燃氣分布式供能節能率計算標準研究

虞正發 馮云崗

1 背景

隨著城市化進程的不斷發展，能源、環境問題不斷突出，工業和建筑用戶冷熱電需求不斷增長，現有的供能負荷變化范圍將不斷擴大，供能模式將隨之改善。常規的單一功能模式——冷、熱、電分別獨立生產與供應存在著較多的不足；集中大規模單一發電，難以實現梯級利用；高品位電制低品位冷；高品位燃料制低品位熱，能源利用效率比較低。因此，為了滿足區域能源的不規律增長，增強能源從高品位能到低品位能的梯級利用以及提高供能利用效率，發展新型的節能減排新的功能模式勢在必行。分布式供能系統是典型的小型、臨近用戶、冷熱電聯產的供能系統，其過程為：燃料化學能首先進入原動機發電，產生的煙氣進入余熱回收裝置，產生的冷和熱提供給工業與建筑用戶。這個概念早在1978年美國公共事業管理政策法公布后就正式在美國推廣，然后被其它先進國家接受的。該系統有很高的環保優勢，相對于大電網來說，供能的可靠性比較高，可以應對大電網突發事件，實現電力調峰，形成互補的作用；其次，對能源進行了有效的梯級利用，系統先產生高品位電能，隨之利用余熱廢熱生產低品位冷與熱，實現冷熱電三聯供；煙氣余熱充分利用，能源利用效率顯著提高，既控制了排煙溫度，又實現了低溫廢熱利用，所以分布式功能和大規模集中功能的有機結合，被稱為未來能源系統的發展方向。

分布式供能對燃料的化學能，釋放的高溫、中溫、低溫不同品位的能源持續梯級利用模式，相對于分產利用實現了能的綜合梯級利用，節能效果明顯。當前分布式供能系統在國家科技發展規劃中也是處于很重要的地位，并且各地方政府也都在制定相關發展規劃，包括國家能源局綠色能源縣分布式供能計劃。

目前，上海市已有十多個分布式供能系統投入運行，其中不乏運行良好的例子，尤其是在節能減排方面均有比較好的成效。但由于分布式供能系統與分散供電、供熱之間目前還沒有統一的能耗差值計算方法，使得用不同計算方法得出的節能率相差較大，不能很好的體現分布式供能系統在節能方面的優越性。因此通過本課題研究，以達到統一的節能率計算標準。

2 國內節能計算

2.1 一次能源節約率

參政文獻[1]提到一次能源節約率是指分產所得冷熱電所耗一次能源與聯產所得冷熱電所耗一次能源的差值與分產所得冷熱電所耗一次能源的比值。以冷熱電聯供系統和分產系統都產生等量的熱量、冷量、電量為前提，求出它們消耗的總的一次能源，進而求出一次能源節約率PES(primaryenergysaving)。

式中，QCCHP——三聯供總的一次能源消耗量，J；

HSUP——分產系統和聯供系統等量的可用熱能，J；

CCUP——分產系統和聯供系統等量的可用冷量，J；

ESUP——分產系統和聯供系統等量的可用電量，J；

PERe(CCHP）——可用電量占聯供系統總一次能源消耗的比例，%；

PERC(CCHP）——可用冷量占聯供系統總一次能源消耗的比例，%；

PERH(CCHP）——可用熱量占聯供系統總一次能源消耗的比例，%；

ηe——電網發電效率，%；

ηb——鍋爐效率，%；

COPCRSηb——制冷性能系數。

若PES＞0，表示冷熱電聯供系統比分產系統節能；若PES＜0則表示冷熱電聯供不節能。同時PES值的大小可以反映出節能的程度。該方法從熱力學第一定律建立數學模型，對冷熱電聯供系統的節能性進行分析研究，分析分布式冷熱電聯供的節能條件和節能率的特點，反映了冷熱電聯供系統相對于壓縮式制冷的分產系統的節能效果。

2.2 節煤量

參政文獻[2～4]采用節煤量來衡量分布式三聯供系統相對于分產系統的節能特性。節煤量表示聯產系統所耗一次能源煤量與分產系統所耗一次能源煤量的差值。該系統比較模型為：分布式能源冷熱電聯產系統與區域鍋爐房供熱、凝汽式電廠發電及壓縮式制冷機組合的系統相比較。在供熱量、制冷量及供電量相同的條件下，節煤量的表達式為：

式中，△B——節煤量，kgce/h；

Qc——制冷量，kW；

nL——壓縮式制冷機的制冷電耗，kW電耗/kW制冷量； ，

nx——溴化鋰吸收式制冷機的電耗，kW電耗/kW制冷量；

W——供熱式機組的發電量，kW；

ε——熱電廠用電率；

b——電網供電煤耗，kgce/kWh；

Qha——供熱式機組的供熱量，GJ/h；

ηb（d）——區域鍋爐房鍋爐效率；

ηp（d）——供熱管道效率；

B——供熱式機組的耗煤量，kgce/h；

節煤量建立在熱力學第一定律的基礎之上，其實質是按熱量法來分配總熱耗量，計算簡單、直觀、明確。

3 國外節能計算

3.1 日本計算方法

日本從1980年開始推廣熱電聯產項目，迄2004年底，共建9710個項目，合計發電功率7782MW(包括燃油、燃氣項目)，約占日本發電設備總容量的2.5%；其中燃氣的4651項、發電功率3065MW，分別占47.9%和39.4%。包括工業項目1087項、發電功率2238MW和民用商業項目3564項、發電功率827MW，分別占總量的23.4%、73.0%及76.6%、27.0%。按原動機類型進行分類，燃氣輪機共1228臺，發電容量3617MW，占12.6%、46.5%；柴油機4212臺，發電容量3048MW占43.4%、39.2%；燃氣內燃機4262臺，發電容量1187MW，占43.4%、15.3%；其他8臺，發電容量31MW。從上可見，日本燃油柴油機的數量還不少，但大多是早期投產的，目前已經陸續進入退役期，也有部分作為備用，年運行小時逐步下降。從發展趨勢看，分布式供能系統的主力原動機是燃氣輪機和燃氣內燃機[5]。

新時代完善企業干部考核評價體系的研究——以廣西電網有限責任公司為例 …………………………………… 楊 威（5/32）

《日本三聯供設計手冊》通過比較年常規和熱電聯產系統的主要能源消費量來評價節能效果，可以認為是熱電聯產的整體效果在一個單一的建筑節能和余熱回收裝置的指標。典型的節能指標顯示如下：

熱電聯產裝置評價效率

發電機負荷因子

節能率

熱電聯產裝置評價效率，輸出的發電量與余熱利用量除以輸入的燃料熱量，設計效率應大于60%。熱電聯產依存度（電力）該指標顯示了熱電聯產在建筑物年電力需求量中所占比重。

同樣，熱電聯產依存度（熱）也是如此，該指標顯示了熱電聯產余熱回收量在熱需求量中所占比重。熱電聯產的依存度要大于各單個設備的值，不犧牲余熱以提高設備利用率是設計的重點。

發電機負荷因子，是發電裝置在一個時間段內的平均運行指標，要避免在低負荷運行引起的效率下降，要合理設計運行制度以增加發電機的負荷因子。

發電機效率、余熱回收效率來評價年平均能效，長時間的低負荷運行，發電機組的效率比額定值低。

余熱利用效率，熱電聯產系統的余熱回收比率是用來衡量次級余熱利用的狀況，該指標應盡可能的高，以提高節能效果和經濟性，臺數和運行策略是設計的重點。

表3-1 日本計算案例

節能效率用來比對一次能源利用的狀況，考慮到電廠的發電效率和電力公司的傳輸效率，到用戶端的綜合效率為36.6%（HHV——高熱值）（供電煤耗為9830kJ/kWh）。但是為了進行有區別的評估劃分為日間和夜間，日間（8點～22點）用電端的受電效率為35.8%（HHV——高熱值）（供電煤耗為10050kJ/kWh）；夜間（22點～8點）為38.7%（供電煤耗為9310kJ/kWh）。應該指出，如果多余電力反向供給公共電網。

該方法依賴于日本對不同用能系統的統計資料，對中國的適應性較差。

3.2 歐洲計算方法

在歐洲，自1973年能源危機之后，企業就積極進行各種活動，希望在節能方面為自己的傳統產品找到替代市場。在1978至1984年間，市場的巨大動力推動著熱電聯產技術在住宅和服務行業的應用。英國第一次嘗試區域供熱是1742年，至今英國有500處以上小型熱電站(小于1MWe)，目前主要應用于娛樂中心、游泳池、醫院、賓館、收容所、機場、學校和小型工業等場所。除了小型熱電站以外，英國還不斷利用容量在1—10MWe的中型熱電聯產系統。在Cyanamid，采用往復式發動機供電3.5MWe，同時供應蒸汽。在醫院和小型工廠是適合于安裝燃氣輪機熱電聯產系統的，1992年3月，在cornwall安裝了由兩個燃氣輪機組成的熱電站。最近在曼切斯特機場建成了10MWe的熱電站，據預測運行成本可降低150萬英磅。倫敦一家醫院的熱電站安裝了兩臺1.5MWe汽輪機，汽機廢熱用于供給吸收式制冷機，空調加濕系統，機械通風系統。德國集中供熱很發達，尤其是在前東德地區。在實行集中供熱的地區，熱電聯產占60%。1991年為促進分散的熱電聯產發展，成立了成套熱電設備協會。成套熱電設備主要在三個領域使用：工業與商業(34%)、廢料管理(33%)和醫院與游泳池在內的公共場所(33%)。

對于整個分布式能源冷熱電聯產系統的評估，需要計算一些能源相關的指標：PES（一次能源節約率）及PRF（一次資源指數）。PES表示由聯合生產相對獨立生產相同冷熱能和電能時獲得的一次能源能源節約。PRF定義為一次能源消耗與輸出能源的比值，表示了冷熱電三聯供冷熱傳輸分配時平均燃料消耗，熱損失及電消耗。一次能源消耗需考慮提取，加工，儲存，運輸，生產，轉化，傳輸及分配等任何傳遞到用戶過程中使用到的能源。

一次能源節約率PES（PrimaryEnergySaving）：

其中ηe為電網效率，

ηb為常規鍋爐效率，

PHR為電熱比，

ηcg為產電效率。計算式為：

式中，LHV為低熱值，

mf為燃料流量，

Ecg為熱電聯產發電量。

一次資源指數PRF（PrimaryResourceFactor）：

其中：fp,DH表示區域供熱系統的一次資源指數，

fp,DC表示用戶轉換端一次資源指數，

fp,DH表示區域供熱系統的一次資源指數，

fP,F,i表示輸入燃料的一次資源指數，

fp,elt表示電能一次資源指數，

QF,i表示區域供熱供冷和熱電聯產產電所需的總輸入燃料，

QF,DH表示區域供熱系統所需燃料，

WCHP表示熱電聯產產出電能，

QDC,k表示用戶轉換端一次能源側所消耗的冷能，

QDH,j表示區域供熱系統用戶轉換端一次能源側所消耗的熱能。

上述計算公式表明，一次資源指數越小則表示越節能，使用化石燃料單一鍋爐生產冷熱電的一次資源指數較大，而使用余熱廢熱、生物質燃料、熱電聯產等生產冷熱電時一次資源指數較小。該方法更偏向于熱電聯產的節能率計算，針對冷熱電三聯供中的冷，沒有給出具體的處理方式。

4 適合上海市的節能計算

綜合現有計算分布式供能節能率方法，并結合上海市已建成項目的運行效果提出適合上海市的節能計算。

4.1 計算方法

1）三聯供一次能源消耗量：

其中，QCCHP,T——三聯供總供能量，GJ；

QCCHP，C——三聯供總供冷量，GJ；

QCCHP,H——三聯供總供熱量，GJ；

QCCHP,E——三聯供總供電量，GJ。

其中，QCCHP,1——三聯供一次能源消耗量，ect；

QCCHP,1,NG——三聯供燃氣耗量，ect；

QCCHP,1,E三聯供用電量，根據當年供電煤耗（mS,E，g/kWh）和電網損耗（ηNET,E）率折算，ect；

2）分產年耗煤量計算公式：

其中，QC,E——分產制冷用電量，GJ；

COP——分產制冷系數；

其中，QH,1——分產供熱一次供熱能耗，ect；

ηB、1-ηNET，H——分產鍋爐效率，熱網損耗；

其中，QE,T，1——分產用電量，根據當年供電煤耗（mS,E，g/kWh）和電網損耗（ηNET，E）率折算，ect；

總一次能源消耗量：

其中，QH，1——分產一次供熱能耗，ect；

3）節能率計算：

其中，△B——節煤量，ect；

η——節能率。

4.2 計算案例

4-2分布式供能系統設備特性表

上海世博會B片區央企總部能源中心項目根據上海世博園會展及其商務區的冷、熱負荷容量及特點，擬在該區域內建設天然氣分布式能源站，滿足該地區熱、冷負荷需求。B片區規劃用地面積25.11hm2，地上總建筑面積約76.44萬m2，平均容積率約為3.13，單體建筑高度不超過120m。規劃用地性質為商務辦公（含商業文化娛樂設施）和灑店，商務辦公（含商業文化娛樂設施）建筑面積約為59.7萬m2，酒店建筑面積約為16.74m2，客房約為1300間。本次建筑的天然氣分布式能源站只考慮商務辦公（含商業文化娛樂設施），不考慮給酒店供能。

能源中心年供電量1726kWh，供熱89759GJ，供冷213535GJ，系統綜合能源利用率128%，原動機供能量占總供能量的42%，相對于分產供能節能率30%。

還對原動機供能量相對于總供能量的占比對節能率的影響進行了分析，原動機供能量超過27%時分布式供能的優越性才能體現出來，分布式供能節能率的極限值為70%左右（見圖4-1）。

圖4-1 敏感性分析

5 結論

1）綜合多方研究成果，本文提出了適合上海市的分布式供能節能率計算方法。

2）為體現分布式供能系統在節能方面的優越性確立了統一標桿。

3）以上海世博會B片區央企總部能源中心為例，分布式與分產式相比，節能率約在30%左右。同時發現，原動機供能量占總供能量的27%以上時節能率才大于0，并且節能率的極限值為70%。

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