 綜合能源和常規(guī)供能方式的成本對(duì)比

5 節(jié)能減排效益分析

5.1 能源綜合利用率和節(jié)能率計(jì)算

根據(jù)《分布式冷熱電能源系統(tǒng)技術(shù)條件第1 部分：制冷和供熱電源》（GB/T 36160.1-2018），分布式能源系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率計(jì)算公式如下：

節(jié)能率計(jì)算公式如下：

式中：υ 為年平均能源綜合利用率；γ 為節(jié)能率；W 為年凈輸出電量；Q1為年余熱供熱總量；Q2為年余熱供冷總量；B 為年燃?xì)饪偤牧?；QL為燃?xì)獾臀粺嶂担沪莈0為常規(guī)供電方式的平均供電效率；η0為常規(guī)供熱方式的燃?xì)忮仩t平均熱效率；COP0為常規(guī)制冷方式的電制冷平均性能系數(shù)；M 為電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗；θ 為供電線路損失。

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的《2020 年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為305.5 g/kWh，供電線路損失5.62%。本項(xiàng)目天然氣折算標(biāo)煤系數(shù)為1.21 kg/Nm3。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目分布式能源系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率為85.8%，節(jié)能率為29.8%，每年可以節(jié)約標(biāo)煤量640 噸。

5.2 碳減排分析

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對(duì)氣候變化司研究發(fā)布的《2019 年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》，華東區(qū)域電力碳排放因子為0.7921 tCO2/MWh。根據(jù)政府間氣候變化委員會(huì)推薦的天然氣CO2排放因子為56.1kg/GJ，天然氣熱值折算后的CO2排放因子為1.9916 kg/Nm3。

分布式能源系統(tǒng)年供電501.6 萬(wàn)kWh，供熱235.0萬(wàn)kWh，供冷316.7 萬(wàn)kWh，CO2排放量為2480 噸。若采用常規(guī)供能方式，每年需耗燃?xì)饬?6.5 萬(wàn)Nm3及電量565.0 萬(wàn)kWh，CO2排放量為5002 噸。采用分布式能源系統(tǒng)，比常規(guī)供能方式每年可減少CO2排放量2522 噸，減排率50%。

6 結(jié)論

1）原動(dòng)機(jī)為內(nèi)燃機(jī)的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供分布式能源和兼顧蓄冷蓄熱的水蓄能技術(shù)，與電制冷機(jī)、鍋爐等常規(guī)供能組成的綜合能源系統(tǒng)，提高了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排效益，可降低可變成本20%、綜合成本10%，適合用于園區(qū)集中供能系統(tǒng)。

2）本項(xiàng)目綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用分布式能源和蓄能系統(tǒng)，分布式能源滿足基礎(chǔ)負(fù)荷保證年運(yùn)行時(shí)間，蓄能系統(tǒng)電價(jià)谷時(shí)蓄能、峰時(shí)釋能，做到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3）相對(duì)于常規(guī)供能系統(tǒng)，本項(xiàng)目分布式能源系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率為85.8%，節(jié)能率為29.8%，每年可節(jié)約標(biāo)煤量640 噸，每年可減少CO2排放量2522 噸，減排率50%。