燃氣冷熱電三聯供系統發電容量配置探討

陳晨

分布式能源

燃氣冷熱電三聯供系統發電容量配置探討

陳晨

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）

通過區域燃氣冷熱電三聯供項目特點的分析，提出區域三聯供項目與傳統熱電聯產項目的差異性，不能直接套用“以熱定電”、“以電定熱”等發電容量配置原則。同時，探討區域集中供能發電機組容量配置方法。并以上海某區域供能項目為例，對不同大小發電機組容量及不同并網方式進行分析，綜合發電機組年利用小時數、發電自用比例及投資等因素給出項目發電容量配置。

區域冷熱電三聯供； 發電機組容量； 以熱定電； 以電定熱； 年利用小時數

0 引言

燃氣冷熱電三聯供系統作為一種分布式供能系統，其能源梯級利用效率可達60%～80%[1]，對改善城市能源結構、提高電力系統供能安全性、減少CO2排放量具有重要意義。越來越多的燃氣三聯供系統尤其在區域能源項目中得到應用。燃氣發電機組作為整個三聯供系統的核心設備，其容量大小直接影響系統冷熱電平衡、設備投資及運行經濟性。以下針對區域燃氣三聯供系統進行分析，探討該類項目中發電機組容量的配置方法。

1 區域燃氣冷熱電三聯供能系統特點

燃氣冷熱電三聯供系統應用范圍廣泛，按系統特點可以分為樓宇型、產業型和區域型。樓宇型三聯供系

統主要針對某單一建筑的冷熱電需求，機房一般布置在建筑內部，不需要考慮外網建設[2]，樓宇與三聯供系統為同一業主，所發電力可直接供整個建筑使用。產業型三聯供系統主要針對某一片產業相對集中的工業園區，主要供能對象為生產熱需求，也可能兼有少量空調及生活冷熱負荷。區域型三聯供系統是向一定區域內的建筑群供能，往往需建設一個或多個獨立能源站，同時需考慮能源供應的外網布置。系統主要應對建筑群內用戶的空調和生活冷熱負荷。

另外，考慮輸送能效能源站一般都盡量設置在區域中心，或靠近用戶的位置。其周邊建筑形態及整個地塊的商業價值決定能源站本體規模不可能太大，其發電容量相對傳統的熱電聯產項目較小。一般屬于《燃氣冷熱電三聯供技術規程》GJJ145-2010[3]適用范圍：“以燃氣為一次能源，發電機總容量小于或等于15MW的分布式能源系統”。

2 傳統熱電聯產項目與區域三聯供系統發電容量配置原則比較

（1）傳統熱電聯產項目把總熱效率和熱電比作為主要考核指標[4]。其發電機組容量的確定主要有以下兩個原則：

1）以熱定電：根據熱負荷確定發電容量，在滿足用戶熱負荷需求的前提下，進而確定系統電力輸出容量。

2）以電定熱：根據用戶用電需求來確定系統的總熱輸出。

（2）再看區域三聯供系統特點，以上原則顯然不能適用。區域燃氣冷熱電三聯供項目和傳統熱電聯產項目在用能負荷特性、發電并網模式、能源站建設條件等方面均存在差異，不能直接套用熱電聯產項目中發電機組容量配置原則。

1）區域能源項目用戶側熱負荷隨季節、時段波動很大：商業及辦公型建筑夜晚基本無需供能，僅酒店等建筑存在用能需求；過渡季空調用能需求很小。若區域內無相對穩定的基礎熱負荷需求用戶如醫院、數據機房等，以何種工況條件下的熱負荷數據作為“以熱定電”的前提存在不確定性。若以峰值熱負荷作為“以熱定電”的輸入條件，勢必造成發電機組容量選擇過大，年利用小時數較低，系統經濟性較低。

2）用電負荷同樣存在波動大，無穩定基礎負荷的問題。從經濟性出發，夜間一般采用價格相對便宜的市網谷電蓄能而非自發電，因此“以電定熱”原則的電力基礎負荷數據同樣難以確定。

3）傳統熱電聯產項目所發電力一般可直接并入大電網，作為大電網的補充[3]。而受目前政策限制，區域三聯供系統受目前政策限制所發電力一般僅限于能源站內部使用。在發電系統并網模式上差異很大。

不管是“以熱定電”還是“以電定熱”，對于區域三聯供系統都無法給出一個相對確定的熱負荷或電負荷輸入條件，同時受目前發電模式限制，為保證系統運行經濟性，需結合經濟性、項目所在地政策及社會效益綜合考慮。

由于區域內用戶與三聯供系統非同一業主，受目前供電政策條件限制，區域三聯供系統所發電力不能直接供區域內建筑使用，一般僅限于能源站內部用電，系統只滿足區域內建筑供冷、供熱需求。區域三聯供系統用戶側負荷隨地域、建筑形態及用戶數量而不同，需根據每個項目具體負荷特性來進行系統配置。

3 區域三聯供系統發電容量配置思路

區域三聯供系統發電容量配置需考慮能源價格、系統電力運行方式、能源政策等多種因素。

3.1 不同方案運行能耗成本分析

首先，對不同方案的運行能耗成本進行分析，以確定發電機組的運行時段及制冷、制熱方案。區域燃氣三聯供系統除余熱制冷、制熱外，其余輔助制冷方式有電動冷水機組、直燃溴化鋰機組，輔助制熱方式有熱泵機組、燃氣鍋爐、直燃溴化鋰機組。制冷、制熱方式的選擇需根據項目所在地能源價格及項目條件確定。假定三聯供系統制冷能耗成本為L1元/kWh，制熱能耗成本為R1元/kWh。電制冷用市電，谷段、平段、峰段能耗成本分別為LC1，LC2，LC3元/kWh，直燃溴化鋰機組制冷能耗成本為LHiBr；熱泵用市電，谷段、平段、峰段能耗成本分別為Rh1，Rh2，Rh3元/kWh，直燃溴化鋰機組制熱能耗成本為RHiBr，燃氣鍋爐制熱能耗成本為Rb。

根據能耗成本分析系統運行策略，見表1、表2。

3.2 發電系統運行模式分析

發電大小同時還受發電機組運行模式限制。區域三聯供系統電力運行方式有孤網運行、并網上網及并網不上網三種模式。根據運行經驗，系統在并網模式下更具可靠性和經濟性[3]。

并網不上網模式下，所發電力要能源站自用，為滿足系統運行經濟性，提高發電機組運行時間，應以中低位電力負荷確定機組容量，配置相對較小，主要利用市電，和傳統供能方式差異不大，節能減排效益較低。若采用并網上網模式，余熱自用，可以以中高位電力負荷

確定發電容量，發電量除自用外，多余電力上網，不足部分可由市網補充，系統配置相對靈活，發電機組年運行時間較長，利用率高，系統經濟性較好。

表1 不同能耗成本條件下制冷運行策略

表2 不同能耗成本條件下制熱運行策略

采用并網上網模式，系統還需符合《國家電網關于分布式電源并網服務管理規則的通知》規定的上網適用范圍：“35kV電壓等級接入，年自發自用大于50%的分布式電源，或10kV電壓等級接入且單個并網點總裝機容量超過6MW，年自發自用電量大于50%的分布式電源”。因此，運行策略和并網方式確定的前提下，還需對系統全年自用電比例進行分析。

3.3 其他因素

區域三聯供系統的合理設置除考慮上述因素外，還需綜合考慮系統投資經濟性。例如當發電機組容量配置較低，發電系統利用率雖然提高，但系統變配電容量有可能從10kV進線增大到35kV進線，變配電相關的投資成本上升。

4 項目實例

以上海某新建區域分布式三聯供項目為例，供能面積96萬m2建筑，建筑形態為辦公及商業建筑。區域內設置一座獨立能源站，為區域內建筑提供空調冷熱負荷，所發電力僅用于能源站內設備。

系統采用兩管制，部分地塊用戶自行配置少量機組以滿足冬季制冷及生活熱水需求。根據上海全年室外氣象條件，空調供冷期為5月16日～10月15日，共150d；空調供熱期為12月1日～次年3月15日，共105d。其他時間用于供冷、供熱系統轉換試運行和設備維護檢修。

根據能源價格及設備效率，計算不同方案的運行能耗成本，見表3、表4，這里燃氣熱值取10kWh/m3，發電機組發電效率為42%，余熱效率為40%。

表3 市電與天然氣價格

由表4，系統采用燃氣內燃發電機組+余熱溴化鋰冷熱水機組+電動冷水機組制冷；供熱方面由于燃氣鍋爐、直燃溴化鋰運行成本較高，而熱泵可利用自發電，一次能源利用率較高，運行能源費較低。并且在安全性、環保方面均優于燃氣鍋爐和直燃溴化鋰，因此除余熱供熱外，采用熱泵供熱，即燃氣發電機組+余熱溴

化鋰冷熱水機組+水水熱泵風冷熱泵串聯的方式供熱。另外谷電段利用市電制冷、制熱的運行成本均為最低，系統設置水蓄能，既可減少能耗成本，又能降低冷熱設備和變配電投資。根據項目經驗，系統水蓄能率取30%，即夏季典型日蓄冷量為全天冷負荷的30%。

表4 不同方案能耗運行成本

根據全年逐時負荷，對3MW、4.5MW、6MW、8MW、12MW、18MW、24MW 7個不同容量大小發電機組全年利用小時數進行統計。

文獻[6]規定對分布式供能項目按照1000元/kW給予設備投資補貼，對年平均能源綜合利用效率達到70%及以上且年利用小時在2000h及以上的分布式供能項目再給予2000元/kW的補貼。同時根據實際項目經驗，為滿足三聯供系統的運行經濟性，發電機組年滿負荷運行小時數需達到3000～4000h以上[5]。由圖1可以看出，發電機組容量越大年利用小時數越低。當發電機組容量為24MW，發電機組年利用小時數略大于2000h，若容量繼續增大，則不滿足補貼政策要求。發電機組容量低于8MW時，系統年運行時間可超過3000h。因此，該項目中發電機組配置建議不大于8MW。

圖2所示若采用并網不上網模式，要滿足年利用小時數2000h指標，機組容量需低于3MW，若要進一步提高發電系統利用率，發電機組容量配置則更低。自發電替代平峰段市電量較小，經濟及社會效益較低。若采用直燃溴化鋰方式制冷、燃氣鍋爐或直燃溴化鋰方式制熱，并網不上網模式自發電消耗量很低，僅水泵、風機等輔機設備用電，發電機組基本無法正常開機運行。因此，區域冷熱電三聯供系統，發電系統運行模式宜采用并網上網方式。

進一步分析并網上不上網模式下不同發電容量年利用小時數的變化趨勢，如圖3所示。年利用小時數隨發電機組容量增大而減小，且比并網上網模式趨勢更快。并網上網模式由于余熱自用，發電除自用外，多余可上網，只要系統生產負荷大于發電機組余熱負荷時，機組即可滿負荷運行。綜合圖1、圖3可以看出，單以年利用小時數作為指標評價，并網上網模式8MW以下發電機組年利用小時數差別并不大。

以上第3章節指出若采用并網上網模式，系統還需滿足年自發自用電量大于50%的條件。圖4對8MW以下發電機組系統年發電自用情況進行分析，發電容量6MW時，系統自發電略大于上網電量。對比分析3MW、4.5MW、6MW幾種方案，若發電容量取3MW，市電配電容量超過8000kVA，需采用35kV進線，變配電設備成本較高，配電機房面積較大，設備、土建及市政配套費用較大。另外，能源站一般采用兩路電源供電，用電負荷一般采用對稱方式分布在兩段母線上，對于并網上網模式，發電機組也適宜采用對稱分布方式，最大化提高發電機組的利用效率。即采用偶數臺配置，結合市場發電機組容量規格，最后選用4臺1.5MW發電機組。

5 結語

（1）燃氣冷熱電三聯供系統實現了能源梯級利用，作為區域能源供應方式的一種，既有經濟效益又有社

會效益。

（2）區域式冷熱電三聯供項目在用戶負荷特性、發電運行模式、項目規模及建設條件上不同于傳統熱電聯產項目，不可直接套用傳統熱電聯產項目中“以熱定電”、“以電定熱”原則。

（3）區域三聯供系統發電機組容量大小取決于系統負荷、能源價格、能源政策及初投資等綜合因素。

（4）區域冷熱電三聯供系統發電系統宜采用并網上網模式，提高機組利用效率。

（5）區域冷熱電三聯供系統發電容量還需考慮設備、變配電、土建投資等因素。

[1]高茜.淺談燃氣冷熱電三聯供系統的發展及優勢[J].中國石油和化工標準與質量 2012，32（5）:91.

[2]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]燃氣冷熱電三聯供技術規程（CJJ 145-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4]張建業，徐述.電聯產項目中機組的選型及參數確定方法[J].電力設備，2008，9（1）:72～75.

[5]龍惟定.分布式能源熱電聯產“以熱定電”的新理解[J].暖通空調，2011，41（2）:18～22.

[6]上海市天然氣分布式供能系統和燃氣空調發展專項扶持辦法[Z].滬府辦發〔2013〕14號

Reaserch of Power Capacity in Regional Combined Cooling，Heating and Power System

CHEN Chen
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Analyzesthecharacteristicsofregional gascombinedcoolingheatingandpower（CCHP）projects,andthe differencesbetweenCCHPprojectsandtraditional combinedheatandpowergeneration(CHP)projects.Pointsouttha“tdetermining power by heating load”,“determining heating load by power”principles is not appropriate for CCHP projects. Meanwhile,puts forward the method of determining power capacity in the regional CCHP.Takes a regional energy supply projectinShanghai asanexample,analyzesthesystemperformanceindifferent power capacities.Gives thepower capacity consideringannual powergenerationhours,self-occupiedpowertototal generatingpowerratioandtheinvestment.

regional combinedcooling，heatingandpowerenergy； powercapacity； determiningpowerby heatingload； determiningheatingloadbypower； annual utilizationhours

TM611

B

2095-3429（2016）03-0001-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.001

2016-05-03

修回日期：2016-05-30

陳 晨（1983-），女，江蘇濱海人，碩士，工程師，主要從事區域能源站及暖通空調設計工作。