北方分布式联产供能系统介绍

1、北方分布式联产供能系统介绍倪允之 1，晋宏师 2，王爱华 2，张洪伟 2，隋军 31.内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.中国电力投资集团公司，北京 100030； 3.中国科学院工程热物理研究所，北京 100080)摘要： 针对北方地区气候寒冷，冬长夏短 的特点，提出一种适合北方地区的分布式 联产供能系统方案，方案中采用了先进燃 气轮机发电技术、余热驱动的热泵技术和 分布式联产供能系统的集成技术，并采用 0 引言分布式联产供能系统因具有安全可 靠、能源效率高、环境友好、社会效益和 经济性好等特点而受到广泛重视 1-3 。分布 式冷热电联产系统是分布式联产供能系统 中前景

2、最为明朗、最具实用性和发展活力 的技术4-6。分布式联产供能系统不仅在节 能、环保、可靠性等方面具有 “第二代能源 系统”的先进性，对推进节能减排工作具有 积极的作用，还能为解决城市电力和燃气 负荷的季节峰谷问题及电网应急备用开辟 新的途径，并能展示我国电力系统结构调 整的开放性、灵活性以及实现能量优化配 置的多元化特点。近年来，美、日等发达 国家正在研究和开发以天然气为燃料的小 型或微型能源技术与分布式冷热电联产系 统共同构架的“第二代能源系统”，力图将 能源利用水平和环保标准提高到一个新的 层次。在我国，随着能源结构的调整，作为 清洁燃料的天然气在城市能源消费中的比 新型热泵技术和冷暖负荷

3、的调配措施，以 发挥系统的最大效能。关键词： 分布式联产供能；冷热电联产； 供能系统；优化配置方案例将大幅提高，而冷热电联产则是实现天 然气高效利用的先进技术。国家能源中 长期发展规划纲要中将分布式联产供能 系统列入“能源规划与节能规划”的优先 发展内容，目前分布式联产供能系统与集 中发电的有机结合是新世纪能源工业的发 展方向。高效清洁利用天然气是提高能源 利用效率、促进节能减排、应对气候变化 的重要措施。分布式能源技术可实现天然 气综合梯级利用，有利于改善天然气消费 结构、提高用户的经济效益。本文将结合北方某分布式联产供能系 统示范工程项目，介绍一种适合北方地区 的分布式联产供能系统的设计方

4、案。1 项目方案简介本项目选择北方某文化创意产业园作 为示范工程，采用分布式联产供能系统为 园区约10万m2商业建筑提供采暖、生活 热水、园区供冷以及全部电力供应 。该方 案以天然气为能源，符合北方地区气候、 资源和环境的要求，方案中选用小型高效 低污染排放的燃气轮机和高效吸收式制冷 /热泵机组，采用了先进的燃气轮机发电技 术、余热驱动的热泵技术和分布式联产供 能系统的集成技术。该项目针对北方地区 气候寒冷，冬长夏短的特点，还采用了新 型热泵技术和冷暖负荷的调配措施，冬季 以热泵方式供热，充分利用环境热源的热 量；结合燃气轮机低 NOx 排放和天然气含 硫量低的特点，通过强化余热回收和热能 的

5、梯级利用，发挥系统的最大效能，实现 天然气的综合、高效转换和利用。此外还 考虑燃气轮机、吸收式机组和压缩式机组 的形式、容量和系统形式选择等有利于能 的梯级利用的合理手段，并对系统的流程 和参数进行优化设计。1.1 设计指标 园区分布式联产供能系统方案的各项 指标为：节能率，与常规冷热电分产系 统相比，该方案的节能率在30%以上； 可靠性，由分布式冷热电联产系统及大电 网系统互补构成了电力供应双重保障，由 吸收式机组、压缩式机组、余热锅炉等实 现了供冷、供热的多级保障；环保，选 用先进的燃气轮机，其NOx排放约为15 25ppm，低于锅炉直接供热或其他动力系 统的NOx排放（约为2001000

6、ppm）。方 案强调节能，总体性能较优，对于创建节 约型社会具有现实的社会意义，可为北方 地区典型分布式联产供能系统的应用和天 然气综合利用提供参考。1.2 区域规划及其负荷情况 园区分布式联产供能系统主要为园区 的 10 万 m2 商业建筑提供采暖、 生活热水、 供冷以及全部电力供应。 园区占地约 7.8 万m2，分为商业、古风民苑、大观园等 功能区域。园区规划建设如下设施：1个标准的室内游泳馆； 1 个污水处理厂， 具有 1 套 6350m3/d 规模的中水处理设施 或地热利用项目，循环水量为 500 m3/h， 约 4 口井。根据园区开发方提供的规划资 料及建筑类型和层高，估算设计热负荷

7、指 标分别取70W/m2110W/m2,包括游泳 馆在内的总热负荷约为9.7MW，按照其中 有3万m2建筑采用集中供冷，冷负荷约 为3.6MW，园区电负荷初步估算约为 4MW。具体负荷以园区实际设计负荷为 准。分布式联产供能系统为园区冬季供热 供电，夏季供冷供电。2 工程总体方案2.1 主要设计原则园区分布式联产供能系统方案结合北 方地区的气候特点，以小型燃气轮机冷热 电联产为主要能源供应方式，突出小型燃 气轮机、热泵等单元技术及系统集成技术 在发电、回收其排气余热用于热泵供热和 制冷等方面的优势， 并依据循环经济理念， 通过一次性规划，分阶段实施（并留有扩 容能力），建设面向未来的水循环与能

8、源、 资源综合高效利用的社区新模式，为周边 和区域的负荷发展提供高效清洁的能源保 障。园区分布式联产供能系统方案在规划 和设计中遵循的原则如下：（ 1）梯级利用热能。根据“温度对口， 梯级利用”原则，对燃烧过程中产生的不 同温度区间内的热量进行不同方式的利 用，以达到能源的最合理使用，如：高温 段发电；中温段用于驱动热泵和制冷机， 从环境提取更多有用的热量；低温段直接 满足一般的用热需求；排放时尽量降低排 放温度，减少排放损失和环境污染。（ 2）综合利用传统能源、 环境能源和 水资源。作为北方新建的高档社区，园区 社区在规划和设计方案中结合北方地区的 特点，实现传统能源与环境能源、水资源 的综

9、合利用及天然气与地热、水资源的综 合互补利用， 重视绿色能源的推广、 应用。 区域内拟修建污水处理与回收设施，产生 的中水可作为景观、卫生、灌溉用水，并 为分布式联产供能系统提供低温热源和环 境热阱；结合园区建筑低密度（均为14 层）的特点，采用地热能的开发利用，实 现与中水相同的低温热源功能，且采用的 中水在区域内应达到自我平衡。（ 3）实现系统无缝连接并网运行。 将 分布式联产供能系统与市政配电网系统无 缝连接，以提升电力系统的开放性和灵活 性。（ 4）实现能源、 环境与人文的一体化 设计。在考虑园区历史、文化内涵的背景 下，实现能源技术的先进性、工程项目与 建筑规划及环境的协调性以及项目

10、与历史 文化的相容性。2.2 系统设计方案 园区分布式联产供能系统由燃气轮 机、吸收式制冷系统及压缩式与吸收式结 合的双级水源热泵等设备组成，见表 1 所 示，其工作流程如图1所示。其中：采 用了燃气轮机并网运行，以提高系统可靠 性；采用吸收式热泵与压缩式热泵联合 运行，配合中水资源的有效利用，环境温 度低时以热泵方式供热；采用吸收式制 冷机对部分区域进行集中供冷，并拟在区 域内建设冷库、制冰等项目，以提高冷负 荷，改善冷热负荷的匹配关系。园区分布式联产供能系统的运行工况如下：（ 1 ）夏季工况。 燃气轮机高温排烟进 入余热锅炉生产压力为 0.5MPa 的饱和蒸 汽，然后饱和蒸汽送入双效吸收式

11、制冷机 组，为园区供冷，部分余热用于加热游泳 池水温。（ 2）冬季工况。 燃气轮机高温排烟送 入余热锅炉生产饱和蒸汽，压缩式热泵将 温度为15 C左右的地下水热量提升到 3040 C,然后将这部分热量与饱和蒸汽 一起送入吸收式热泵机组，饱和蒸汽驱动 吸收式热泵运行，将压缩式热泵制取的热 量进一步提高的6070C为园区供热，余热锅炉的排烟进一步通过低温余热换热器 使排烟温度降低到 100 C以下再排入环 境，同时生产热水用于加热游泳池水温。(3)春秋季工况。在春秋季节，由压 缩式热泵加热游泳池水温。该方案突出可靠性、技术先进性和环 境友好型。与常规方式相比，分布式供能方案能源效率与污染物排放情况

12、将明显改 善。根据园区冷热电负荷情况，园区分布式联产供能系统设备初步选型见表 1。表1园区分布式联产供能系统设备表设备名称型号、参数燃气轮机ST40，发电功率4039kW余热锅炉0.5MPa饱和蒸汽，容量7t/h蒸汽型双效吸收式制冷机SXZ8-407DH2，制冷量 4070 kW高温级蒸汽驱动吸收式热泵制热功率7200kW低温级压缩式热泵制热功率2700kW低温换热器换热功率2500kW3技术经济分析冷的分产供能系统)的方案进行比较，并年供电量/万kWh1424为了考核园区分布式联产供能系统设 计方案，特将采用分布式联产供能系统的 本方案和采用传统分产供能系统(指从电天然气空气水源排烟采暖生活

13、热水，泳池加热电 空调图1园区分布式冷热电系统示意图 网购电一燃气锅炉米暖一电压缩式空调制 在满足相同的冷热电负荷需求时，对其技 术经济进行分析。3.1技术性能分析系统每年在2个主要时间段运行，分 别为供暖季和制冷季。系统热力性能按以 下假设条件进行估算：供暖季为180天， 平均每天满负荷运行18 h;制冷季为60 天，平均每天满负荷运行12 h;春秋季， 只有压缩式热泵运行，为游泳池加热水温 提供热量。系统的年热力性能见表 2。表2系统年热力性能项目联供系统年供热量/万 kW2916年供冷量/万 kW259年（泳池）加热量/万kW301年耗气量/万 Nm3488由表2可知，本方案年消耗天然气

14、量为488万Nm3，而由传统分产供能系统（指 从电网购电一燃气锅炉米暖一电压缩式空 调制冷）供应相同的冷热电负荷则需消耗 天然气791万Nm3,即：本方案每年可节 省天然气303万Nm3,年平均节能率达 30%以上。3.2经济性分析对园区分布式联产供能系统和传统分 产供能系统的年功能总费用进行的比较结 果见表3。表3分布式联产供能系统与传统分产供能系统的年功能总费用比较万元比较项目联产供能系统分产供能系统系统总投资2900355年折旧费用193.323.6天然气费用766.9574.6购电费用01204年总费用960.31726年供能收入13341334年利润373.7-392注：本项目预算范

15、围为分布式联产供能系统，不包括有关市政和商业投资等工程建设费用。从表3可以看出：联产供能系统总投资初 步估算为2900万元，高于传统分产供能系 统投资的355万元，因此，联产供能系统 年折旧费用也相应的高于分产供能系统； 联产供能系统能够生产电量，因此购电费 用为零，年度总费用为960.3万元/年，而 分产供能系统需要从电网买电，还需要燃 烧天然气供暖，分产供能系统的费用达到 1726万元/年，比联产供能系统多765.7万 元/年。若供能系统年收入为1334万元， 则联产供能系统的利润为373.7万元/年, 而分产供能系统则亏损392万元/年。3.3联产供能系统经济性能分析为了对园区分布式联产

16、供能系统进行 经济性能分析，对其进行的经济性估算采 用了如表4所示基础数据。初步得出分布 式联产供能系统方案的经济性能见表 5。表4基础数据数据名称数值采暖价格/元/ （m2 年-1）17.7供冷价格/元/ （m2 年-1）30供电价格元/kW- h0.761上网电价元/kW - h0.25天然气价格元/m31.57表5分布式联产供能系统方案的经济性能分析项目数值系统总投资/万元2900投资回收期/年7.7内部收益率/ %11.6图2显示了系统经济性能随系统投 资、供电价格、供热价格、供冷价格和天 然气价格变化的规律，从图2中可以看出: 投资回收期随产品价格的提高而缩短；随 系统投资的增加和天

17、然气价格的提高而延 长；电价对系统经济性的影响最大；天然 气价格对系统经济性的影响要大于系统投 资变化对系统经济性的影响。由以上分析可得出以下结论：(1) 园区分布式联产供能系统工程设 计方案具有很高的能源利用率，与传统分 产系统相比，全年节能率超过 30%。(2) 虽然联产供能系统初步总投资高 于传统分产供能系统投资，但联产供能系 统的年度总费用低于分产供能系统的年度 总费用，且联产供能系统的年利润较分产 供能系统的年利润要高的多，故分布式联 产供能系统具有较好的经济性。4结语园区分布式联产供能系统可以满足该 区域采暖、空调和电力的主要能源需求。园区分布式联产供能系统工程设计方 案针对北方地

18、区寒冷的气候特点，采用集 成燃气轮机和吸收/压缩热泵等技术的分 布式冷热电联产系统，对天然气这一清洁 能源进行综合高效利用。方案具有由分布11.010.5 :10.0 _9.5 -) 年( 期 收 回 资 投9.0 _8.5 8.0 7.5 -7.0 -式冷热电联产系统、大电网、吸收式机组、 压缩式机组等实现的多级保障供电、供冷、 ，供热的功能。系统投资变化 中供电价格变化 供热价格变化丁 供冷价格变化* 天然气价格变化分布式联产供能系统方案突出四个原 则：能的梯级利用，传统能源与环境能源、6.56.0"水资源的综合利用，系统并网运行，以及5.5 41111-10-505相对变化率（）10能源-环境-人文一体化设计。从技术上充分体现系统可靠性、技术先进性、环境图2分布式联产供能系统经济敏感性分析3.4分析结果友好性。高