天然氣分布式能源站蓄冷方案研究及應用

王學勤，江婷，徐靜靜，鄧亞男，胡永鋒

(1.中國華電集團有限公司上海公司，上海 200126； 2.華電分布式能源工程技術有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著社會和經濟的發展，貼近用戶、溫度對口、梯級利用的天然氣分布式能源系統得到大力發展。天然氣分布式能源系統按類型可分為樓宇型分布式能源系統與區域型分布式能源系統，典型用戶包括工業園區、酒店、醫院、數據中心、商業綜合區等。由于主機類型及系統配置不同，樓宇型與區域型分布式能源系統綜合能源利用效率有所不同。目前，樓宇型分布式能源系統綜合能源利用效率最高可達88%左右，區域型分布式能源系統最高可達85%左右。然而，由于天然氣分布式能源系統用戶復雜，負荷波動大，設計階段對冷熱電負荷預測分析偏理想化，系統裝機配置普遍偏大，從而導致天然氣分布式項目投產后的運行效率低于設計效率，項目經濟性較難達到設計水平[1]，因此關于天然氣分布式能源裝機配置以及運行模式的探討則顯得至關重要。

為了實現機組大多數工況下高負荷運行，天然氣分布式能源系統一般遵循“以冷(熱)定電，欠匹配”的設計原則，冷(熱)負荷由基本負荷和峰值負荷組成。為了提高機組運行經濟性，基本負荷由燃氣發電機(內燃機、微燃機或燃氣輪機)的余熱利用設備供給，余熱設備通常為溴化鋰機組或余熱鍋爐。峰值負荷由調峰設備供給，通常為離心式制冷機組、燃氣鍋爐或蓄能(蓄冷、蓄熱)裝置[2-3]。由于蓄能系統具有很好的削峰填谷、平衡負荷的作用，在分布式能源站中配置一定規模的蓄能系統，不僅能夠優化系統的運行策略，還可提高能源站的經濟性[4]。本文以上海某樓宇型分布式能源站為例，對比分析了采用冰蓄冷系統和水蓄冷系統時系統運行模式的差別，并進行了2種蓄冷系統經濟性的對比。

1 蓄冷技術介紹

蓄冷技術在天然氣分布式能源站的應用，可充分利用電網低谷時段的低價電能，在夜間電網低谷及空調負荷低谷時間，制冷主機開機制冷并由蓄冷設備將冷量儲存起來。待白天電網高峰用電及空調負荷高峰時，再將冷量釋放出來滿足高峰空調負荷的需要。這樣不僅有利于平衡電網負荷，實現移峰填谷，緩解電力的供需矛盾，而且節省了運行費用。在主機出現故障或系統斷電的情況下，蓄冷系統作為備用應急恒定冷源，提高了供能可靠性，既獲得了較好的經濟效益，又提高了供能的安全性。

常用蓄冷系統一般有冰蓄冷和水蓄冷2種，水蓄冷系統指利用水的顯熱實現冷量的儲存，冰蓄冷系統指利用冰的融化潛熱儲存冷量。

冰蓄冷空調是利用夜間低谷負荷電力制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，減少電網高峰時段空調用電負荷及空調系統裝機容量。由于冰蓄冷主要利用冰的相變潛熱進行冷量的儲存，冰的溶解潛熱為335 kJ/kg，在常規空調7～12 ℃的水溫使用范圍，其蓄冷量可達386 kJ/kg，是利用水的顯熱蓄冷的17倍。因此，與水蓄冷相比，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷所需的體積將比水蓄冷所需的體積小得多。近年來，冰蓄冷空調系統低溫送風技術的應用，推動了冰蓄冷技術的發展。

冰蓄冷系統制冷機組的設計冷負荷計算公式為[5]

式中：φ為冰蓄冷空調系統制冷機組的設計冷負荷，kW；i為時間變量；φi為冰蓄冷空調系統承擔的逐時冷負荷，kW；c為冰蓄冷空調系統蓄冰時制冷能力的變化率；t1為冰蓄冷空調系統在蓄冰模式下的運行時間，h；t2為冰蓄冷空調系統在供冷模式下的運行時間，h。

水蓄冷技術利用水的顯熱變化，隨著水溫的升高，其密度在不斷減小，如果不受外力擾動，一般容易形成冷水在下熱水在上的自然分層狀態，但水在4 ℃以下時，隨著水溫的降低，其密度卻在不斷減小。因而水蓄冷水溫可利用的下限為≥4 ℃，在4～14 ℃溫度段內為宜。一般的水蓄冷技術是在電力負荷低的夜間，用電冷機制冷將冷量以冷水的形式儲存起來。在電力高峰期的白天，不開或少開冷機，充分利用夜間儲存的冷量進行供冷，從而達到電力移峰填谷的目的。應用在分布式能源領域的水蓄冷技術則是在冷量負荷低的時段將溴化鋰吸收式制冷機制取的多余的冷量存儲起來，在冷量負荷高的時段將蓄冷罐中的冷量釋放出來，這樣做一方面起到冷量削峰填谷的目的，減少了電力高峰時段電制冷機耗電量，節約運行成本。另一方面保證各個時間段主機的高負荷運行，提高整個系統能源利用效率。因此，分布式能源結合水蓄冷系統能大大提高系統的綜合利用效率，更容易適應負荷的波動。

蓄冷水箱的容積按如下公式[6]計算

式中：Qc為蓄冷量，kW·h；Δt為釋能回水溫度與蓄能進水溫度間的溫差，℃；ρ為水的密度，取值為1 000 kg/m3；cp為水的比熱容，取值為4.187 kJ/(kg·℃)；δT為蓄能水箱的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取值為85%～90%；δv為蓄能水箱的體積利用率，考慮布水器的布置和蓄能水箱內其他不可用空間等的影響，一般取值為95%。

2 蓄冷方案介紹

本文以上海某樓宇型分布式能源站為依托，結合設計日冷負荷逐時曲線，對冰蓄冷系統與水蓄冷系統2種不同的蓄冷方式進行了分析。上海某樓宇型分布式能源站8月設計日逐時冷負荷如圖1所示。從圖中可以看出，設計日負荷波動較大，在供冷工況下，以燃氣內燃機及余熱溴化鋰機組滿足基本冷負荷為原則，機組數量保持不變，若以滿足最大時刻的冷負荷配置制冷機組，則制冷機組大部分時間將處于閑置或低負荷運行狀態，不利于系統經濟運行，若考慮加入蓄能系統，則可以有效減少離心式電制冷機組的配置容量，進而可以降低投資，提高系統運行經濟性。根據負荷情況，在滿足用戶最大冷負荷的前提下，結合不同的調峰和蓄冷設備提出了2種調峰系統配置方案，分別為冰蓄冷方案(方案1)和水蓄冷方案(方案2)，2種方案系統配置見表1。

圖1 8月設計日逐時冷負荷

方案設備臺數規格方案1燃氣內燃機84035kW吸收式溴化鋰吸收式冷水機組8制冷量:3490kW,冷卻水溫度:32/38℃,冷凍水溫度:6/15.6℃小離心式冷水機組2制冷量:3164kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃大離心式冷水機組4制冷量:6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃離心式雙工況冷水機組4空調工況:制冷量6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,乙二醇溫度:8/13.5℃制冰工況:制冷量4115kW,冷卻水溫度:30.5/35.5℃,乙二醇溫度:-5.6/-2.1℃方案2燃氣內燃機84035吸收式溴化鋰吸收式冷水機組8制冷量:3490kW,冷卻水溫度:32/38℃,冷凍水溫度:6/15.6℃小離心式冷水機組2制冷量:3164kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃大離心式冷水機組6制冷量:6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃蓄冷水罐2凈空:直徑20m,高19m蓄冷量:64MW·h

注：表內只給出了系統配置的主要設備，泵等輔助設備并未列入其中。

由表1可以看出，冰蓄冷系統配置了2臺制冷量為3 164 kW的小離心式冷水機組、6臺制冷量為6 328 kW的大離心式冷水機組和4臺離心式雙工況冷水機組。水蓄冷系統則配置了2臺制冷量為3 164 kW的小離心式冷水機組、6臺制冷量為6 328 kW的大離心式冷水機組和2個蓄冷水罐，蓄冷體積共計12 000 m3左右。2種方案的供冷總裝機容量均為84 MW。

采用冰蓄冷方案時，離心式雙工況冷水機組在低谷電期間內滿負荷運行制冰，制取的冷量儲存在蓄冰裝置中，白天峰電期間，采用外融冰串聯回路聯合供冷的工況下，開啟制冷機組供冷，不足部分由融冰供冷來滿足，通過各自板式換熱器和冷凍水進行熱交換，串聯降溫，滿足供冷需求，蓄冰最大供冷量根據白天對負荷的需求與離心式冷水機組、雙工況冷水機組進行協調供給。

采用水蓄冷方案時，在冷負荷低的夜間，將溴化鋰吸收式制冷機制取的冷水存儲在蓄水罐中，在白天峰電期間，聯合溴化鋰冷水機組與離心式冷水機組協調供冷，滿足供冷的需求。

3 方案運行模式分析

本文根據上海某樓宇式分布式能源站所需求的負荷總量及負荷逐時變化情況，結合不同的調峰和蓄冷設備設計2種機組配置方案。這2種方案均能滿足園區內的負荷要求，為保證最大限度的利用余熱，則通過調整運行方式來達到不同的負荷需求。通常在能源站裝機選型時，根據全年12個月的冷熱負荷逐時曲線進行配置和分析，最終匯總得出機組的運行模式。本文重點針對不同蓄冷系統的應用分析，文章僅選擇夏季8月份和過渡季4月份的運行模式進行介紹分析。

3.1 夏季8月設計日運行模式分析

冰蓄冷方案夏季8月設計日運行模式如圖2所示，從圖中可以看出24:00—6:00，由離心式雙工況冷水機組開啟蓄冷模式，此時屬于低谷電時期，供冷負荷由離心式冷水機組供冷。07:00—22:00，開啟內燃機和溴化鋰主機，07:00—10:00，由溴化鋰主機和蓄冰槽協同供冷，隨著冷負荷需求加大，10:00—22:00，由溴化鋰主機、離心式冷水機組、雙工況冷水機組以及蓄冰槽融冰協同供冷。

圖2 冰蓄冷方案夏季8月設計日運行模式

水蓄冷方案夏季8月設計日運行模式如圖3所示，從圖中可以看出與冰蓄冷系統不同的是，內燃機和溴化鋰主機在01:00—24:00均開啟， 24:00—06:00，溴化鋰主機供冷之余，同時將溴化鋰主機產生的部分冷水儲存到蓄冷罐中，同時開啟1臺小離心式冷水機組調節供冷。10:00—22:00，由溴化鋰主機，離心式冷水機組、蓄冷罐協同供冷。水蓄冷方案較冰蓄冷方案溴化鋰主機開啟時間長，最大開啟臺數均為8臺，因此內燃機開啟時間相應較長，系統發電小時數提高。

圖3 水蓄冷方案夏季8月設計日運行模式

3.2 過渡季4月設計日運行模式分析

上海某樓宇型分布式能源站過渡季4月設計日逐時冷負荷如圖4所示，可以看出負荷在1 d之內變化較大。

圖4 4月設計日逐時冷負荷

表2 2種方案指標

冰蓄冷方案過渡季4月設計日運行模式如圖5所示，在過渡季，23:00—5:00系統開啟蓄冰模式，此時間段內的冷負荷由離心式冷水機組提供，07:00—22:00，開啟融冰供冷模式，09:00—22:00，開啟溴化鋰主機供能模式，13:00—19:00，同時開啟4臺溴化鋰機組。

圖5 冰蓄冷方案過渡季4月設計日運行模式

水蓄冷方案過渡季4月設計日運行模式如圖6所示，從圖中可以看出，與冰蓄冷工況不同，09:00—24:00，01:00—05:00，溴化鋰主機均開啟，23:00—05:00，將溴化鋰主機制取的冷水存儲在蓄冷罐中，07:00—22:00釋放出來。01:00—05:00冷負荷則開啟1臺小離心式冷水機組利用廠用電供冷。對比2種方案過渡季設計日供冷模式可知，水蓄冷方案采用余熱蓄冷，內燃機發電小時數較高。具體2種方案的經濟性還得看下述經濟性分析。

圖6 水蓄冷方案過渡季4月設計日運行模式

4 方案經濟性分析

冰蓄冷方案和水蓄冷方案的可行性需要綜合分析方案的經濟性。表2給出了2種方案指標，從表中可以看出，在裝機容量相同的情況下，水蓄冷方案比冰蓄冷方案工程動態投資低1 273萬元。同時，由于水蓄冷方案采用的是余熱蓄冷的方式，水蓄冷方案比冰蓄冷方案每年多用775×104 m3天然氣，水蓄冷方案的年發電量和發電設備年利用小時數比冰蓄冷方案分別高37.126 GW·h和1 090 h。不考慮調峰設備的情況下，水蓄能方案比冰蓄能方案年平均綜合利用率和節能率分別高1.93%和1.06%。在工程動態投資方面，兩方案的投資回收期均為15年左右，相差不大。在內部收益率相同的情況下，反算上網電價，水蓄冷方案比冰蓄冷方案低0.032 元/(kW·h)。綜合考慮，水蓄冷方案利用余熱蓄冷的經濟性更好，運行方式靈活，調節性能較好。

5 結論

本文以上海某樓宇式分布式能源站為依托，從系統配置、運行模式及方案經濟性等角度對冰蓄冷方案和水蓄冷方案進行了對比分析。兩種蓄冷方案均能滿足用戶的負荷，投資回收期均為15年左右，具有一定的經濟性。但水蓄冷系統較冰蓄冷系統設備簡單，投資造價低，同時可利用余熱型溴化鋰機組產生的多余冷量，年平均綜合利用率和節能率高，反算上網電價低。綜合考慮，水蓄冷方案利用余熱蓄冷的經濟性更好，運行方式靈活，調節性能較好。