于秀艷

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

天然氣分布式能源站系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能源及資源綜合利用最大化。該技術(shù)的能源綜合利用效率在70%以上，聯(lián)產(chǎn)部分能源效率可達(dá)86%以上，可廣泛應(yīng)用于城市綜合商務(wù)區(qū)、工業(yè)區(qū)和公用建筑項(xiàng)目。與傳統(tǒng)集中式供能方式相比，具有高效、清潔、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高且適于削峰填谷等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)調(diào)查分析，在國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的分布式能源站項(xiàng)目中，以上優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有得到充分體現(xiàn)。究其原因，除了設(shè)計(jì)過(guò)程中負(fù)荷冷/熱指標(biāo)取值不合理、負(fù)荷動(dòng)態(tài)分析不足、使用系數(shù)取值不合理及部分項(xiàng)目無(wú)法上網(wǎng)/并網(wǎng)等原因外，還有一個(gè)非常重要的原因就是項(xiàng)目總裝機(jī)容量及設(shè)備的選型配置不合理。有些項(xiàng)目因裝機(jī)容量過(guò)大而產(chǎn)生了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，致使三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不良，甚至長(zhǎng)期停運(yùn)而導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益較差。

華電產(chǎn)業(yè)園分布式能源站，是在充分吸取前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的高效、節(jié)能、環(huán)保的天然氣分布式能源站項(xiàng)目。為了借鑒以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，避免在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)以上類似情況，在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了技術(shù)分析及計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了反復(fù)對(duì)比論證及優(yōu)化。

下面以華電產(chǎn)業(yè)園分布式能源站項(xiàng)目為例，探討確定樓宇式天然氣分布式能源站裝機(jī)方案的原則及方法。

1 負(fù)荷分析

天然氣分布式能源站裝機(jī)方案的確定，離不開(kāi)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與分析。負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與分析是分布式能源站系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)，對(duì)于冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性往往會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。天然氣冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)必須根據(jù)用戶負(fù)荷的冷、熱、電比例選擇相應(yīng)的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的合理配置及高效運(yùn)行。

天然氣分布式能源站大致分為2種:一種是以建筑類負(fù)荷為主的樓宇式分布式能源站，主要為制冷、采暖、生活熱水及電負(fù)荷;一種是以工業(yè)負(fù)荷為主的分布式能源站，主要負(fù)荷為工藝蒸汽和電負(fù)荷，制冷及采暖負(fù)荷相對(duì)較少。

天然氣分布式能源站雖為發(fā)電類項(xiàng)目，但其裝機(jī)方案的確定和設(shè)備的選型，卻不同于電廠類項(xiàng)目。電廠類項(xiàng)目的設(shè)備選型主要是根據(jù)區(qū)域內(nèi)的電力需求情況來(lái)確定裝機(jī)方案，而分布式能源站項(xiàng)目則是以冷、熱負(fù)荷需求為主，兼顧電負(fù)荷需求，并根據(jù)冷、熱、電3種負(fù)荷的平衡來(lái)考慮項(xiàng)目的裝機(jī)方案。

華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為建筑類項(xiàng)目，總建筑規(guī)模約17萬(wàn)m2，地下面積約8萬(wàn)m2。產(chǎn)業(yè)園建筑以辦公、商業(yè)、酒店為主，具有較集中的冷、熱、電、生活熱水需求。

通過(guò)對(duì)華電產(chǎn)業(yè)園負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)分析，得出該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)負(fù)荷如下:設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為12.000 MW，其中常規(guī)冷負(fù)荷為10.470 MW，特殊供冷負(fù)荷為1.530 MW(網(wǎng)絡(luò)機(jī)房不間斷制冷負(fù)荷);設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為8.024 MW;設(shè)計(jì)電負(fù)荷為6.510 MW;生活熱水最大負(fù)荷為1.070 MW。

1.1 空調(diào)冷負(fù)荷匯總

全部建筑物最熱月的典型日冷負(fù)荷如圖1所示，最大的冷負(fù)荷出現(xiàn)在15:00，為10.470 MW(常規(guī)冷負(fù)荷)。

1.2 空調(diào)熱負(fù)荷匯總

全部建筑物最冷月的典型日熱負(fù)荷如圖2所示，最大的熱負(fù)荷出現(xiàn)在07:00，為8.024 MW。

1.3 生活熱水負(fù)荷特性分析

最大熱水供應(yīng)月典型日的生活熱水分析結(jié)果如圖3所示，最大生活需求出現(xiàn)在21:00，為1.070MW。

圖1 全部建筑物的典型日冷負(fù)荷逐時(shí)分析

圖2 全部建筑物的典型日熱負(fù)荷逐時(shí)分析

圖3 最大熱水供應(yīng)月典型日的生活熱水分析結(jié)果

1.4 電負(fù)荷特性分析

夏季典型日電負(fù)荷逐時(shí)變化分析如圖4所示，冬季典型日電負(fù)荷逐時(shí)變化分析如圖5所示。

圖4 夏季典型日電負(fù)荷逐時(shí)變化分析

圖5 冬季典型日電負(fù)荷逐時(shí)變化分析

由圖4、圖5可以看出，典型日負(fù)荷主要集中在07:00—23:00，其他時(shí)間段內(nèi)各負(fù)荷均較小，且08:00—18:00各負(fù)荷基本在峰值附近。

2 總裝機(jī)容量確定及設(shè)備選型原則

2.1 項(xiàng)目總裝機(jī)容量的確定

由各負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)可知，冷、熱、電負(fù)荷均有1個(gè)最大值，且負(fù)荷在峰值附近持續(xù)的時(shí)間非常短，峰值附近一定范圍內(nèi)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較短，通常全年累計(jì)只出現(xiàn)幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)。如果按負(fù)荷統(tǒng)計(jì)峰值來(lái)選取設(shè)備的總裝機(jī)容量，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致部分機(jī)組在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于閑置狀態(tài)。

因此，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及規(guī)程規(guī)定，可按全年累計(jì)不保證50 h的原則來(lái)設(shè)計(jì)負(fù)荷最大值，以此確定項(xiàng)目的總裝機(jī)容量。這一原則雖無(wú)法完全滿足用戶在較短時(shí)間內(nèi)冷、熱負(fù)荷的需要，卻可使項(xiàng)目總投資大大降低，并使設(shè)備得到最大化利用。

2.2 項(xiàng)目主機(jī)及主要輔機(jī)選型原則

以天然氣為燃料的分布式能源站，其主機(jī)選型通常按“以冷、熱定電，主機(jī)裝機(jī)欠匹配”的原則進(jìn)行，以保證經(jīng)濟(jì)效益最大化，這是與常規(guī)電廠最本質(zhì)的區(qū)別。

所謂“以冷、熱定電”，就是以優(yōu)先滿足供冷、供熱的原則確定主機(jī)及主要輔機(jī)的裝機(jī)容量及臺(tái)數(shù)，電負(fù)荷作為選擇主機(jī)裝機(jī)的參考。當(dāng)機(jī)組的發(fā)電量大于用電負(fù)荷時(shí)，多余的電量可送入電網(wǎng);當(dāng)發(fā)電量不能滿足能源站所供范圍內(nèi)的電負(fù)荷需求時(shí)，不足部分由電網(wǎng)下電來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。

華電產(chǎn)業(yè)園的負(fù)荷以建筑類制冷、采暖及生活熱水為主，因此選擇采用內(nèi)燃機(jī)+余熱溴化鋰機(jī)+換熱器為主機(jī)及主要輔助設(shè)備。

所謂的“主機(jī)裝機(jī)欠匹配”，是指在選擇主機(jī)設(shè)備時(shí)，使主機(jī)冷、熱供能能力只滿足項(xiàng)目的基本負(fù)荷，不足部分由調(diào)峰設(shè)備補(bǔ)足。這種確定主機(jī)裝機(jī)的方式，可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的綜合經(jīng)濟(jì)效益最大化。

目前，主機(jī)中的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)價(jià)格非常昂貴，而與主機(jī)配套的輔機(jī)如余熱溴化鋰機(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)及調(diào)峰設(shè)備直燃機(jī)、電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t等，基本已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格相對(duì)便宜。因此，在選擇主機(jī)時(shí)，應(yīng)使主機(jī)設(shè)備所帶的負(fù)荷比例在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，使主機(jī)設(shè)備能充分發(fā)揮最大作用，盡量減少主機(jī)的閑置時(shí)間。

華電產(chǎn)業(yè)園分布式能源站項(xiàng)目全投資內(nèi)部收益率變化曲線如圖6所示。

圖6 全投資內(nèi)部收益率變化曲線

由圖6可知，靜態(tài)投資及天然氣價(jià)格是影響項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率的兩大主要負(fù)面因素，隨著靜態(tài)投資及天然氣價(jià)格的上升，內(nèi)部收益率則會(huì)顯著減小。根據(jù)投資分析可知，在華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目靜態(tài)投資中，主輔系統(tǒng)的投資約占88.11%，設(shè)備投資約占主輔系統(tǒng)的74.3%，由此得出設(shè)備投資約占靜態(tài)總投資的65.4%，而主機(jī)及余熱設(shè)備的投資又占設(shè)備投資的80%左右，是影響項(xiàng)目收益的主要因素，直接影響整個(gè)項(xiàng)目的投資經(jīng)濟(jì)收益及投資回收年限。如果主機(jī)容量及臺(tái)數(shù)選擇不合理，無(wú)論是偏大還是偏小，都會(huì)降低項(xiàng)目的投資收益率及延長(zhǎng)投資的回收年限。

由此可見(jiàn)，只有項(xiàng)目總裝機(jī)容量及主機(jī)裝機(jī)容量在合理范圍內(nèi)，才能保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益最佳。

2.3 調(diào)峰設(shè)備的選擇原則

以天然氣為燃料的分布式能源站除了需要配置合適容量的主機(jī)設(shè)備，還要配置合適的調(diào)峰設(shè)備進(jìn)行調(diào)峰，以滿足項(xiàng)目負(fù)荷的總量需求。

調(diào)峰設(shè)備有多種，可以選擇比較常用的電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、直燃機(jī)作為調(diào)峰設(shè)備，也可以采用冰蓄冷、熱泵(風(fēng)源、水源、地源)等作為調(diào)峰設(shè)備。到底采用哪一種調(diào)峰方式，需具體問(wèn)題具體分析?？梢赃x擇1種或2種設(shè)備，也可以幾種調(diào)峰設(shè)備配合使用，但無(wú)論如何選配，均應(yīng)從系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等角度進(jìn)行綜合分析論證并最終確定。

華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目規(guī)劃容量為2套3.3 MW內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，主機(jī)系統(tǒng)還包括2套煙氣熱水型溴化鋰余熱機(jī)組、2臺(tái)煙氣熱水換熱器;調(diào)峰設(shè)備為2套直燃型溴化鋰機(jī)組、2臺(tái)電制冷機(jī)組。

主機(jī)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組帶基本負(fù)荷，高峰時(shí)冷、熱負(fù)荷超出基本負(fù)荷部分由直燃機(jī)及電制冷機(jī)等設(shè)備來(lái)補(bǔ)足。主機(jī)發(fā)的電供給產(chǎn)業(yè)園內(nèi)各用戶使用，不足部分從電網(wǎng)下電進(jìn)行補(bǔ)充。

華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目設(shè)備的這種配置，是在進(jìn)行了充分的對(duì)比論證后最終確定的。這種配置既能滿足不同階段、不同氣候條件下各種負(fù)荷的需求，又最大限度地節(jié)省了能源站占地，節(jié)省了能源站總投資。

3 主輔機(jī)設(shè)備的選型計(jì)算

分布式能源站主輔機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括以下內(nèi)容:

(1)根據(jù)各種負(fù)荷曲線及設(shè)計(jì)負(fù)荷確定主機(jī)臺(tái)數(shù)及容量;

(2)根據(jù)初選的主機(jī)參數(shù)計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)的供能能力及效率;

(3)根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)的供能能力及最大設(shè)計(jì)負(fù)荷需求，求出需要輔機(jī)提供的能量，并結(jié)合負(fù)荷曲線，選定調(diào)峰設(shè)備的容量及臺(tái)數(shù)。

下面以華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為例，探討分布式能源站系統(tǒng)設(shè)備選型設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。

3.1 主機(jī)容量及臺(tái)數(shù)的選擇

主機(jī)臺(tái)數(shù)及容量的選擇，主要根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷及各種負(fù)荷曲線綜合分析確定，同時(shí)要充分考慮主機(jī)設(shè)備的價(jià)格及主機(jī)的年利用小時(shí)數(shù)等因素。

華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目求得的各種設(shè)計(jì)負(fù)荷值是經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、疊加后求得的值，根據(jù)這些數(shù)值及各負(fù)荷曲線，并結(jié)合詢得廠家對(duì)設(shè)備的報(bào)價(jià)，選擇2臺(tái)發(fā)電功率為3.3 MW的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為項(xiàng)目的基載主機(jī)，配2臺(tái)溴化鋰余熱機(jī)組。為了充分利用煙氣的熱量，減少排煙損失，在余熱機(jī)組后面的煙道上各增加了一套煙氣熱水換熱器，用于提供生活熱水。

3.2 主機(jī)系統(tǒng)的供能能力及效率

根據(jù)廠家資料，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率為3.349 MW，發(fā)電效率為44.4%，排煙溫度為390℃。排煙進(jìn)入余熱溴化鋰機(jī)后，煙氣的熱量被繼續(xù)回收利用，夏季溴化鋰機(jī)組的排煙溫度為160℃，冬季溴化鋰機(jī)組的排煙溫度為145℃。余熱溴化鋰機(jī)排煙進(jìn)入系統(tǒng)尾部換熱器后，可將排煙溫度進(jìn)一步降低到90℃，總的聯(lián)供效率可達(dá)87%。主機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中:主機(jī)系統(tǒng)制冷、采暖季供能占比包含供生活熱水能力;氣體流量為名義工況(Nominal Condition)流量。

3.3 調(diào)峰設(shè)備容量及臺(tái)數(shù)

當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)的供冷、供熱能力確定后，就可根據(jù)冷、熱負(fù)荷的需要及主機(jī)的供冷、供熱總能力，求出調(diào)峰設(shè)備需提供的供冷、供熱量。

華電產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目調(diào)峰設(shè)備之所以采用直燃機(jī)+電制冷機(jī)，主要是因?yàn)橹比紮C(jī)能夠一機(jī)多用，既可以在夏季用于制冷，又可以在冬季用于制熱，并能同時(shí)提供生活熱水，可以最大限度地減小能源站占地。增選2臺(tái)電制冷機(jī)，主要是為了滿足產(chǎn)業(yè)園內(nèi)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房這一不間斷特殊冷負(fù)荷的需求，同時(shí)在夏季的夜間可通過(guò)電制冷機(jī)利用非常便宜的谷電給酒店等對(duì)制冷要求較高的用戶供冷。當(dāng)出現(xiàn)極端天氣或主機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，電制冷機(jī)還可以進(jìn)行調(diào)峰。調(diào)峰設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 主機(jī)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)

表2 調(diào)峰設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)

相關(guān)計(jì)算結(jié)束后，在選擇主輔機(jī)設(shè)備時(shí)為了節(jié)省初投資，可根據(jù)各廠家提供的成型設(shè)備的容量及參數(shù)進(jìn)行選型。通常宜選擇標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)、規(guī)格的設(shè)備，且所選設(shè)備的總?cè)萘繎?yīng)不小于項(xiàng)目總的設(shè)計(jì)負(fù)荷，并考慮一定的余量(約10%)。

4 結(jié)論

由以上分析可知，分布式能源站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主、輔機(jī)的選型是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。主、輔機(jī)的選型是在對(duì)負(fù)荷綜合分析的基礎(chǔ)上完成的，既要考慮設(shè)備對(duì)季節(jié)負(fù)荷及日負(fù)荷的適應(yīng)性，又要考慮項(xiàng)目在分期建設(shè)或投產(chǎn)初期負(fù)荷不足時(shí)的適應(yīng)性。在設(shè)定主輔機(jī)容量配比時(shí)，應(yīng)盡量使主機(jī)設(shè)備承擔(dān)全部或大部分基本負(fù)荷，用相對(duì)便宜的調(diào)峰設(shè)備來(lái)承擔(dān)變化量較大的峰值負(fù)荷，在保證設(shè)備綜合運(yùn)行效率最高的同時(shí)，最大限度地降低項(xiàng)目的初投資，以提高整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

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