分布式三聯供系統的規劃設計研究

劉　偉

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

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分布式三聯供系統的規劃設計研究

劉偉

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

主要對分布式三聯供系統的規劃設計進行了研究，針對典型拓撲結構的分布式三聯供系統構造了規劃設計方法流程圖，并結合實例論證了最合適的方案，同時還分析了典型日機組的運行策略，探討了天然氣價格、補貼政策對分布式三聯供系統經濟效益的影響。

分布式能源； 三聯供； 規劃設計； 運行優化

分布式三聯供系統結合了高品位的能源發電和低品位的能源供熱或制冷，實現了能量的梯級利用，是一種先進的用能方式，具有清潔、環保、高效等特點[1]，在樓宇建筑、區域工業園等眾多領域得到了廣泛應用。在分布式三聯供項目建設進程中，前期規劃設計是重要環節之一，規劃設計是否合理往往會影響投運后系統運行的經濟效益和環保效益。同時，規劃設計又是一個十分繁瑣、復雜的工作，涉及系統配置、運行方式、能源價格、政策補貼、負荷波動等多種因素[2]。因此，在項目起步階段如何對三聯供系統進行科學、合理的規劃設計就顯得尤為重要[3]。為了滿足實際工程規劃設計需求，以更好地發揮分布式三聯供項目的優勢，研究了分布式三聯供系統的規劃設計方法，構造了規劃設計方法流程圖，并對一個實際的分布式三聯供項目進行了規劃設計及分析。

1　規劃設計流程

分布式三聯供系統的設計過程包括配置選型和運行優化兩大部分[4]。前者決定了系統的年折舊費用，后者則會影響系統的年燃料費用。在進行分布式三聯供系統規劃設計前作如下說明。

(1) 分布式三聯供系統規劃設計主要針對典型拓撲結構的分布式三聯供系統，包括典型微燃機三聯供系統、典型燃機三聯供系統、典型內燃機三聯供系統[5]，如圖1～圖3所示。

(2) 原動機是三聯供系統中的核心設備[6]，在分布式三聯供規劃設計中采用先選擇某一型號原動機設備臺數，后配置余熱利用設備容量的策略，按照一拖一模式進行系統方案配置，原動機臺數最大值取10。

(3) 對于配套余熱設備容量的計算，采取按照原動機余熱量選型的策略進行。而對于燃氣鍋爐、電空調這類滿足極端情況下冷熱負荷的余熱利用裝置，則按照最大冷熱負荷選型的策略進行配置。

(4) 在運行優化方面，通過計算典型工況日的燃料費用測算年燃料費用，典型工況日包括冬季典型工況日、夏季典型工況日和過渡季典型工況日[7]。

圖1　典型微燃機三聯供系統圖

圖2　典型燃機三聯供系統圖

圖3　典型內燃機三聯供系統圖

(5) 認為運行的動力設備出力相同，余熱利用設備作為一種熱量轉換裝置，效率為定值。

規劃設計流程如圖4所示： 根據所選定的原動機型號，計算出滿足條件的若干套方案的主要經濟性指標，如項目初投資、年折舊費用、年運行費用、投資回收年限、系統利用效率等。結合項目的實際情況，從眾多可選方案中選擇最合適的一套方案。相關計算公式如下所示：

圖4　分布式三聯供系統規劃優化流程圖

① 年折舊費計算公式[8]：

Cdp=r∑Cinvestment

(1)

r=i(i+1)N/[(i+1)N-1]

(2)

式中：r為資本回收因數；i為年利率；N為系統使用年限；計算中i、N的取值分別為7%和15；Cinvestment為系統投資。

② 年運行燃料費用計算公式：

Cop=CwinterDwinter+CsummerDsummer+CotherDother

(3)

式中：Cwinter、Csummer、Cother依次為冬季典型日、夏季典型日、過渡季典型日運行費用；Dwinter、Dsummer、Dother依次為冬季典型日、夏季典型日、過渡季典型日天數。

典型日運行費用優化方面，將典型日分為24h時段，對每一時段采用線性規劃算法進行三聯供系統運行策略優化，每一時段運行費用的計算流程如圖5所示。通過對每一時段燃料費用求和，計算出典型工況日的燃料費用。詳細計算過程見文獻[9]。

③ 靜態投資回收期計算公式[10]：

(4)

④ 系統綜合效率計算公式[10]：

(5)

式中：eff為年平均能源綜合利用率；W為三聯供系統年發電量，kWh；Q為年余熱(供熱或制冷)利用量，GJ；B為分布式三聯供系統年燃氣總耗量，m3；QL為燃氣低位熱值，kJ/m3。

圖5　分布式三聯供系統典型日運行策略優化流程圖

2　優化實例

2.1負荷

以上海某企業冷熱電三聯供項目為實例，企業負荷主要有兩類： 一類為蒸汽熱負荷(參數為1MPa飽和蒸汽)，滿足生產用汽及冷熱負荷需求；一類為機械設備運行及生活所需的電力負荷。圖6～圖8依次為夏季、過渡季、冬季典型日電和蒸汽負荷特性曲線。

圖6　夏季典型日負荷特性

圖7　過渡季典型日負荷特性

圖8　冬季典型日負荷特性

2.2能源價格

當地能源價格見表1。其中，峰段電價時間段為8：00～11：00、18：00～21：00，平段電價時間段為6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段電價時間段為22：00～次日6：00。

表1　能源價格

2.3設備特性

選用三菱1.5MW燃氣內燃機為原動機，根據三菱方面資料，1.5MW分布式內燃機三聯供項目單位建設成本約6800元/kW。考慮項目建設過程中可能會產生其它費用，項目單位建設投資成本按照7800元/kW估算。1.5MW燃氣內燃機設備特性見表2，余熱鍋爐效率取0.75，燃氣鍋爐效率取0.9。

表2　1.5MW燃氣內燃機發電輸出與排熱回收各項數據

2.4補貼收入

根據2013年1月上海市發改委《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》，對天然氣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，每個項目享受的補貼最高不超過5000萬元。

3　結果分析

規劃結果匯總如表3所示，每套方案的具體指標如表4所示。需要指出，為了利用缸套水和中冷水熱量，提高系統總效率，已經采取了用部分缸套水和中冷水預熱鍋爐給水(加熱至85℃)的措施。從表4可以看出，在年總費用方面三聯供系統優于熱電分產。隨著原動機設備臺數的增加，系統投資費用增加，而燃料費用會逐步降低直至達到一個定值，這是因為此時原動機裝機容量超過系統負荷需求，會有一部分機組處于停運狀態，燃料費用已經無法再降低。

表3　方案匯總表

表4　氣價3.13元/m3、內燃機補貼3000元/kW規劃方案比較

可以看出方案5年總費用最低，不過用戶對方案的選擇還要綜合考慮其它一些因素，比如初投資費用承受能力、建設場地限制、投資回收期、補貼領取條件等。由于上海對三聯供項目的補貼需綜合效率大于70%，而該企業實際熱水負荷消納能力欠缺，通過建廠用浴室勉強可將方案2綜合效率提升到70%，另外與其它方案相比，方案2在項目初投資、投資回收期、年總費用等方面也具有一定優勢，因此，更傾向于采用方案2。

以方案2為例，各典型日分布式供能系統機組的運行優化結果如圖9所示。三種典型日機組運行策略相同(紅、綠、藍三種顏色曲線重合)，運行方式為：

圖9　方案2典型日機組運行策略

(1) 6：00～22：00，機組滿載運行，盡可能多地為企業提供蒸汽和電力，負荷尖峰時段，蒸汽不足部分由燃氣鍋爐提供，電力不足部分采用外購；

(2) 22：00～次日6：00，為充分享受低谷電價，分布式機組全部停止運行，蒸汽全部由燃氣鍋爐提供，電力全部外購。

燃料價格對三聯供系統的經濟效益有很大的影響，雖然上海對三聯供項目有補助，但是當氣價漲至4.13元/m3時，在年總費用方面三聯供系統的優勢已微乎其微，見表5。在沒有補貼的情況下，氣價漲至3.63元/m3時，三聯供系統的經濟效益已基本沒有，見表6。

表5　氣價4.13元/m3、內燃機補貼3000元/kW規劃方案比較

表6　氣價3.63元/m3、內燃機無補貼規劃方案比較

4　結論

通過研究分布式三聯供系統的規劃設計，構造了規劃設計方法流程圖，對一個實例進行規劃設計，得出以下結論。

(1) 由于上海對三聯供項目的補貼需綜合效率大于70%，如果企業有足夠的熱水負荷消納能力，可以推薦方案5。而該企業實際熱水負荷消納能力相對欠缺，通過建廠用浴室勉強可將方案2綜合效率提升到70%，因此，結合該企業的客觀情況更傾向于采用方案2。

(2) 以方案2為例，典型日系統采用日啟夜停的運行模式： 6：00～22：00，機組滿載運行；22：00～次日6：00，為充分享受低谷電價，分布式機組全部停止運行。

(3) 燃料價格對三聯供系統的經濟效益有很大影響。雖然上海對三聯供項目有補助，但是當氣價漲至4.13元/m3時，三聯供項目的經濟效益已微乎其微。而在沒有補貼的情況下，氣價漲至3.63元/m3時，三聯供項目的經濟效益已基本沒有。

以上結論對相關專業人員具有參考價值。

[1] 陸偉.城市能源環境中分布式供能系統優化配置研究[D].北京： 中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)，2007.

[2] 葛斌.熱電冷聯產原理與技術[M].北京: 中國電力出版社,2011.

[3] 林怡.微小燃機熱電冷聯供與地下水源熱泵耦合系統研究[D].北京: 中國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2010.

[4] 胡燕飛,吳靜怡,李勝.冷熱電聯供系統的優化運行分析[J].華北電力大學學報,2010,37(1):5-9.

[5] 閆曉娟.燃氣輪機冷熱電聯供系統性能及運行優化研究[D].上海: 東華大學,2012.

[6] 楊允.南方地區分布式供能系統優化配置與綜合評價研究[D].北京: 中國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2013.

[7] 楊方德.熱電冷三聯供系統綜合性能分析[D].西安: 長安大學,2011.

[8] 劉愛國.我國南方地區燃氣輪機分布式供能系統的研究[D].北京： 中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)，2009.

[9] 劉偉，古云蛟.基于線性規劃算法的燃氣內燃機三聯供系統運行策略優化[J].上海電氣技術，2016,9(1): 9-13.

[10] 上海交通大學.微型燃氣輪機分布式供能系統仿真測試分析報告[R].上海，2014.

It was mainly a study on the planning design of distributed CCHP systems. Aiming at distributed CCHP system with typical topology structure， the flow chart for planning and designing was built while the most appropriate solution was demonstrated with examples. Also analyzed the operation strategy for unit in a typical running day， discussed gas prices and conducted a study of the impact of gas pricing and subsidy policy to the economic benefits of the CCHP systems.

Distributed Energy； CCHP System； Planning and Design； Operation Optimization

2016年2月

劉偉(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事分布式能源系統仿真與規劃設計研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM-9；TK01+9

A

1674-540X(2016)02-006-06