分布式能源站機組選型原則

胡 波(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

分布式能源站，是指小型熱電聯(lián)產(chǎn)和熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可以大大節(jié)省輸配電設施、供熱網(wǎng)絡和制冷系統(tǒng)。

為了解決自身電網(wǎng)安全運行、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等問題，同時為了響應和貫徹國家節(jié)能減排的政策，南方電網(wǎng)有限責任公司聯(lián)合中國科學院工程熱物理研究所申報并承擔了2007年度國家863計劃“高效節(jié)能與分布式供能技術專題”中的目標導向類課題“MW 級燃氣輪機分布式冷電聯(lián)供技術集成與示范研究”。課題擬在分布式供能系統(tǒng)優(yōu)化配置與運行、控制等關鍵技術取得突破的基礎上，以佛山市供電局建筑樓群為依托，建成一個具有典型代表性的基于MW級燃氣輪機的高效天然氣電冷聯(lián)供示范系統(tǒng)。本示范系統(tǒng)的成功建設和運行將為切實推進分布式冷電聯(lián)供技術在南方地區(qū)乃至全國的應用和推廣做出實質(zhì)性貢獻。

示范工程位于廣東省佛山市供電局季華路變電站大院。院內(nèi)包括已經(jīng)建成的送電大廈(簡稱綜合樓)、試驗研究所(簡稱試驗樓)和即將建成的禪城區(qū)供電局新大樓(簡稱新樓)。聯(lián)供系統(tǒng)為上述三座辦公樓提供冷、電供應。

2 示范工程負荷需求預測

分布式冷電聯(lián)供系統(tǒng)設計的基礎和關鍵之一是對需求側(cè)的冷、電負荷進行準確的預測分析。只有負荷準確，才能恰當?shù)卦O計和選擇系統(tǒng)形式與設備容量，最終使得系統(tǒng)高效、經(jīng)濟運行。因此，負荷預測是示范工程前期的一項關鍵工作。

2.1 冷負荷及其負荷特性分析

清華大學建筑技術科學系對示范工程的全年逐時冷、電負荷進行了預測。

圖1 三棟樓逐時總冷量

由圖1可知冷負荷特性為：

(1)建筑物冷負荷變化較大。最高達3200多kW；

(2)年冷負荷分布不均勻，比較集中在3000 h至7000 h時段，即5月～10月之間；

(3)每日冷負荷集中在8點～18點，夜間負荷較低；

(4)每日冷負荷起伏較大，中午時段負荷降低約20%；

(5)周末負荷基本沒有。

2.2 電負荷

圖2 三棟樓逐時電冷量

由圖2可知電負荷特性為：

(1)每日電負荷變化較大，峰值達720kWh左右，谷值約150kWh；

(2)每日電負荷集中在8點～18點，夜間負荷較低；

(3)周末電負荷基本沒有；

(4)由于電負荷主要是設備及照明用電，全年日變化很小。

3 分布式能源站運行前提條件

嚴格意義上的分布式能源站規(guī)模應與區(qū)域內(nèi)所需電力、熱、冷等能源需要相匹配。不推薦機組過大接入電網(wǎng)，長期上網(wǎng)售電，推薦接入當?shù)嘏渚W(wǎng)系統(tǒng)，減少電力輸配環(huán)節(jié)投資。

(1)多余電力上網(wǎng)不售電，所以應本著電力盡量不盈余的原則；

(2)電力不足部分可以由外網(wǎng)補充；

(3)能源站發(fā)電加制冷成本與購買市電費用進行比較，取低者；

(4)制冷調(diào)峰設備采用電制冷設備滿足最大冷負荷需求。

4 技術方案擬定

中國科學院先進能源動力重點實驗室對11個不同容量組合的備選方案，根據(jù)燃氣輪機等關鍵設備的性能參數(shù)，編制單元數(shù)學模型。其中，燃機模型考慮了部分負荷率、環(huán)境溫度對燃氣輪機發(fā)電效率、發(fā)電出力、排煙溫度和排煙可用余熱的影響。與實際運行要求相對應，燃機、吸收式制冷機等設備模型中設置了各單元的最大和最小出力限制。然后，在滿足示范工程電、冷負荷需求的前提下，以運行成本(燃料成本+購電成本)最小為目標，以符合各設備的實際運行特性和滿足系統(tǒng)各種能流的供需平衡關系為約束，逐時進行系統(tǒng)運行優(yōu)化，進而得到整個制冷季的最小供能運行成本。以下為兩個最可行方案間的比較(天然氣價格3.05元/Nm3)：

表1 方案運行數(shù)據(jù)比較

由表1可見方案二第4臺燃機開機時間僅1491h，雖然方案二的全年發(fā)電量和制冷量高于方案二，但是由于設備投資增加，回收期也較方案一長，而且回收期隨天然氣價格增加而增加。

故示范項目最終采用3臺200kW微燃機配一臺制冷機的組合方案。

5 選型原則建議

常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)項目通常以冷定電選擇機組容量，滿足國家規(guī)定的的熱電比即可，由于發(fā)電上網(wǎng)所以對以自身能量平衡要求不高。而分布式能源站立足于就地消化自身能源，能源站的供應要與其需求達成平衡。才能實現(xiàn)高效節(jié)能、連續(xù)可靠、經(jīng)濟環(huán)保地運行。根據(jù)范項目運行經(jīng)驗，建議分布式供能系統(tǒng)機組規(guī)模選擇本著以下一些原則：

5.1 能源站選址

天然氣為一次能源的分布式能源站宜選擇負荷相對穩(wěn)定、持續(xù)、環(huán)保要求高的發(fā)達地區(qū)。這是因為穩(wěn)定的負荷可以使分布式能源站機組維持滿負荷運行，提高機組效率；持續(xù)的負荷可以保證能源站連續(xù)運行，雖然燃機起停方便，但是溴化鋰制冷設備時間常數(shù)較大，間斷運行會需要較長時間來達到要求。由于天然氣價格相對較高，環(huán)保要求高發(fā)達地區(qū)承受高電價能力強，環(huán)境指標嚴，適合于天然氣分布式能源站的建設和運行。

5.2 負荷預測和分析

必需對能源站供應范圍內(nèi)的冷、熱、電負荷需求進行預測和分析，得到相對準確的逐時數(shù)據(jù)，這是分布式能源站規(guī)模確定的重要依據(jù)。只有根據(jù)全年逐時負荷需求才能優(yōu)化機組容量和運行方式。根據(jù)負荷需求，找到持續(xù)時間較長的負荷作為額定負荷初步確定機組容量，再結(jié)合具體的邊界條件進行多方案技術經(jīng)濟指標比較。

5.3 運行時間

全年機組滿負荷運行時間也是分布式能源站的關鍵指標。比較理想的能源站滿負荷運行時間約4000h～5000h，低于3000h的能源站機組利用率較低，投資回收期長。

5.4 負荷調(diào)節(jié)手段

為適應負荷的變化，能源站應有手段進行負荷調(diào)節(jié)來保證能源供應的可靠性。外網(wǎng)電力補充是最靈活可靠的方式，但是會發(fā)生對電網(wǎng)備用的補償問題，需要出臺相應的政策來調(diào)動電網(wǎng)公司的積極性。多臺機組之間的調(diào)節(jié)也非常靈活，但也不宜機組太多使得系統(tǒng)復雜，一般母管制控制在4臺機組以內(nèi)。

另外補燃也是一種有效調(diào)節(jié)手段，但是由于經(jīng)濟性相對較差不宜大規(guī)模長期采用，可作為短期調(diào)峰和應急。

5.5 經(jīng)濟最優(yōu)運行方式

選型階段采用了集成優(yōu)化方法，在運行階段也應根據(jù)能源站實際選擇的設備性能、天然氣價格、購電、售電價格等邊界條件運用全工況性能的優(yōu)化運行方法，從而真正提高對分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟和能源利用效率。

優(yōu)化運行方案應具有燃機與熱回收設備之間自動調(diào)節(jié)功能，應具有對用戶冷電負荷變化的自動調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)應具有與用戶建筑物管理系統(tǒng)(BMS)之間通訊功能，以實現(xiàn)分布式供能系統(tǒng)最大熱電效率與最佳持續(xù)運行。

6 結(jié)語

隨著分布式能源技術的不斷提高，分布式能源系統(tǒng)具有的能源綜合利用效率高、污染少和運營方式靈活等優(yōu)點逐步顯現(xiàn)，目前分布式能源系統(tǒng)正逐步成為現(xiàn)代能源供應體系的重要組成部分。國家能源局文件[2010]94號《發(fā)展天然氣分布式發(fā)電的指導意見》指出到2011年，擬建設1000個天然氣分布式發(fā)電示范項目。

我國已投運分布式能源站運行小過不理想的一個主要原因是容量配置偏大，這其中有負荷預測不準原因，也有選擇額定負荷不當?shù)脑?。分布式能源站機組選型不能完全按照以冷定電原則，還要綜合考慮區(qū)域多種能源需求和供應的平衡。

[1]中國科學院先進能源動力重點實驗室.示范工程總體技術方案研究報告[R]，2008.

[2]清華大學建筑科學系.佛山供電大樓負荷預測研究報告[R]，2008.