王 健

無錫華光鍋爐股份有限公司

引言

燃氣分布式能源系統(tǒng)是指以天然氣清潔能源為燃料，應用燃氣輪機、燃氣內燃機等各種熱動力發(fā)電機組和余熱利用機組的能量轉化設備，為用戶提供冷、熱、電等各種負荷需求的分布式供能系統(tǒng)。燃氣分布式供能系統(tǒng)既能實現(xiàn)能源的梯級利用，將年平均能源綜合利用率控制在70%以上，節(jié)約能源，同時由于燃氣分布式能源系統(tǒng)多采用清潔的天然氣能源，能減少污染物排放，環(huán)保效果明顯。隨著人們生活水平的提高以及對生活質量要求的提高，能源問題逐漸成為制約人類發(fā)展的重大問題［1-2］。能源消耗量的不斷增加，以及環(huán)境的日益惡化，使人們已意識到提高能源利用率和保護環(huán)境的重要性與迫切性?？紤]到實際情況，大力發(fā)展能同時提供冷能、熱能和電能的燃氣分布式能源系統(tǒng)對實現(xiàn)建設資源節(jié)約型社會具有非常重要的意義。

醫(yī)院在常規(guī)公共建筑中屬于用能大戶，其能源消耗大約是一般公共建筑的2倍，同時對供電的可靠性要求特別高［3］。燃氣分布式能源作為一種相對獨立的供能系統(tǒng)，除常規(guī)供電系統(tǒng)外，可以為醫(yī)院多提供一路可靠的電源和冷熱源，擺脫對大電網(wǎng)的依賴，增加了醫(yī)院供能的可靠性。

燃氣分布式能源系統(tǒng)最重要的因素之一，是冷熱電負荷的穩(wěn)定性，而醫(yī)院一般用能負荷較大且同時具備冷熱電負荷，最適合應用燃氣分布式能源系統(tǒng)，且適合常年運行分布式能源系統(tǒng)。

在設計燃氣分布式能源系統(tǒng)時，一般基于某一固定工況，當用戶的冷熱電負荷變化較大時，系統(tǒng)全年實際運行時低負荷時段相對較多，全年運行效率遠低于設計值。醫(yī)院負荷波動較大，因此在設計燃氣分布式能源系統(tǒng)時必須根據(jù)實際情況，綜合考慮各方面因素來確定燃氣分布式能源系統(tǒng)的配置，結合其運行工況，保證系統(tǒng)全年高效運行［4］。

本文以無錫某新建醫(yī)院為例，對其負荷需求進行分析，設計與其負荷匹配的燃氣分布式能源系統(tǒng)，并分析其運行方式及經(jīng)濟性。

1 項目負荷分析

該新建醫(yī)院為無錫某醫(yī)院的分院，建成后向醫(yī)院提供冷、熱、電三種能源，鑒于供冷與供熱的經(jīng)濟性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本項目中燃氣分布式能源系統(tǒng)主要向該醫(yī)院提供電力、熱水和蒸汽，制冷采用常規(guī)空調機組。

作為新建項目，項目冷、熱、電的負荷數(shù)據(jù)來自于前期設計資料。在設計方對建筑物進行冷熱電負荷預測和供能設備選型時，考慮到需要保證用戶在最惡劣室外溫度環(huán)境條件下的用能需求以及運行的可靠性，往往根據(jù)建筑物的最大負荷并留出一定的余量進行冷熱電設備設計選型配置。在最大負荷與設計負荷之間留有一定的設計余量。另外，因運行季節(jié)的不同，冷熱源設備的負荷也會發(fā)生變化，在最大負荷和最小負荷之間也會有較大的差距。因此，對供能用戶實際負荷的預測就顯得尤為重要[5]。

1.1 熱負荷

根據(jù)業(yè)主和設計院提供的前期設計資料，整個醫(yī)院設計總熱負荷為3 600kW，最低熱負荷為800kW，主要用于采暖（每年11月15日～3月15日供暖），部分用于每日的消毒、餐飲。衛(wèi)生用熱水采用太陽能，不足部分用蒸汽加熱。

1.2 熱水負荷

根據(jù)規(guī)范［6］，生活熱水定額按如下標準選?。横t(yī)院住院部100L/(床·d)，醫(yī)務人員90L/(人·班)，門診部10L/(人·次)。選取合理的用水人數(shù)，預測日均熱水負荷約為100t，該熱水負荷包含在醫(yī)院設計總負荷3 600kW以內。

1.3 蒸汽負荷

蒸汽主要用于醫(yī)院消毒、蒸汽加濕、廚房蒸煮和洗滌烘干等，其中蒸汽消毒主要用于醫(yī)院無菌用品的清洗、打包和消毒滅菌，蒸汽加濕主要是負責供應病房和門診大樓[7]。根據(jù)設計負荷，該醫(yī)院的蒸汽負荷約為1t/h。

1.4 空調冷負荷

根據(jù)設計資料，整個醫(yī)院的最大冷負荷為7 200kW，最低冷負荷為1 600kW，平均冷負荷為5600kW。

1.5 電負荷

根據(jù)業(yè)主和設計院的前期設計資料，醫(yī)院變壓器容量為2臺1 600kVA，最大用電負荷為2 800kW，最小用電負荷為500kW，平均用電負荷為1 500kW。醫(yī)院用電電壓等級為400V，因此發(fā)電機組并網(wǎng)點接入400V端可滿足醫(yī)院的用電電壓等級，可供醫(yī)院用電設備使用。本方案在進行燃氣分布式能源系統(tǒng)容量設計時，采用“以熱定電”原則，同時結合電力接入處變壓器的實際用電負荷（“以電定熱”）及變壓器容量等因素。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 設計原則

在進行分布式供能系統(tǒng)容量設計時，除根據(jù)“以熱定電”原則考慮用戶用熱（熱水和空調）負荷外，還要考慮電力接入處變壓器的實際用電負荷（“以電定熱”）及變壓器容量等因素。為了保證分布式供能系統(tǒng)的發(fā)電機組能長期在較高的工況下運行而不發(fā)生向電網(wǎng)倒送電的現(xiàn)象，同時又要獲得較高的經(jīng)濟效益（“熱電平衡”），因此機組的容量不宜選得過大，但也不宜過小。

供電方面，采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，由燃氣內燃機為醫(yī)院提供電負荷，不足負荷由市電提供；供冷方面，直接采用中央冷源電制冷系統(tǒng)，設備配置為：2 800kW水冷機組2臺、1 600kW水冷機組1臺。供熱方面，首先利用發(fā)電機余熱通過余熱直燃機為用戶供熱，不足部分由燃氣鍋爐提供。用戶目前總的配電容量為2×1600kVA。因此發(fā)電機組的單機容量不宜超過400kW。為保證項目的規(guī)模效益及供電的安全性，同時兼顧項目經(jīng)濟收益，保證余熱利用率，該項目總裝機容量建議不要太大，保證機組具備滿負荷運行條件。

該項目商業(yè)電價0.80元、氣價3.20元，氣電價格比為4，此值較高，因此需要選用熱、電效率高、總效率高的發(fā)電機組，充分利用一次能源和余熱，達到最高的經(jīng)濟性。本方案測算按照選用一臺德國進口MTU12V400GS熱電聯(lián)產(chǎn)機型，主要設備配置參數(shù)見表1。

表1 主要設備配置參數(shù)

當發(fā)電機容量和類型確定后，可供利用的余熱量也同時確定。制熱工況時，初步考慮用余熱鍋爐和高效板式換熱器，分別回收機組排氣和缸套水廢熱生產(chǎn)熱水。本方案為一臺熱電聯(lián)產(chǎn)機組總余熱供熱負荷454kW，余熱負荷占醫(yī)院總設計供熱負荷的12.6%，不足的部分由燃氣鍋爐補充。其系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 燃氣熱電聯(lián)供機組系統(tǒng)原理圖

當燃氣熱電聯(lián)供機組輸出制熱量無法滿足醫(yī)院采暖和熱水負荷需求時，采用燃氣熱水鍋爐進行調峰。根據(jù)上述負荷分析，考慮部分設計余量，調峰鍋爐裝機容量為一臺4t/h熱水鍋爐（折合2 800kW），實際運行時優(yōu)先考慮采用燃氣發(fā)電機組輸出的余熱量，根據(jù)實際選型后發(fā)電機組的制熱量，對本項目配置的燃氣熱水鍋爐可降低運行負荷。為滿足醫(yī)院消毒、食堂最大用蒸汽的需求，另配置1臺蒸發(fā)量為1t/h的燃氣蒸汽鍋爐（折合700kW），總的供熱能力為3 954kW，大于設計總熱負荷3 600kW，完全滿足醫(yī)院的熱需求。其系統(tǒng)原理如圖2。

圖2 分布式能源站系統(tǒng)原理圖

2.2 燃氣內燃機主要技術參數(shù)

本方案測算按照選用一臺德國進口MTU12V400GS熱電聯(lián)產(chǎn)機型，主要技術參數(shù)如表2。

表2 燃氣內燃機技術主要參數(shù)

3 運行模式

本方案只采用一臺燃氣內燃機，供熱能力454kW，占醫(yī)院總熱負荷的12.6%，最低熱負荷為供電能力357kW，占醫(yī)院總電負荷的12.75%。

由于分布式供能系統(tǒng)根據(jù)能源梯級利用原理進行設計，具有顯著地節(jié)能減排效果，且運行時間越長，其經(jīng)濟性越好。因此，對于分布式供能系統(tǒng)能夠提供的能源需求，應由分布式供能系統(tǒng)優(yōu)先提供；其供能不足部分，由其他設備（系統(tǒng)）補足，形成分布式供能系統(tǒng)優(yōu)先運行，其他供能設備作為備用和調峰的運行模式。由于分布式供能系統(tǒng)在整個能源構成比例中屬于基本負荷部分，可以始終處于較高負荷運行。

由于該醫(yī)院熱負荷主要是冬季采暖，非冬季的熱負荷由太陽能熱水系統(tǒng)及燃氣熱水鍋爐供應，而且本方案配置的機組占該醫(yī)院熱負荷和電負荷的比例較小，因此燃氣分布式能源系統(tǒng)只在冬季的時候運行，運行小時數(shù)為2 800h（11月15日至次年的3月15日），機組能夠滿負荷運行。

4 經(jīng)濟性分析

本方案機組選型相對較小，僅滿足該醫(yī)院部分熱負荷和電負荷，因此我們將燃氣分布式能源系統(tǒng)供應的熱和電與常規(guī)供能系統(tǒng)進行比較，分析采用天然氣分布式能源系統(tǒng)后降低能源消耗。

以冬季運行為例，本方案機組每小時消耗天然氣98.5Nm3，生產(chǎn)357kW電能及454kW熱能，消耗能源成本為315.2元/h。本方案中，天然氣價格3.2元/Nm3，電價0.8元/kWh，燃氣鍋爐效率90%，天然氣熱值8 300kcal/Nm3，則采用常規(guī)能源的話，生產(chǎn)357kW電能及454kW熱能需要消耗市電357kWh，天然氣52.27Nm3，消耗能源成本為452.86元/h。因此，采用本方案中的燃氣分布式能源系統(tǒng)能夠減少能源成本137.66元/h。

5 結語

醫(yī)院負荷種類較多，電、熱、冷負荷波動大，但醫(yī)院用能時間較長，采用天然氣分布式能源系統(tǒng)為醫(yī)院供能需根據(jù)醫(yī)院的負荷波動選擇合理的機組容量和運行方式[8]。

由于燃氣分布式能源系統(tǒng)裝機價格相對較高，因此需保證機組運行時間較長，在制定裝機方案時，需與醫(yī)院負荷分析數(shù)據(jù)相匹配，防止設備選型過大，無法高負荷運行，降低設備效率；針對不同時段醫(yī)院的負荷變化情況，制定合理的運行模式，可以提高系統(tǒng)的整體運行效率，降低運行成本。在合理的機組運行模式下，燃氣分布式能源系統(tǒng)可以降低醫(yī)院的用能成本，減少運營費用。