某遷建項目分布式能源站三聯供系統的可行性分析與應用研究

王勝賢 胡冬楠

寧波市城建設計研究院有限公司 浙江 寧波 315000

引言

冷熱電三聯供系統通常是以燃氣內燃技術為依托，注重發電與余熱回收利用同步進行。天然氣在內燃機內產生動能驅動發電機組發電，輸變配系統將產生的電能提供給電力用戶使用；而內燃機中天然氣與空氣的結合所產生缸套水和余熱煙氣，又會被余熱回收裝置所回收，進行二次加工和利用，生成熱水負荷、冷水負荷等產品，提供給需要的用戶夏季制冷或者冬季采暖。而如果夏季或者冬季因為負荷高峰導致余熱不足時，可以利用天然氣進行余熱回收裝置的補燃，讓用戶的日常需求得以滿足。作為分布式能源形式之一的冷熱電三聯供系統，會隨著社會經濟技術的進一步發展而得到更廣泛的應用，因為該模式具備顯著的節能降耗的優勢，可以有效緩解電力緊張的狀況。該模式是目前提升一次能源利用率的較佳途徑，通過該系統實現了能源梯級利用的目標，能源利用率大幅度上升，并且可以彼此補充生產，大大提升了系統運行效率和經濟效益[1]。

1 分布式能源站三聯供系統設備及工藝流程

三聯供系統也稱CCHP系統，其構成部分包括動力設備、調峰設備、余熱利用設備及相關主輔設備。分布式能源站的一次能源主要是天然氣，在機組的選擇上參照冷熱負荷變化規律，原則上是根據熱（冷）定電，并網卻不上網，采用高效率、高集成度且安裝快捷的燃氣內燃機發電機組作為本系統的動力設備，同時選取運行方便、空間占用小、熱效率高的雙效溴化鋰機組作為余熱回收設備，實現發電余熱制冷制熱效率的最大化。選取啟動迅速、運行效率高的離心式冷水機組和燃氣熱水鍋爐作為調峰設備。在上述組合的基礎上配備可靠而靈活的儲能設備，整體系統的核心是余熱利用系統。首先利用發動機進行天然氣與空氣的混合，通過渦輪增壓器實施增壓后在氣缸內燃燒做功，燃燒會形成余熱煙氣以及內燃氣形成高溫套缸水，這些物質進入煙氣熱水型溴化鋰機組，以備制冷或者供熱之需[2]。

2 分布式能源站三聯供系統優勢分析

2.1 提高能源綜合利用率

從綜合能源利用率方面分析，傳統火電的利用效率只是35%～45%，而分布式功能系統的利用率則可以高達55%～75%。雖然燃氣鍋爐的直接供熱效率能達到90%左右，但最后的能量產出形式都是低品位的熱能，而分布式供能系統產出的高品位熱能高達45%左右。由此可見，比起傳統的大電網供電和燃氣鍋爐直接供熱的模式，分布式供能系統大幅度提升了能源綜合利用率。

2.2 改善城市能源結構

傳統的能源結構是夏季的用電量高于冬季，而冬季的用氣量卻明顯高于夏季，主要是因為夏季空調的大量使用以及冬季的大量的燃氣鍋爐使用造成的，這種能源結構的不合理性造成了配套的市政設施低投資的效率，嚴重浪費了資源。而分析分布式供能系統的可行性，一方面該系統發電功能和吸收式空調技術的應用，能夠有效降低夏天大電網的負荷；另一方面也能夠利用自身不間斷運行的優勢平衡冬夏燃氣的用量。所以，分布式供能系統的廣泛應用是區域能源結構改善的最有效措施，能夠最大限度發揮配套能源供應的優越性，是配合國家整體能源政策最直接的手段。

2.3 提高供能安全性

我國都是采用的集中式單一供電系統，主要特征是大電網、大機組、高電壓，有一點故障發生都會嚴重影響整個電網的運行，最嚴重的后果是大范圍停電以至于全網癱瘓。尤其是最近幾年極端氣候導致的電力災害，以及全球性的大面積停電事故頻發，讓人們不得不關注能源安全的重要性。而分布式供能系統進行區域分布、就近建設的模式，可以直接面對能源客戶，既有效提升了能源的利用率，也為用戶增加了另外的供電、供暖和供冷的有效渠道，在突發事故出現的時候，該系統可以保證供電的安全性和穩定性，削減了用戶對集中供能系統的依賴，對用戶提供了安全性的保障，具有極大的應用推廣價值。

2.4 環保效益明顯

分布式供能系統是清潔產能系統，其能源主體是燃料天然氣，該系統的排放都符合相關的環保要求，比起傳統的熱電分供模式，大大減少了CO2的排放量，環保效益十分明顯，為推動整體的節能減排工作做出貢獻。

2.5 經濟性良好

分布式供能系統在發揮供冷和供熱的雙重功能的同時，還不斷地產生高品位的電能，以其多樣性的產品和良好的能源利用率形成了燃氣、電力價格的波動性的適應能力，比起傳統的供能系統，在節省消耗費用上可行性顯著[3]。

3 實際案例的可行性分析

3.1 項目概況

本項目用地性質為高等院校用地，為遷建項目。用地面積約131158㎡，建筑高度不大于45m；規劃總建筑面積約105000㎡，其中地上建筑面積約86000㎡，地下建筑面積約19000㎡；總體布局結構可總結為“兩軸三區”，兩軸即南北向主軸和東西向的山水軸線；三區為行政教學區、生活休閑區及運動健身區。中心湖將地塊分為南區和北區，北區由會議中心，圖書信息樓，行政樓，教學樓，食堂等單體組成，南區由宿舍，文體館等單體組成。

圖1 項目鳥瞰圖

3.2 年用能模擬分析

本項目主要的功能業態為教學、辦公、宿舍等，參考現有學校實際電負荷數據的調研和分析結果，考慮學校招生率的變化，結合項目的特點，擬在學校新建2個能源站。北區行政教學區域采用常規的能源站，南區采用分布式能源三聯供系統能源站，安裝600kW等級的發電機組考慮設備選型。南區能源站發電能源供整個學校使用。發電產生的余熱供南區制冷、采暖和生活熱水用。

本項目電價采用單一電價，采用直接燃燒天然氣的方式制冷，其經濟性比直接采用電空調方式差，故本項目在調峰的方式上不再考慮燃氣的方式制冷，直接采用電空調制冷的方式。采暖調峰則使用燃氣鍋爐。 按此方案，對方案的可行性做出如下分析：

通過模擬計算可得到南區全年逐時及延時電負荷變化曲線圖，如圖2：

圖2 全年逐時和延時電負荷趨勢分析圖

通過圖2可查看逐時及延時變化曲線，年度電負荷變動和時間有直接影響關系，年度用電負荷量有70小時保持在3000kW以上，而保持在1000kW以上時段較長，其他時間主要維持在600kW以上。

結合上文關于逐時負荷判斷，針對南區年用能進行分析，結論如下所示：年總需冷量、年總需熱量、年總耗電量、年總需熱量、年總耗電量分別是821萬kWh，541萬kWh，850萬kWh、140.8萬kWh。其中，年耗電量比按現學校能耗數據推算的耗電量多。年耗冷按照制冷建筑面積折算成每平方米冷能耗為78.1kWh/（m2?a），年耗熱按照供暖建筑面積折算成每平方米的熱能耗為51.5kWh/（m2?a），黨校全年生活熱水預測量為2.2萬噸。

3.3 分布式能源站三聯供系統全年熱電比分析

根據南區的全年的冷、熱、生活熱水及電負荷變化曲線，得出全年的熱電比變化曲線如下所示：

圖3 全年逐時和延時熱電比變動趨勢圖

結合上述年度熱電比延時變化曲線可判斷，全年熱電比高于3的時間持續400h；有2500h小時左右的時間熱電比穩定在 1～3之間，熱電比大于1以上的時間約為 3000h左右。

4 實際案例的應用

根據前面的可行性分析，該學校南北區能源站分開設置，北區采用常規能源的能源站，南區采用分布式能源三聯供系統。南區冷負荷為4670kW、熱負荷為3016kW、生活熱水負荷為1175kW。

4.1 能源站系統選型

能源站空調供冷，利用1臺制冷量為630kW的煙氣熱水型溴化鋰冷（溫）水機組、1臺制冷量為1340kW水冷螺桿冷水水機組，1臺制冷量2637kW變頻離心式冷水機組，設置分集水器，分3路供給供冷，供回水溫度分別為7℃和12℃。冷凍水系統為一次泵變流量系統。

能源站空調供熱，選擇1臺制熱量為310kW的煙氣熱水型溴化鋰冷（溫）水機組、2臺制熱量為1275kW燃氣熱水鍋爐，對系統實施集中供熱，供回水溫度分別為60℃和50℃，空調熱水系統選擇一次泵變流量系統。

能源站供生活熱水，生活熱水供回水溫度為85/60℃，內燃機組高溫缸套水90/80℃為優先預熱生活熱水，不足部分由1臺制熱量為127kW的燃氣熱水鍋爐提供。

內燃機組90/80℃高溫缸套水為優先預熱生活熱水，多余部分夏季作為煙氣熱水補燃型溴化鋰冷水機組制冷的一次熱媒，冬季通過板式換熱器制取空調熱水。

圖4 能源站機房現場

4.2 能源站運行模式

4.2.1 供冷運行時：啟動內燃機組系統和煙氣熱水型溴化鋰冷（溫）水機組系統，提供7℃的冷凍水，不足部分由電制冷冷水機組供給。

4.2.2 供熱運行時：空調熱水：啟動內燃機組系統，以及相應的缸套水板換，提供60℃空調熱水，不足部分由燃氣熱水鍋爐供給。

生活熱水：啟動內燃機組系統，以及相應的缸套水板換，提供85℃生活熱水，不足部分由燃氣熱水鍋爐供給。

4.3 能源站自動控制

4.3.1 溴化鋰冷水機組啟停臺數控制：通過對機組總供回水溫度和流量的監測，再對運行的機組的負荷進行匹配，控制機組開啟臺數。

4.3.2 水泵控制：部分負荷運行時，根據主機開啟臺數，控制水泵的開啟臺數。

4.3.3 冷水機組和燃氣熱水鍋爐啟停臺數控制：通過對機組總供回水溫度和流量的監測，計算出空調系統的實際負荷，將計算結果與當時冷水機組投運下的總供冷量或總熱量作比較，決定開啟臺數。

5 實際案例經濟性分析

該學校應用的三聯供系統發電運行原則：并網后并不上網，系統所配備的發電機組主要滿足能源站內設備的用電需求，多余電力供給學校全區用電，當發電機組所發電力不足時，從市政電網購電補充。從運行的經濟性考慮，能源站內發電機組全天不間斷運行，過渡季故障檢修。

將能源站配置方案與常規能源配置方案年運行結果進行對比，如下表所示：

表1 運行費用比較分析表

通過上文的計算和分析，對比常規分布式能源系統方案，能有效降低運行費用，分布式能源系統相對冷水機組+燃氣鍋爐每年可降低115萬元成本，分布式能源系統相對燃氣直燃機每年可降低188萬元成本，分布式能源系統的天然氣能源綜合利用效率可達80%左右。

6 結束語

綜上所述，多級利用能源的宗旨是梯級利用和循環利用兼顧。因此更凸顯出傳統能源利用方式的缺陷。所以，怎樣達到能源的合理利用、避免浪費能源，是目前和今后一個時期研究的課題。本文對冷熱電三聯供系統進行了可行性分析，介紹了其工作流程，并通過具體案例的計算和分析，可以看出分布式能源三聯供系統比起常規的能源系統該系統具備明顯的節能、環保和節能優勢。該項目作為寧波地區分布式能源三聯供系統的應用起到積極的示范與推廣作用。