天然氣分布式供能系統的建筑節能應用

馬平 申能(集團)有限公司

潘軍松 上海申能能源服務有限公司

天然氣分布式供能系統的建筑節能應用

馬平 申能(集團)有限公司

潘軍松 上海申能能源服務有限公司

申能能源中心大樓位于上海市閔行區虹井路，建筑面積4.9萬m2，其中，地上建筑面積3.4萬m2，地下建筑面積1.6萬m2。申能集團公司作為大樓建設投資方積極響應上海市政府推廣分布式供能的號召，在該大樓的建設設計過程中充分貫徹了能源供應的低碳概念，采用了天然氣分布式供能（冷熱電聯供系統）等多種建筑節能利用技術。該分布式供能系統由一臺美國原裝的Capstone C200低壓型（自帶燃氣增壓機）微型燃氣輪機發電機組、兩臺日本Yazaki CH-KE4040煙氣補燃型溴化鋰冷溫水空調機組（單臺額定制冷量為141kW、額定制熱量為134kW）、配電柜、PLC自動控制柜、并網柜、系統檢測儀表、泵、閥、冷卻塔（循環冷卻水系統）等輔助設備等組成。系統發電機組的額定功率為200kW。

1 分布式供能系統

1.1 發展概況

分布式供能技術(DES)又稱作冷熱電三聯供技術(CCHP)，是指利用一種形式的一次能源同時生產冷、熱、電力三種不同形式的能量來滿足用戶用能需求的能源集成技術。DES技術被認為是目前最具經濟性的天然氣利用方式之一。與傳統的集中供能形式不同，分布式能源技術在用戶處進行三種形式能量的同時生產，可避免長距離輸送的損耗，通過能量的梯級利用，將高品質的天然氣優先做功，回收余熱后生產冷量或熱量，大大提高了一次能源利用率。對于夏季需制冷、冬季需供熱的建筑，以及空調負荷很大的車間、熱負荷較大的加熱干燥等工藝，DES系統可提供更大的供能靈活性。

由于天然氣DES系統具有很高的能源效率、經濟性和環保性能，近年來在全球范圍內已獲得越來越廣泛的應用。作為一種先進的集成能源系統，DES將熱力學上的合理性轉化為運行中的經濟性，將發電后常規系統通常排放的余熱提供給余熱回收裝置或者熱力設備，大大提高了能源效率，一次能源利用率可以高達70%～90%，而典型的集中式電站僅僅為30%～45%。

國內以天然氣為一次能源的DES技術出現于上世紀90年代。目前國內陸續建成了一批天然氣三聯供示范項目，如上海浦東國際機場、上海閔行區中心醫院、上海花園飯店、上海華夏賓館、上海仁濟醫院、廣州大學城等。

1.2 系統原理和構成

分布式供能系統主要由原動機、余熱利用設備、電氣系統、發電機控制系統、輔機控制系統、排氣系統和通風系統等組成。

（1）原動機將天然氣的化學能轉化為機械功，同時對系統余熱進行回收利用。這種先功后熱的做法可以最大限度地提高能源利用率，避免直接燃燒造成的可用能損失；從所轉化的功來看，絕大部分系統是用來驅動發電機發電，也有用來驅動制冷/制熱設備工作的。

（2）余熱利用設備包括余熱鍋爐，煙氣、熱水、蒸汽型溴化鋰機組等。余熱利用建議應用模式上優先用于熱水和采暖，后制冷，但在設備布置次序上則依次為吸收制冷機組、采暖換熱器、供熱水換熱器。

（3）排氣系統由尾氣回收器、消音器和煙囪組成。

（4）電氣系統根據發電機與電網的運行關系進行設計，主要包括保護模塊和隔離開關。

（5）通風系統由送風機和排風機組成。

運用在申能能源中心的系統發電機組采用“并網不上網”的運行模式，機組所發電力并在低壓母線上，發電機組排出的高溫煙氣進入煙氣補燃型溴化鋰空調機組經吸收利用后，冬季產生溫水進入大樓供熱系統，夏季產生冷水進入冷水系統，系統原理見圖1。

圖1 系統原理圖

2 系統試運行情況和效率測算

2.1 系統試運行情況

申能能源中心分布式功能系統從2011年1月～2011年9月進行了調試和試運行工作。1月份進行了72小時連續滿負荷的發電機可靠性測試，空調機組并未投入調試，暫時定義空調機組供熱量為134kW，即設備額定工況下的制熱量。

2.2 系統效率測算

由于環境溫度對機組發電功率影響很大，發電功率的變化又對整個系統的效率產生一定的影響。下面根據試運行的數據分別計算不同工況下的系統效率。

（1）1月份為冬季供暖期，溫度低，機組發電效率高。

輸出總量=電量+熱量=197.58+268=465.58kW

輸入總量=微燃機天然氣耗量+空調機組補燃天然氣耗量=65.17+0=65.17Nm3/h

系統效率=輸出總量/輸入總量=(465.58×860)/(65.17×8500)=72.28%。

式中，天然氣熱值取8500kcal/Nm3（下同）。

（2）5、6月份為過渡期。由于系統煙氣閥組故障，5月份，機組降負荷運行。6月份，氣溫開始上升，發電功率略有降低。

輸出總量=電量+熱量=155.23+260.27=415.5kW

輸入總量=微燃機天然氣耗量+空調機組補燃天然氣耗量=51.82+7.64=59.46Nm3/h

系統效率=輸出總量/輸入總量=(415.5×860)/(59.46×8500)=70.7%。

（3）7、8月份為夏季供冷期，正是大樓各方面負荷需求量大的時候，機組也能處于高負荷區內運行。

輸出總量=電量+冷量=162.03+270.6=432.63kW

輸入總量=微燃機天然氣耗量+空調機組補燃天然氣耗量=58.83+3.33=62.16 Nm3/h

系統效率=輸出總量/輸入總量=(432.63×860)/(62.16×8500)=70.42%。

從上述數據看出，整個系統運行還是比較穩定的。雖然發電機組功率受環境溫度影響較大，但尾部煙氣余熱得到了利用，整個系統效率不是下降很多。

（4）9月份為過渡期供冷，白天氣溫還是比較高，但與和7、8月份相比氣溫已經降低，發電功率略有增加。

輸出總量=電量+冷量=168+335.83=503.83kW

輸入總量=微燃機天然氣耗量+空調機組補燃天然氣耗量=59+9=68Nm3/h

系統效率=輸出總量/輸入總量=(503.83×860)/(68×8500)=74.96%。

從上述數據看出，空調機組的制冷量高于其他月份的。這可能是由于在供回水溫差不大的情況下，出水溫度抬升，使制冷機效率提升，隨之制冷量增加的緣故。9月份氣溫較之前有所回落，只需啟動分布式供能系統就可以滿足大樓負荷需求，實現過渡季節最優的運行模式。

以上為不同工況下的系統效率，平均下來系統的效率為72%左右。效率計算中都沒有扣除自用電部分。自用電主要是風機、冷卻水泵的耗電。夏季供冷，空調機組需要冷卻水，冷卻塔運行。由于機組設置在地下室，冷卻塔設置在裙樓頂層，冷卻水泵的揚程較大，自用電增加。扣除自用電后，系統效率會明顯下降。冬季供暖，冷卻塔停運，自用電下降。同時環境溫度下降，發電效率較高，因此系統效率高于夏季。

3 節能經濟分析

3.1 分布式功能系統經濟性分析

3.1.1 微燃機發電輸出成本價格

本系統按照冬季采暖期和夏季制冷期進行計算消耗天然氣的成本價格,根據表1中運行參數采暖期和制冷期每立方米天然氣所發電量分別為3.048kWh和2.946 kWh,按表2天然氣價格計算后發電成本分別為0.797元和0.825元。

表1 微燃機組、空調機組實際運行參數

表2 上海市天然氣銷售價格

3.1.2 分布式供能系統運行期經濟效益計算

擬投入運行時間段為每天的8：00～17：00,與發電量同等電量的價格計算如下(市電價格參照上海市發展改革委滬發改價管〔2011〕018號《關于調整上海市電網電價的通知》)：

3.1.2.1 冬季采暖期

（1）市電平均價=（峰段小時數×1.167＋平時小時數×0.714）÷9=（3×1.167＋6×0.714）÷9=0.865元

（2）日發電量輸出毛利=小時發電量×運行時間×（平均單價－發電成本價）=195×9×（0.865－0.797）=119.34元

（3）空調機吸收煙氣余熱產生熱量：

總輸出熱量=2×輸出熱量=2×150=300kW/h

能源中心大樓2t/h鍋爐：額定熱量1400kW/h，天然氣額定耗氣155m3/h

單位燃氣量制熱量=額定熱量÷天然氣額定耗氣=1400÷155=9.03kW/m3

日空調機熱量輸出毛利=總輸出熱量÷單位燃氣量制熱量×鍋爐用天然氣單價×日運行時間=300÷9.03×3.99×9=1193.02元

（4）微燃機、空調機組投入運行產生日經濟效率：

日產生總毛利=日發電量輸出毛利＋日空調機熱量輸出毛利=119.34＋1193.02=1312.36元

3.1.2.2 夏季制冷期

（1）市電平均單價=（峰段小時數×1.202＋平時小時數×0.749）÷9=（5×1.202＋4×0.749）÷9=1.00元

（2）日發電量輸出毛利=小時發電量×運行時間×（平均單價－發電成本價）=165×9×（1.00－0. 825）=259.89元

（3）空調機吸收煙氣余熱制冷量（參照基載制冷機運行參數）：

總輸出冷量=2×輸出冷量=2×140=280kW/h

能源中心大樓基載制冷機組：額定容量553kW，額定功率120 kW，小時滿負荷運行時用電量相當于120kWh

單位電量制冷量

=額定容量÷額定功率=553÷120=4.60kW/kWh日空調機冷量輸出毛利

=總輸出冷量÷單位電量制冷量×市電平均單價×日運行時間=280÷4.60×1.00×9=547.82元

（4）微燃機、空調機組投入運行日經濟效率：

日產生總毛利=日發電量輸出毛利＋日空調機冷量輸出毛利=259.89＋547.82=807.71元

4 結語

申能能源中心大樓分布式供能系統試運行一年來，系統運行穩定。根據實際運行情況發電成本比市電價格低，為了進一步優化系統運行,結合市電的價格情況,系統開啟時間為市電峰值期（8：00～15：00），系統發電機組每天發電量約1600kWh，試運行至2011年底累計發電量121870 kWh，單日平均發電量（12月為例）1770 kWh，累計供冷量為55234.89 kWh，累計供熱為906030.02 kWh。當季節性用電高峰時，能源中心大樓所申請變壓器（微燃機組并網于1#變壓器低壓400V側）基本用電負荷可能還會有缺口，這部分缺口可以由微燃機組功率輸出來填補，因此可以申請減少基本用電量、降低用電成本、避免MD超標遇罰。在今后的運行中，要充分利用三聯供發電優點結合契約電量的合理運用，在夏季用電高峰時滿負荷運行三聯供系統的基礎上降低契約電量預估申請，從而達到節約契約電費并開啟三聯供溴化鋰機組來補充供冷。

雖然在運行過程對能源合理利用和節約運行成本有很好的經濟效益,但由于該套系統引進了國外設備,前期設備投入較高,在小規模功能系統利用上仍然不夠經濟,若擴大系統發電和制冷供熱的功率，并將設備國產化以降低前期投入，天然氣分布式供能系統的運用前景將非常可觀。