備用發電機與熱電聯產

上海電氣（集團）總公司 高 堅 高書歧

1 問題的由來

隨著科學技術的發展，一些電力用戶和用電設備，對電力供應可靠性的要求越來越高。醫院、數據中心、通訊樞紐等一些重要用戶為了保證供電的可靠性，在它們的供電系統中，除了有雙電源供電外，其內部另外設置了備用發電機，甚至有的還設置了不停電電源（U P S），以保證在緊急情況下給一些重要的場所和設備不間斷的供電。

這些備用發電機組，只有電力系統故障，供電的兩個電源都同時停電時，才緊急啟動發電。近幾年來我國的輸變電技術和設備都有了很大的發展，極大地提高了供電的可靠性，兩個電源同時故障的幾率很小。所以備用發電機啟動的機會也越來越少。有的一年甚至幾年都不用一次。盡管如此，為了在緊急關頭有電可用，一些重要的用戶還是要花上幾十萬甚至幾百萬元，去購置備用發電機，放在那里以備不時之需。雖然這些發電機平時是不動的，但是為了在緊急時能開得起來，發的出電，平時還要花費許多的人力物力去精心維護保養。所有這些都是為了能在一年或幾年中用上幾分鐘或幾十分鐘，而不得不為之的勞民傷財之舉。

2 電力供應系統現狀及分析

2.1現狀

現在我們以某大型醫院為例，就其電力供應系統進行具體分析。

當前一些大型醫院，都毫無例外的采用了這種雙電源加備用發電機的供電模式。該醫院的供電原則系統圖如圖1。

圖1 供電系統原則線路圖

其主要供電設備及其主要參數如下;

變壓器：

2 X1600 k V A 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

2 X1250 k V A 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

備用柴油發電機：

發電機1臺，燃料為柴油，發電功率1020kW，電壓380 V

2.2對現有供電系統的分析：

由圖1可以看出該系統可保證醫院用電的基本安全。但我們也不能忽視它的一些固有的問題：

1）備用發電機是以柴油作燃料的，平時必須儲備足夠的燃料，這無形中就增加了一個火警隱患點；

2）備用發電機盡管平時不用，還要花費許多人力和物力去精心維護保養，這是一筆不小的費用；

3）花費了幾十萬甚至幾百萬元購置的發電機，平時沒有發揮其應有的投資效益，只有在“等待使用”中慢慢貶值；

4）備用發電機平時是靜止的，只有在兩路供電電源都故障同時停電時，才緊急啟動。從系統停電，到備用機啟動,具備對外供電條件，至少要二十秒到幾十秒的時間。這個幾十秒的時間，對一般的用電設備而言是可以接受的。但是，對一些特殊的用電場所和設備而言，這短短幾十秒鐘的時間也是不允許的；

5）這種備用電源的投入，要經過一個切斷外界聯系，再發電供電的切換過程。在這過程當中有許多開關和設備參入其中的切換動作，恢復系統送電時還要有一個相反的過程，在這個反復的過程當中有許多設備還要受到再供電的沖擊，所以在這個反復的過程中最容易產生設備事故和系統事故。

3 目前電力供應系統的改善方案

3.1 改善方案應該考慮的幾個問題

1）盡量減少能源的品種，簡化管理；

2）應優先采用高效節能減排的新技術新設備，提高能源利用率，減少對環境的污染；

3）在醫院消耗的熱能中，熱水占了較大的份額，故在選擇設備時，應該優先考慮那些生產熱水較多的設備和系統；

4）在平時應該保證有足夠的安全的電力供應，在事故時應保證有足夠的和不間斷的應急電源。

3.2 改善方案的設備選擇

基于以上幾點，還有該醫院還設有三臺燃用天然氣的蒸汽鍋爐，考慮到運行的安全性和靈活性，所以這里選用德國MT U公司生產的，兩臺用天然氣作燃料的燃氣內燃機熱電機組，代替原來用柴油做燃料的備用發電機組。由于增加了自供電能力，因而也可相應的減少了受電變壓器的容量。

1）設備的具體參數如下：

熱電機組 2臺

型號 G C772 N 5

發電 有功功率772kW

視在功率965k V A

供熱 861kW,還有53kW400℃的熱水（合計914kW）

耗天然氣 187 m3/h (L H V=10kW/m3)

發電效率 41.3%

總效率 87.4% （若計及53kW400℃的熱水，總效率可達90.2%）

2）改善方案受電變壓器的容量選擇：

式中S— 改善方案所需受電變壓器總容量（k V A）

S1—原來受電變壓器的總容量 （k V A）

S1=2×1600 k V A+2×1250 k V A=5700 k V A

S2—改善方案新增加的自供電能力 （k V A）

S2=965 k V A×2=1930 k V A

改善方案所需的變壓器的容量S：

S=S1－S2=5700 k V A-1930 k V A=3770 k V A

據此，我們可選擇4臺1000k V A的變壓器，代替原來的4臺變壓器。主要參數如下;

變壓器：

臺數 4臺

容量 每臺1000 k V A

電壓 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

改善方案原則供電系統圖如圖2。

圖2 改善供電系統原則線路圖

我們將前面的兩個系統圖進行比較，不難發現兩者的變化不大，只是圖2比圖1多了一臺發電機。

但是，由于系統中的設備配置發生了變化，設備參數也有變化，再將發電機的運行方式由備用改為常用，使得整個系統發生了質的變化。

其一，根據醫院的需要新系統對設備的配置和參數進行了優化。增加了兩臺熱電機組，在發出1544kW電能的同時，還能供給1828kW（2×914kW）的熱能（約33 t/h溫升500 C熱水），部分的解決了醫院用熱水的問題。由于增加了自供電的能力，減少了對外來電的依賴，提高了用電的安全性。同時也相應的減少了受電變壓器的容量，這不僅減少了一次設備的投資，而且大幅度的減少了運行費。

其二，運行方式的變化。用兩臺正常運行的熱電機組，代替原來正常情況下不運行的備用發電機組。當外部供電系統故障時，只要將故障點從供電母線上斷開即可，發電機照常運行。這樣既保證了供電的不間斷，又可避免或減少在電源切換過程中可能出現的意外（很多意外事故都是在切換過程中發生的）。新增加的熱電機組所生產的電和熱，僅僅是醫院需要的一部分。為了充分發揮新機組節能環保的優勢，可以讓它們長時間的滿負荷運行，每年至少可運行7000 h。

4 改進方案的經濟效益估算

4.1 一次性的投入F1

式中F1— 包括項目一次性的設備投資，并扣除政策補貼和因設備重新組合而減少的部分設備費的綜合性的資金。

F11— 新機組設備購置費。按1萬元/kW計，不同的廠家和不同的型號，可能有較大的差別

F11=772kW×2×1萬元/kW=1544萬元

F12— 市政府為鼓勵熱電聯產推廣應用，而給使用單位的政策性的補貼，補貼數額是按照用戶安裝熱電設備的容量計算的，1000元/kW.。

F12=1000元/kW×772kW×2=154.4萬元

F13— 省去原來備用發電機的購置費。柴油發電機價格按2600元/kW計。

F13=2600元/kW×1020kW=265.2萬元

F1=F11-F12-F13=1544萬元-154.4萬元-265.2萬元=1124.4萬元

4.2 發電、節約及減排的收入

根據國家發展與改革委員會2011年的有關價格文件，華東電網調整后的電價，工商業及其他用戶，二部制未分時電價由電度電價和基本電費兩部分組成。其電度電價為0.769元/kW·h.基本電費由按變壓器容量計算的收費是27元/k V A·月；按最大需求量計算的收費是40.5元/kW·月。

1）發電收入F2

式中p— 每臺機每小時的發電量

dj— 單位電價：0.769元/kW·h

h— 年平均運行小時數，取7000h；

F2=772×2×0.769×7000=831.14（萬元）

2）節約的費用F3

（1）供熱節煤的收入F31

熱電機組在生產電能的同時，還生產了大量的熱能。用小鍋爐生產同樣的熱能所消耗的煤的價值即為供熱的節煤收入。

式中q— 單臺熱電機組每小時生產的熱量914kW

h— 年平均運行小時數取7000 h

Md— 單位轉換系數0.123k g/kW

Nl— 鍋爐的效率取0.9

mj— 標準煤價，參考年初秦皇島碼頭煤價取1000元/t。

F31=914×2×7000×0.123÷0.9×1000=174.88（萬元)

（2）變壓器容量減少所節約的費用F32

式中S1— 原方案的變壓器的容量 k V A

S2— 改善方案的變壓器容量 k V A

Bf— 按變壓器容量收費的標準 27元/k V A·月

F32={（2×1600+2×1250）-4×1000}×27×12=55.08（萬元）

（3）最大負荷減少所節約的電費F33

式中ΔP— 減少的最大負荷，即增加的自供電能力772kW

Fg— 最大負荷收費標準 40.5元/kW·月

F33=772 X 2×40.5×12=75.04(萬元)

F3=F31+F32+F33=174.88+55.08+75.04=305.00(萬元)

3）減排CO2的收入F4

CO2的減排主要由兩部分，一部分是因在發電的同時生產了大量的熱，從而節約了煤炭,減少了CO2的排放；另一部分是用天然氣發電比用煤發電而減少的CO2排放。節約的減排指標可放到碳交易平臺上進行交易。減排的收入可按下式進行測算：

式中P—熱電機組單機每小時發電量772kW

h—年平均運行小時數取7000 h

nd— 電碳轉換系數，即生產1kW電力所產生的CO2,華東地區取0.853 k g/kW

T—全年供熱節約標準煤噸數1748.8（t）

Tm— 碳轉換系數即1 t標準煤完全燃燒所產生的CO2，取2.6

Cj— CO2市場價取100元/t,(目前世界交易價15～18美元/t)

F4=（2×772×7000×0.853+1748.8×2.6）×100=137.66（萬元）

4.3 每年的總支出F5

為了簡化過程，又能說明問題，這里只考慮了幾項主要的和較大的費用。如：燃料費、折舊費、人工費、維護費等。

1)燃料費F51

式中qr— 單機每小時的耗氣量 187 m/h

h— 年運行小時數 取 7000小時

Bj— 為燃料單價。根據上海市有關文件，熱電聯產用天然氣價格為2.43元/m3.

F51=2×187×7000×2.43=636.17(萬元)

2)設備折舊費F52

折舊年限按十年計：

F52=設備費÷10=1544÷10=154.4（萬元）

3)人工費 F53

按五人，每人每年平均工資50000元

F53=50000×5=25(萬元)

4)維修及管理費F54

表1 案例計算結果

參考有關電力法規，合計取設備費的3.5%

F54=1544 X0.035=54.04(萬元)

F5=F51+F52+F53+F54=636.17+154.4+25+54.04=869.61(萬元)4.4投資回收年限N

N=（設備費-政府補貼-備用機組購置費）÷（發電收入+節約的費用+減排的收入-總支出）=F1÷(F2+F3+F4+-F5)=1124.4÷(831.14+305.00+137.61-869.61)=1124.4÷404.14=2.78（年）

各種費用計算結果匯總如表1。

5 結論及建議：

1)將供電系統中的備用發電機，用熱電聯產機組代替，運行方式由備用改為常用。這樣不僅提高了供電的安全性和供電的質量，環境友好，且還有較好的經濟效益；

2)建議有關的設計規程作必要的修改，用常用的熱電機組代替備用的發電機組；

3)政府不但要支持熱電設備的應用，要更多的鼓勵和支持設備制造商，生產更多、更好的熱電聯產設備。

參考資料

[1]金紅光 鄭丹星 徐建中 編著 分布式冷熱電聯產系統裝置及應用北京 電力出版社 2010年2月

[2]胡仰耆 楊國榮 醫院用能與節能 暖通空調2009年4期 1～4頁