微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)在醫(yī)院及辦公樓能源中心的實踐

上海航天能源股份有限公司 張丹 高慧峰

0 引言

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組（簡稱微燃機(jī)）是分布式供能系統(tǒng)原動機(jī)的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單、輔助系統(tǒng)少、智能化集成度高，并且無安裝環(huán)境要求，室內(nèi)室外均可，占地面積小等優(yōu)點。從實際運行來看，微燃機(jī)長時間運行穩(wěn)定可靠，優(yōu)良的變負(fù)荷性能和高品質(zhì)的電能質(zhì)量，成為將其成功應(yīng)用到分布式供能系統(tǒng)的重要因素。由于微燃機(jī)本身固有的各種特點和優(yōu)勢，微燃機(jī)作為分布式供能系統(tǒng)的原動機(jī)，必然會得到極大的推廣和應(yīng)用。本文將對微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)在醫(yī)院及辦公樓能源中心應(yīng)用的實際項目進(jìn)行介紹，以對該類系統(tǒng)優(yōu)勢進(jìn)行驗證，并總結(jié)系統(tǒng)實施的經(jīng)驗和不足。

1 醫(yī)院中微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)應(yīng)用

該醫(yī)院是松江地區(qū)一家綜合性醫(yī)院，床位總數(shù)700張。醫(yī)院現(xiàn)有四路變配電系統(tǒng)，兩臺1600kVA變壓器（TA、TB）和兩臺2000kVA變壓器（TC、TD），四臺變壓器同時使用。根據(jù)醫(yī)院2009年1月～2010年4月的用電情況分析知，TD變壓器的電流較為穩(wěn)定，平均電流大，最小電流負(fù)荷為318A，即最小電功率198kW。醫(yī)院原有供熱系統(tǒng)采用2臺傳統(tǒng)的6t燃?xì)庹魵忮仩t，利用低區(qū)和高區(qū)即熱式蒸氣-水換熱器加熱自來水以制取生活熱水分別供給低區(qū)和高區(qū)用戶使用。

1.1 系統(tǒng)概述

考慮醫(yī)院電負(fù)荷及熱水負(fù)荷會隨著季節(jié)及住院人數(shù)的變化而變化，因此其分布式供能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計：由3臺額定發(fā)電量均為65kW/臺、熱水產(chǎn)量2t/h的C65-ICHP型微燃機(jī)熱電聯(lián)供一體機(jī)模塊組成，另還包括Gas_Pack壓縮機(jī)、熱水箱、熱水泵、一套集成控制系統(tǒng)等。

1.2 供熱系統(tǒng)

三臺熱電聯(lián)供模塊產(chǎn)生的熱水儲存于儲熱水箱中，采用變頻水泵，分兩路供給低區(qū)和高區(qū)用戶使用。當(dāng)分布式供能系統(tǒng)熱水量相比用戶用量有富足時，鍋爐補水和空調(diào)回水可利用儲熱水箱部分熱量進(jìn)行預(yù)熱，充分利用廢熱資源，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的效果。新加的分布式供能系統(tǒng)不會影響原有生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)的功能，這兩個系統(tǒng)可互為備用，互為補充。

1.3 供電系統(tǒng)

由于TD變壓器上電負(fù)荷較大且較穩(wěn)定，因此將分布式供能系統(tǒng)所發(fā)電力采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”方式并接在TD變壓器的低壓端，供給醫(yī)院使用。當(dāng)醫(yī)院失電時，系統(tǒng)中微燃機(jī)將自動轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運行，保證TD下端一級電負(fù)荷需求。

集中控制系統(tǒng)對三臺熱電聯(lián)供一體機(jī)模塊進(jìn)行操控，分級按需啟停模塊來控制熱水的供應(yīng)，同時相應(yīng)的調(diào)整電力的輸出。模塊化的設(shè)計方式可以保證部分負(fù)荷運行時的高發(fā)電效率和余熱利用效率。

1.4 減排效應(yīng)

根據(jù)醫(yī)院能源特征，以每年3500h運行時間核算。本系統(tǒng)的采用全年將節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤121t。按照華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.853tCO2/MWh為參考，全年可以減排CO2239t。

1.5 安裝環(huán)境

本醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)屬原有供熱系統(tǒng)的改建工程，鑒于安裝位置及空間的限制，該工程安裝在醫(yī)院地下二層的蒸汽鍋爐房內(nèi)，以充分利用原有鍋爐房的面積和空間。鍋爐房內(nèi)溫度較高，如直接利用鍋爐房內(nèi)空氣（平均溫度40℃）進(jìn)行C65-ICHP機(jī)組的通風(fēng)散熱和燃燒進(jìn)風(fēng)，會導(dǎo)致發(fā)電功率降低20%。經(jīng)過慎重討論后，決定采用直接從室外引入新風(fēng)，利用風(fēng)道接入機(jī)組進(jìn)風(fēng)口，以保證高的發(fā)電功率。

1.6 系統(tǒng)性能

表1為醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)性能測試結(jié)果。

表1 醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)性能測試結(jié)果

由表1可見，系統(tǒng)在該工況條件下一次能源利用率73.3%，符合上海市《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》的不小于70%要求。發(fā)電效率為27.1%，符合Capstone公司出廠文件規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況條件下的29%(±2%)的指標(biāo)。

2 辦公樓能源中心微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)應(yīng)用

該辦公樓是某集團(tuán)公司位于閔行區(qū)的總部大樓，建筑面積45855m2。內(nèi)設(shè)調(diào)度中心、應(yīng)急指揮中心、生產(chǎn)管理信息中心以及配套辦公用房和其他公用設(shè)施。能源中心是由分布式供能系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)的電空調(diào)和采暖鍋爐組成的綜合性供能系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)，智能化程度高，具有一定的節(jié)能減排效應(yīng)。

2.1 系統(tǒng)概述和組成

該分布式供能系統(tǒng)主要是由一臺美國Capstone公司生產(chǎn)的C200微燃機(jī)和兩臺日本YAZAKI公司生產(chǎn)的煙氣補燃型溴化鋰制冷機(jī)（以下簡稱制冷機(jī)）組成。系統(tǒng)額定發(fā)電量190kW，額定制冷量282kW(制熱量228kW)，約占到整個能源中心相應(yīng)負(fù)荷需求的5%。

2.2 供電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的運行模式，以400V的電壓等級并入能源中心的交流母排。微燃機(jī)作為電流源，以市電為參考對象，可以自動跟蹤電網(wǎng)的電壓、頻率和相位，實現(xiàn)自同步，不需要額外添加同期裝置。

該系統(tǒng)設(shè)計有負(fù)荷跟蹤功能，微燃機(jī)可以根據(jù)用戶的負(fù)荷變化自動增加和減少輸出功率。并且微燃機(jī)的加減負(fù)荷響應(yīng)速度非常快，保證了負(fù)荷跟蹤功能的可靠性。不會出現(xiàn)負(fù)荷變化和輸出功率不同步的情況。

微燃機(jī)具有黑啟動功能，可以作為應(yīng)急機(jī)組使用。在市電失電的情況下，微燃機(jī)可以在孤網(wǎng)模式下獨立運行，滿足重要一級負(fù)荷的供電需求。

2.3 供熱系統(tǒng)

微燃機(jī)發(fā)電后排放的高溫?zé)煔猓?80℃）供制冷機(jī)使用，經(jīng)過制冷機(jī)內(nèi)部的多次熱交換之后，產(chǎn)生冷（溫）水供空調(diào)末端制冷（熱）。制冷機(jī)產(chǎn)生的冷(溫)水和其他冷源的冷(溫)水在整個空調(diào)系統(tǒng)的集、分水器中混合，由空調(diào)集控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和分配。分布式能源系統(tǒng)的制冷機(jī)只是作為整個空調(diào)系統(tǒng)的有效補充。

2.4 減排效應(yīng)

將制冷量折算成電當(dāng)量，相當(dāng)于47kW的電空調(diào)(取電空調(diào)COP為6.0)，再加上微燃機(jī)197kW的實際發(fā)電量。該分布式能源系統(tǒng)相當(dāng)于可以替代244kW 的電力供應(yīng)。根據(jù)辦公樓能源供應(yīng)的需求和特征，以每年2500小時運行時間核算。全年可替代電網(wǎng)供電610MWh。按照華東區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子0.853tCO2/MWh為參考，全年可以減排CO2154t，減排效果非常明顯。

2.5 安裝環(huán)境

該系統(tǒng)安裝于室內(nèi)地下二層，房間高度9.6m。排煙管道相對復(fù)雜。并且需要考慮新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。

2.6 系統(tǒng)性能

按照上海市《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》的施工和驗收的相關(guān)規(guī)定，該系統(tǒng)的主要設(shè)備微燃機(jī)和制冷機(jī)都順利通過了連續(xù)72h的試運行測試。表2和表3，的相應(yīng)參數(shù)為72h試運行過程中的平均值。經(jīng)過整個性能測試，發(fā)電機(jī)發(fā)電效率為30.7%，制冷機(jī)余熱回收效率為42.3%，整個分布式能源系統(tǒng)總的一次能源利用率為73%。

表2 微燃機(jī)性能測試結(jié)果

表3 制冷機(jī)性能測試結(jié)果

3 幾點體會

（1）對于醫(yī)院熱電分布式供能系統(tǒng)，不同季節(jié)，特別是冬季和夏季熱水負(fù)荷變化較大，模塊化分布式供能系統(tǒng)可以在保證滿負(fù)荷運行的前提下，適應(yīng)用戶的負(fù)荷需求，系統(tǒng)全年的一次能源利用率更高。

（2）微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)布置于用戶側(cè)，就近供能，由需求側(cè)自行管理調(diào)度，系統(tǒng)的負(fù)荷匹配至關(guān)重要，系統(tǒng)容量的選擇不能太大。否則，將會減少設(shè)備的利用率，增加設(shè)備部分負(fù)荷運行時間，降低系統(tǒng)一次能源利用率，延長系統(tǒng)投資回收期。

（3）從安裝環(huán)境來講，微燃機(jī)具有可室外和室內(nèi)安裝特點。在條件允許的情況下，建議選擇室外安裝，可以保證一個良好通風(fēng)散熱和通暢進(jìn)風(fēng)的機(jī)組運行環(huán)境，達(dá)到設(shè)計的發(fā)電功率和發(fā)電效率。如必須室內(nèi)安裝時，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度較高或通風(fēng)不暢時，則需設(shè)單獨的排煙系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)等。

（4）分布式供能系統(tǒng)涉及電力、暖通、給排水和控制等多門學(xué)科，系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度非常高。系統(tǒng)的運行維護(hù)和維修應(yīng)該由專業(yè)的系統(tǒng)提供商來完成。所以，專業(yè)的系統(tǒng)集成商要逐漸建立集中的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，做到從設(shè)計、施工到運行維護(hù)的系統(tǒng)全生命周期的全方位服務(wù)工作。并且微燃機(jī)滿足操作簡單，維護(hù)少的要求。消除用戶在運行管理方面的憂慮。

（5）基于微燃機(jī)優(yōu)秀的變負(fù)荷特性、穩(wěn)定的電能質(zhì)量和運行可靠性，分布式供能系統(tǒng)在冷、熱、電聯(lián)供的基礎(chǔ)上，可以將功能擴(kuò)展到應(yīng)急機(jī)組和不間斷電源。這樣可以取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池UPS，間接降低系統(tǒng)的總投資，提高投資回報率。將是微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)發(fā)展的新方向。