燃气集团调度大楼工程热电冷联产能源岛.doc

北京燃气集团控制中心大楼热电冷联产能源岛技 术 方 案上海发电设备成套设计研究所中国能源网 www.C2001年3月5日方案编制人员： 李名远（教授级高级工程师）张时飞（高级工程师）陈 键（工程师）韩晓平（中国电机工程学会热电专业委员会新技术委员 中国能源网信息主管）范鹤海（中国能源网高级技术顾问 教授级高级工程师）1、概述：2000年由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了关于发展热电联产的规定。这是贯彻中华人民共和国节能法，实施可持续发展战略、落实环保基本国策和提高资源综合利用效率的重要行政规章。规定再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策，支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产热电冷联产项目，特别强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联产系统。目前，北京、天津等地正在积极利用陕甘宁天然气资源，上海、江苏和浙江等地正在开拓“西气东输”工程实施后的天然气市场，这些都为发展小型燃气轮机及小型燃气内燃机热电联产提供了机遇。世界各国的实践表明，发展能源梯级利用的小型热电联产是合理、高效利用天然气资源的最佳手段，对于改善环境、消化因燃料调整带来的成本增加，都是最好的解决方案之一。为响应国家关于环境保护的要求，改善首都及周边地区的大气质量，开拓天然气的合理、高效用途，拟在燃气集团调度大楼项目中，建设以天然气为燃料的燃气热电冷系统，以替代目前常规的燃气锅炉采暖和电力空调制冷系统，缓解夏季制冷用电高峰，平衡天然气利用。本项目是北京市燃气集团在天然气利用方面的一个示范工程，也是对清洁能源高效、综合利用的高科技示范工程，将为优化我国大中城市区域、楼宇供能系统和治理大气环境污染提供宝贵的经验。2、项目名称：燃气集团调度大楼热、电、冷三联供示范工程，北京煤气热力设计研究院简称为：“燃气集团调度大楼发电机房工程”。由于楼宇热电冷联产是一个相对比较独立的综合能源系统，根据国际惯例，建议称之为：“能源岛”系统（以下简称：“能源岛”）。3、项目依据：根据北京市燃气集团的要求，北京燃气热力设计院编制了一个“北京燃气集团调度大楼发电机房工程方案”。根据北京燃气集团和北京燃气热力设计院要求，我们在上述方案的基础上研究、编制了：1、 燃气轮机余热锅炉蒸汽溴化锂吸收式空调机；2、 燃气轮机余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机；3、 燃气内燃机并联型余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机三个方案。4、项目概况：燃气集团调度大楼，位于官园青年宫北侧，大楼建筑面积31800m2，地上十层，地下二层。是北京市天然气管网监控和调度中心。同时也是为使用天然气用户提供报装、报修、IC卡结算中心以及辅助办公等多功能的调度大楼。为满足本建筑的用电、冬季采暖及夏季空调制冷的需要，拟建设以天然气为燃料的燃气发电、供热、供冷三联供的示范工程。本工程能源配置的原则是“以基荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决”和电力“并网不上网”。因此燃气发电装置的功率选择，最好接近或小于大楼要求的电力。可供选择的燃气发电装置是小型燃气轮机或小型燃气内燃机。燃气轮机和燃气内燃机都是可燃用气体或液体燃料的发电动力装置，两种发电装置各有特色，燃气内燃机的发电效率较高（一般可大于35%）但热电比较小（1），而燃气轮机的发电效率相对较低（一般不超过25%）但热电比较大（大约为2到3）。5、设计依据：5.1、本工程的电、热、冷负荷根据北京建筑设计院提供的数据为极限需求，但根据北京地区的实际运行情况，以下列数据作为建议值：序号项目建筑面积指标负荷预计适用指标预计适用负荷单位M2W/ M2kWW/ M2kW1热3180090286260-7022262冷3180087276770-8025443电3180080254430-4012724生活用水31800395.4395.45.2、运行小时：预计利用时间季节单位周期天数日利用小时比例实际利用时间冬季采暖期hrs11.1-3.311511041.37%1055夏季制冷期hrs5.15-9.151231033.70%859春秋非采暖制冷期hrs4.1-5.14/9.16-10.31911024.93%636总计hrs36510100.00%25505.3、电价热价的确定：5.3.1 电网电价计算：根据北京市峰谷差电价规定，高峰为0.835元/kWh，平峰为0.502元/kWh，低谷为0.19元/kWh。预计每天有8小时在高峰用电，2小时在平峰用电。电价计算时段电价利用时间单位元/kWhhrs高峰0.8358平峰0.5022平均0.7684105.3.2 热价计算：根据北京市天然气供热采暖收费标准规定，采用天然气小型燃气锅炉采暖的收费为：项目单位数值标准热价元/M3/a35采暖周期days151hrs3624供暖标准kW/M358Kcal/M350热价元/MW166.5元/Mcal193.6采用天然气集中采暖的收费为：项目单位数值标准热价元/M3/a28采暖周期days131hrs3144供暖标准kW/M358Kcal/M350热价元/MW153.5元/Mcal178.55.4、天然气热值与单价：5.4.1、天然气热值：35169.12kJ/Nm3( 8400 kcal/Nm3 )。5.4.2、陕甘宁天然气成分及特性具体成分如下：项目单位组成数值甲烷%CH495.9494乙烷%C2H60.9075丙烷%C3H80.1367硫化氢%H2S0.0002二氧化碳%CO23.000水%H2O0.0062高位热值MJ/Nm339.0051低位热值MJ/Nm335.1597密度Kg/Nm30.7616比重0.589动力粘度U10-40.1056运动粘度V10-40.1385爆炸上限%5.10爆炸下限%15.365.4.3、天然气单价：1.4元/Nm36、装机方案：6.1、燃气轮机方案：6.1.1、根据第4条，工程根据“以基荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决”和“并网不上网” 原则，建议选用一台1000kW级发电设备，由于国内使用最多的小型燃气轮机是Solar公司的产品，资料充分，所以燃气轮机以Solar Turbines生产的Saturn20机组技术数据作为设计依据。Solar Saturn20 燃气轮机技术指标项目单位技术指标发电出力KW1177燃料耗量GJ17.45单位燃耗%24.28发电效率kJ/kWh14825.83排烟温度512.7烟气流量kg/hrs22918余热回收量KW2474热电综合效率%75.32长Mm5980宽Mm2200高Mm2180重Kg9980Saturn 20 CHP 热、电供应能力季节单位冬季夏季春秋日间平均温度02820燃机发电出力kWh117010671152平米电量w/M2373436燃机供热出力kWh23582140平米热量w/M270796.1.2、燃气轮机前置循环余热利用方案：、燃气轮机余热锅炉蒸汽溴化锂吸收式空调机方案（方案）。、 燃气轮机余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机方案（方案）。6.2、燃气内燃机方案：6.2.1、根据第4条原则，建议选用一台1000kW级发电设备。燃气内燃机以Caterpiller生产的G3516LE的燃气内燃机机组技术数据作为设计依据。Caterpiller G3516LE 燃气内燃机项目单位技术指标发电出力kW975燃料耗量GJ10.23单位燃耗kJ/kWh10130发电效率%35.54排烟温度511烟气流量kg/hrs6232缸套冷却水温度99中冷器却水温度54余热回收量kW1103热电综合效率%73.12长mm5000宽mm1900高mm2100重kg13000Caterpiller G3516LE 燃气内燃机季节单位内燃机发电出力kWh975平米电量w/M231内燃机供热出力kWh1103平米热量w/M.1、燃气内燃机前置循环余热利用方案：燃气内燃机并联型余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机方案（方案）7、燃料消耗量：7.1、燃气轮机机组天然气耗量计算结果列表如下：使用燃气轮机的供热能力可以满足楼宇的实际需求。如果需要达到设计最高值，只有方案I需要安装一台小型天然气蒸汽锅炉，作为尖峰调峰使用，也可作为夜间保温设施，以保障热力系统的安全运行。方案II，可以利用扩大余热直燃机的功率，使其达到大楼采暖、制冷的设施要求。燃气轮机天然气消耗量项目单位耗量容量kW1177单位热耗kJ14826总燃耗GJ17.45天然气热值kJ35169天然气消耗量M3/h496运行周期hrs2550年天然气耗量M3/a12652437.2、燃气内燃发电机组天然气耗量计算结果列表如下：方案III，也是利用扩大余热直燃机的功率，使其达到大楼采暖、制冷的设施要求。燃气内燃机天然气消耗量项目单位耗量容量kW975单位热耗kJ10494内燃机总燃耗GJ10.23天然气热值kJ35169内燃机天然气消耗量M3/h291补燃量GJ5.02系统总燃耗GJ15.25运行周期hrs2550年天然气耗量M3/a11057327.3、单位千瓦天然气成本：7.3.1、燃气轮机方案：燃气轮机冬季单位燃气轮机直燃机燃机发电供热(电)量KW23581170燃料消耗量GJ/h17.129.437.69 天然气热值KJ35169.12天然气耗量M3/h486.79268.19218.60天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs681.51375.47306.04设备利用时间Hrs1055季节总成本元/a718943396091322853千瓦燃料费元/kWh0.2616燃气轮机夏季单位燃气轮机燃气锅炉燃机发电供热(电)量KW21401067燃料消耗量GJ/h16.448.567.88 天然气热值KJ35169.12天然气耗量M3/h467.46243.40224.06天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs654.44340.75313.68设备利用时间Hrs859季节总成本元/a562368292815269554千瓦燃料费元/kWh0.2940燃气轮机春秋单位燃气轮机燃气锅炉燃机发电供热(电)量KW01152燃料消耗量GJ/h16.440.0016.44 天然气热值KJ35169.12天然气耗量M3/h467.460.00467.46天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs654.440.00654.44设备利用时间Hrs636季节总成本元/a4160610416061千瓦燃料费元/kWh0.56817.3.2、燃气内燃机方案：燃气内燃机冬季单位内燃机补燃直燃机内燃机发电供热(电)量kW110312552358975燃料消耗量GJ/h10.235.029.435.82 天然气热值kJ35169.12天然气耗量M3/h290.92142.74268.19165.47 天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs407.28199.83375.47231.65 设备利用时间hrs1055季节总成本元/a429657210812396091244378 千瓦燃料费元/kWh0.2376燃气内燃机夏季单位内燃机补燃直燃机内燃机发电供热(电)量kW110310372140975燃料消耗量GJ/h65.82 天然气热值kJ35169.12天然气耗量M3/h290.92117.94243.40165.47 天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs407.28165.12340.75231.65设备利用时间hrs859季节总成本元/a349985141892292815199063 千瓦燃料费元/kWh0.2376燃气内燃机春秋单位内燃机补燃直燃机内燃机发电供热(电)量kW0975燃料消耗量GJ/h10.230.0010.23天然气热值kJ35169.12天然气耗量M3/h290.920.00290.92天然气价格元/M31.4小时燃料成本元/hrs407.280.00407.28设备利用时间hrs636季节总成本元/a2589320258932千瓦燃料费元/kWh0.41778、热电冷联产系统( 能源岛 )的运行工况8.1、方案热电冷联产( 能源岛 ) 系统运行工况一览表方案 I 技术指标项目单位冬夏春秋环境条件02820动力机出力kW117010671152余热锅炉蒸汽量kg/h314335413608换热量kW223325162563蒸汽制冷量kW29008.2、方案热电冷联产(能源岛)系统运行工况一览表方案 II 技术指标项目单位冬夏春秋环境条件02820动力机出力kW117010671152直燃机换热制冷量kW269029008.3、方案热电冷联产(能源岛)系统运行工况一览表方案 III 技术指标项目单位冬夏春秋环境条件02820动力机出力kW970970970直燃机余热/补燃换热制冷量kW269029008.4 燃气轮机与燃气内燃机减工况技术性能比较：燃气轮机/燃气内燃机减功率比较项目单位100%75%50%30%燃气轮机发电kW1170877.5585351效率%24.121.418.714.12燃耗量GJ/h17.514.811.38.9平米电量W/m237281811燃气轮机供热转换量kW2430208117321497热电综合效率%74.1572.1574.0674.34平米热量W/m276655447燃气轮机制冷转换量kW22611779.51298977COP%1.271.381.491.52实际制冷量kW2871245619341485平米冷量W/m290776147燃气内燃机发电kW970728485效率%0.310.300.30燃耗量GJ/h平米电量W/m2312315燃气内燃机供热转换量kW1031838658热电综合效率%63.1165.3669.83平米热量W/m2322621燃气内燃机制冷转换量kW1031838658COP%0.9511.1实际制冷量kW979838724平米冷量W/m23126239、回收年限：9.1、工程投资估算表：序号工程项目或费用名称单位方案方案方案常规1原动机价格万美元656533万人民币539.5539.5273.92余热锅炉或辅助锅炉万人民币803蒸汽型溴化锂冷水机万人民币2004余热型-直燃溴化锂空调万人民币2502652505设备费总计万人民币819.5789.5538.92506安装费万人民币120100100407总计万人民币939.5889.5638.92908工程投资差价万人民币649.5599.5348.909.2、投资及运行成本分析比较：序号方案状况单位购电直燃机1项目燃机-锅炉-空调Saturn20+直燃G3516LE+直燃2年发电量冬季kWh123427012342701023284-123