燃气冷热电联供分布式能源系统合理配置研究.pdf

第 3 6卷 第9期 2 0 1 4年 9月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y V0 1 36 No 9 S e p 2 01 4 燃气冷热 电联供 分布 式能源 系统合理 配置研究 陈霖新 ( 中国电子工程设计院， 北京1 0 0 1 4 2 ) 摘要： 为使燃气冷热电联供分布式能源系统( D E S C C H P ) 建成后达到预期 目标， 真正降低一次能耗， 较好地提高能源利 用效率， 并获得明显经济效益， 对合理配置 D E S C C H P及设备， 提高节能和经济效益的途径进行分析， 提出了具体建议。 关键词： 分布式能源； 燃气冷热电联供 ； 运行模式； 合理配置 中图分类号 ： T K 0 1 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 o 6 4一 o 4 0 引言 在我 国天然气供应 日益增多的情况下 ， 面对我 国节能减排的严峻形势 ， 为提高能源利用效率 ， 促进 结构调整和节能减排 ， 推动天然气分布式能源有序 发展 ， 国家 相关 部委 于 2 0 1 1年 1 0月 以发 改能 源 ( 2 0 1 1 2 1 9 6号文发布 关于发展天然气分布式能源 的指导意见 ， 文件指 出： “ 应 以提高能源综合利用 效率为首要 目标 ， 重点在能源负荷中心建设 区域分 布式能源系统和楼宇分布式能源系统 ， 包括城市工 业园区、 旅游集中服务 区、 生态 园区、 大型商业设施 等” 。国家电网公司也发布了 关 于做好分 布式电 源并网服务工作的意见 ， 文件指 出： “ 所称 分布式 能源是指位于用户 附近， 所 发电能 就地利用 ， 以 1 0 k V及以下 电压等级接人电网， 且单个并 网点 总装机 容量不超过 6M W 的发电项 目” 。“ 建于用户内部场 所 的分布式 电源项 目， 发电量可以全部上 网、 全部 自 用或 自发 自用余 电上网， 由用户选择 ， 用户不足电量 由电网提供 。上、 下网电量分开结算 ， 电价执行 国家 相关政策。 ” 从 以上引述可见 ， 我 国政府及相关部 门已对燃 气分布式能源系统制定 、 发布了明确 的支持、 指导和 服务工作意见 ， 为我国燃气分布式能源系统 的推广 应用创造了 良好的条件。燃气冷、 热 、 电联供分布式 能 源 系 统 D E S C C H P( D i s t r i b u t e d E n e r gy S y s t e m C o m b i n e d C o l d ， H e a t a n d P o w e r ) 是我 国发展分布式 能源系统的优 良方式 ， 它是从 一次能源天然气转换 到终端用户应用 的全过程科学用能系统 ， 能够实现 “ 分配得 当、 各得其所 、 温度对 口、 梯级利用” 科学用 能思想 ， 提 高一次 能源利用率 ； 由于 D E S C C H P具 有分布式能源系统 的所有特点 ， 它建设在能源终端 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 61 0 ； 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 7 基金项 目： 华 电工程科技基金 资助 ( C H E C K J 4 1 3 ) 用户的建筑物 内或其邻近处 ， 近距离的冷 、 热 、 电供 应减少了输能管线 的能量损失和建设投资 ； 它可针 对各类终端用户的冷热电负荷特点 、 使用状况 ， 进行 认真统计 、 分析 ， 采用优化集成燃气发 电技术 ， 各种 制冷 、 蓄冷、 蓄热技术及热泵技术等， 做到夏季供冷 、 冬季供热， 可使燃气发电装置 的年运行小 时数达到 5 0 0 0 h左右 ， 运行经济 、 降低运行费用 ； 环境友好 ， 采 用冷热电联供 比常规分供的综合能耗降低 ， 可相应 降低温室气体的排放量 ； D E S C C H P夏季发 电并 同 时供冷、 冬季发 电并 同时供热 ， 在许多地 区将会有利 于电网和燃气供应的削峰填谷。目前 ， 各地区 、 各相 关园区、 企业和规划设计部 门都十分关注燃气冷热 电联供分布能源系统的建设， 如何才 能使 D E S C C H P建造后达到减少一 次能源消耗 、 较大 幅度地 提高能源利用率的预期 ， 并得到显著的经济效益 ， 是 拟采用 D E S C C H P系统 的决策者和规划设计人员 十分关心的问题 。本文对合理配置燃气冷热电联供 分布式能源系统 ， 提高节能和经济效益的相关 问题 进行 研 究 。 1 能源站计算负荷与运行模式 燃气冷热 电联供分布式能源系统的特点之一是 设在用户终端 ， D E S C C HP能源站的建设规模 、 年一 次能源消耗量 、 技术经济比较等主要依据供应范 围 内建筑物或建筑群的冷 、 热 、 电负荷及其变化情况 ， 既应按各类用户不同功能 区环境参数要求计算冷 、 热 、 电负荷 ， 又应按使用情况和室外环境参数 的变化 计算或绘制不同季节的负荷 曲线 ， 包括供热季 、 供冷 季和过渡季的连续负荷 曲线和典 型 日负荷 曲线 ， 某 办公楼和某大厦的典型 日负荷曲线如 图 1图 4所 示。同时， 应计算供应范围内总的冷、 热 、 电负荷 ， 并 计入“ 同时使用系数” ， 该 系数通常应小于 1 0 。这 样得到的 D E S C C H P能源站供 应范 围内的冷 、 热 、 电汇总计算负荷才能比较接近投入运行后的实际需 第 9期 陈霖新 ： 燃气冷热电联供分布式能源系统合理配置研究 6 5 求情况 ， 不能简单地采用建筑群或建筑物工程设计 的冷 、 热 、 电负荷 ， 避免 D E S C C H P设备配置不当或 某些设备能力偏大而不能实现经济运行 ， 甚至运行 困难 ； 避免燃气发 电装置余热不能充分利用而达不 到预期节能 目标 ； 投人运行后 的燃气发 电装置可做 到充分发挥发电能力 ， 发 电机组可长期处于满负荷 或较高负荷运行， 提高全年节能和经济效益。 图1 某办公楼典型日冷负荷曲线( 供冷期) 2 2 2 堇 蓑- 图 2 某办公楼典型 日热 负荷 曲线 ( 供暖期 ) 0 0 ： 0 0 0 4 ：0 0 0 8 ： 0 0 1 2 ：0 o 1 6 ： o 0 2 0 ： 0 0 2 4 ：0 0 时间 图 3某大厦典 型 日电力负荷 曲线 D E S C C HP的运行模式 ， 其一是运行 时间的制 定 ， 包括年运行 天数、 供冷季 供热季 过渡季或月 周运行 天数 和每 天 的运 行小 时 数 ， 在 规划 、 设 计 D E S C C H P时应实事求是地按用户冷热电负荷特点 确定全年的运行小 时数及其分布情况 ， 这是关 系到 能否真正做到节能减排和经济运行的基本条件； 其 图 4某大 厦典型 日电力负荷 曲线 二是能源站生产电力的出路 ， 在 自发 自用 、 自发 自用 余电上网、 并网售电、 并网不售电等方式中， 推荐采 用并 网不售电的 自发 自用方式 ， 并在城市电网的低 谷时段不发电并从 电网购电， 既降低运行成本 ， 又利 于城市削峰填谷。 根据气候变化特点 ， 我 国分为严寒地区、 寒冷地 区、 夏热冬冷地 区、 夏热冬暖地区等， 为确保室 内所 需的舒适环境 ， 各地区各类建筑对供热、 供冷的需求 差异较明显。寒冷地 区既要求冬季供热 ， 又需要夏 季供冷 ， 且需较长 的供热、 供冷时间， 由于这些地 区 供冷 、 供热季不同时 日的昼夜温度变化较大， 所 以每 天的负荷都在变化 。在夏热冬冷地区虽然冬季也需 供热 ， 但热负荷较低 ， 夏季需供冷 ， 其冷负荷较大且 供冷时问较长。夏热冬暖地 区主要是要求供冷 ， 其 冷负荷较大且供冷 时问可能长达 1 0个月 ， 但在夏 季 、 过渡季甚至是冬季 ， 所需冷负荷也是随环境和使 用功能不断变化 的。冷 、 热 负荷 的变化直接影 响到 D E S C C H P的运行状态 ， 影响燃气 发电机组 的运行 小时数和负荷率， 最终影响到节能减排的实际效果 和经济效益 ， 所以在进行能源站的规划 、 设计时必须 准确地确定运行模式 。一些工程项 目实际运行情况 表明 ， D E S C C H P年运行时间不宜少于 3 0 0 0 h ， 每天 的运行时间宜为 l 01 8 h ， 在城市 电网的低谷时段 不宜运行 ， 以利于城市电网供电系统削峰填谷。 鉴于我 国电力生产是 以煤 电为主 ， 我 国燃煤 、 燃 气 的价格差异在较长时期内将不会有大的改变 ， 所 以燃气发电的成本难 以与燃煤发 电成本竞争 ， 劣势 短期内不会改变 。D E S C C H P能源站建设在用户终 端 ， 具备实现 “ 并 网不 售电” 的可能 ， 燃 气发电量全 部“ 自发 自用” ， 并且保持能源站生产 电力始终低于 供应范围内实际使用 电力 ， 总是要从城市电网购入 部分电能 ， 这样既可减少使用城市电网的电费支 出 获得较好的经济效益 ， 又可通过 D E S C C H P设备 的 合理配置 ， 确保用户端的可靠供电。 目前 ， 国外一些 公共建筑采用这种运行模式使 D E S C C H P获得了 较好的节能和经济效益 。 6 6 华 电技 术 第 3 6卷 2 合理进行燃气冷热 电联供 系统及设备配置 2 1 燃气发电机组的类型及能力 燃气发 电机组是 D E S C C HP的核心设备 ， 其类 型选择恰 当与否直接 关系运行 的经济 性 、 可靠 性。 目前 ， 国内外广泛采用小型或微型燃气轮机 、 内燃机 等 ， 这些机组各具特点和优势 ， 应根据应用项 目的条 件、 规模、 冷热电负荷及使用特点等因素认真分析、 核算 、 比较之后选定 。不 同燃气发电装置 的特性见 表 1 。 燃气发 电机组 的选用一般应考虑下列因素 ： 一 是机组的发电效率 ， 一些项 目前期研究表明， 发电效 率提高一个百分点 ， D E S C C H P的综合经济效益可 能提高 1 2 ； 二是所需燃气供应压力 ， 我国城 镇燃气在末端用户处常为 0 4 M P a的中压或低压 管网， 只有在城镇燃气主管或干管邻近处才有 I0 8 MP a的次高压或高压燃气管网， 若建设场所燃气压 力不能满足小型燃气轮机需要 ， 需增设燃气压缩机 进行增压 ， 将增加投资和运行费用 ； 三是设备寿命和 运行维护工作量， 小型、 微型燃气轮机使用寿命长 、 运行维护工作量少 ， 而燃气 内燃机需要 日常维修和 定期维修， 每年要支付一定的维修费用或停机维修； 小型 、 微型燃气轮机和内燃机的设备费用不同， 通常 燃气 内燃机单位发电能力的设备价格较低 。 D E S C C H P能源站 的电力供应计算负荷是选择 燃气发 电机组发电能力 和台数的主要依据。 目前 ， 国内外 D E S C C H P应用 中燃气发电机组通常选用 2 台或 2台以上 ， 由于工程项 目的具体条件和使 用要 求不同， 也有设置多台发 电机组 的能源站 。如西班 牙马德里机场在 2 0 0 5年投入运行 的 D E S C C H P能 源站设置 6台 6 MW 燃气 内燃发 电机组 ； 伦敦某 电 子公司集成 电路工厂 的 D E S C C H P能源站， 采用 8 台 5 MW 的燃气 内燃发电机组 ， 且采用 凡+2的机组 电， 若能源站供应范围内有供冷需求 ， 应设置 电制冷 机并 由电网供 电制冷 ； 在能源站选择的燃机发 电能 力下 ， 燃气发 电装置的余热制冷不能满足夏季冷负 荷需求时， 一般可采用普通燃气直燃机制冷 ， 在燃气 发电机组或排气出 口补燃增加制冷量 ， 电制冷机制 冷等方式 。国内外 D E S C C H P能源站的实践表明 ， 采用电制冷机制冷补充“ 不 足冷量” 是节能减排和 经济运行的优 良方式。图 5是 D E S C C H P采用 电 制冷与吸收式制冷不 同比例时节能率 的变化 曲线 ， 该曲线是 以城市电网发电效率为 5 5 ( 此发 电效率 是按燃气蒸汽联合循环机组计 ， 实际上我 国各城市 电网的发电效率一般在 4 0 左右 ) 、 电网输配效率 为 9 0 、 电制冷机 的制冷性能系数( C O P ) 为 5 0、 余 热吸收式制冷机 的 C O P为 1 2进行绘制 的。从图 中曲线可见 ， 采用燃气轮发电机组 ( r = 7 8 ) 时， 若 余热吸收式制冷机制冷量小于或等于 9 2 ， 其供冷 期的节能率为 4 6 2 ； 采用燃气 内燃发 电机组 ( 7 7 = 8 2 ) 时， 各种配 比在供冷期都是节能的 ； 当电 制冷机供 冷量 大于 5 0 后 ， 其节能 率均在 4 0 以 上 ， 因此在 D E S C C H P中的“ 不足冷量” 推荐采用 电 制冷机供给。 图 5 不 I司制冷机 配置方式的节能率 在 D E S C C H 中配置热泵 ， 节能减排效果更加 显著。利用 已经配置的电制冷机 ， 根据具体项 目的 条件 ， 经过技术、 经济 比较可采用不同类 型热泵 ， 如 水源热泵( 地下水 、 地表水 、 污水或 中水 等) 、 土壤换 热器( 地埋管等) 以及其他形式的热源， 获得 4 0 6 0 c lC 热水供应采暖、 空调和生活用热水 ， 一般可提高一 配置方式 ， 确保不问断供电。 次能源利用率 5 以上 ， 节能减 排效 果十分 明显。 2 2 电制冷机和热泵的配置 新建北京火车南 站的 D E S C C H P能源站 即采用污 D E S C C H P能源站 在城市 电 网低 谷时段 不发 水源热泵 ， 供应南站暖通空调热水。 表 1 不同燃气 发电装置的特性 第9期 陈霖新 ： 燃气冷热 电联供分布式能源系统合理配置研 究 6 7 2 3 燃气冷热电联供分布式能源系统的运行案例 D E S C C H P在国内外都有一些实际运行案例。 2 0世纪 8 O年代 以来 ， 美 国、 欧洲 、 日本等均建设 了 一 批 D E S C C H P， 取得 了很好 的节能和经 济效益。 如美 国佛 罗里达州奥兰多 ( o r l a n d o ) 迪 斯尼乐 园的 燃气冷热 电联供能源站 ， 装设 2套 6 0 MW 的燃气轮 机发电装置 +余热锅炉 + 蒸汽吸收式制冷机 +电制 冷机 +烟气 水换热器 ， 供应游乐园区约 5 k m 范围 内各种建筑物 ( 含数座五星级宾馆等) 的空 调用冷 冻水 、 生活热水和部分电力 ， 能源站的全年效率可达 8 0 左右， 具有很好的节能和经济效益 ， 并 已运行多 年 。英国某微电子工厂 ， 在厂区内设有燃气 内燃机 发 电装置的燃气冷热 电联供能源站 ， 根据需要采用 了 凡+ 2配置 ， 设置 了 8台 5 M W 的燃气内燃机发 电 装置 ， 正常运行 6台； 发电装置排出的烟气和缸套水 等余热经吸收式制冷机得到的冷冻水与电制冷机得 到的冷冻水一起供应净化空调系统和供应关键生产 设备等的连续供电。该能源站运 行多年 ， 并在工厂 扩建 中再次进行扩大。 广州大学城 D E S C C H P项 目于 2 0 0 9年 1 O月 建成并试运行 ， 2 0 1 0年暑期开始供冷。该能源站设 有 2套 7 8 MW 的燃气 一蒸汽联合循环发 电机组 ， 排 出的 5 0 0 o C烟气至余热锅炉产生 4 0 MP a的过热蒸 汽送至汽轮机发电装置； 余热锅炉排出的烟气经烟 气 水换热器降温后排放 ， 换热得到 的 6 0热水与 汽轮机凝汽器的冷凝潜热获得的热水汇合后供应大 学城的生活热水 ； 广州大学城区域供冷 系统 的总供 冷能力为 1 1万 t ， 由设在能源站内蒸 汽吸收式制冷 站和 3个由能源站直接供应 电力的电制冷 蓄冷供 冷站组成。上海浦东 国际机场燃气冷热电联供能源 中心于 2 0 0 0年投入运行 ， 设有 1台 4 MW 的燃气轮 发 电装置 +余热锅炉( 约 1 1 t h )+蒸汽吸收式制冷 机( 4台 1 5 0 0R T )+电制冷机 ( 4台 40 0 0R T+ 2台 7 2 0 0 R T )+燃气锅炉。夏 季燃 气发 电装置 的高 温 烟气经余热锅 炉生产的蒸汽与燃气锅 炉生产 的蒸 汽 ， 由吸收式制冷供应机场空调用冷 ， 不足冷量由电 制冷机补充 ， 生产 电力除供能源站 自身使用外还供 临近用电设备使用 ， 该能源站运行多年， 经济 、 社会 效益明显。成都新希望集 团的冷热 电联供分布式能 源站已投入运行多年 ， 设有 8台 5 0 0 k W 燃气内燃机 和2台吸收式制冷机， 供应一座五星级宾馆和部分 写字楼用冷和部分电力 ， 节能和经济效益显著。长 沙黄花机场燃 气冷热电联供 分布式能源站于 2 0 1 2 年投人运行， 设有 2台约 8 5 0 k W 燃气 内燃发电机和 吸收式制冷机 、 电制冷机等 ， 承担该机场 3号航站楼 的供冷 、 供热 、 生活热水和部分 电力供应 ， 投入运行 后其节能和经济效益良好 。 3 结束语 ( 1 ) 燃气冷热电联供分布式能源系统是分布式 能源系统 的优 良方式 ， 也是我 国大力提倡的节能减 排有效措施 ， 各类园区、 公共建筑和建筑群建设 中积 极贯彻 关 于发展天然气分布式能源的指导意见， 大力发展燃气冷热 电联供分布式能源系统 ， 提高一 次能源利用率 ， 达到节能减排的目标。 ( 2 ) 冷热电联供 的冷热电计算负荷不能简单地 采用建筑物工程设计数据， 应该结合工程项 目的具 体情况准确地计算年、 季( 月) 、 日、 时冷热电负荷