工業(yè)園區(qū)綜合能源利用方案設(shè)計

摘要：多能互補是新能源利用的發(fā)展趨勢，工業(yè)園區(qū)需要綜合利用各類能源。本文以北京市某靜脈產(chǎn)業(yè)園為例，分析園區(qū)各類可利用能源，為園區(qū)工藝生產(chǎn)用汽、建筑空調(diào)用熱用冷以及生產(chǎn)生活用電設(shè)計可行的綜合能源利用方案，對比傳統(tǒng)能源應(yīng)用方案進行能源利用效率分析及經(jīng)濟成本分析，為未來工業(yè)園區(qū)設(shè)計提供新思路。

關(guān)鍵詞：靜脈產(chǎn)業(yè)園；能源利用；多能互補

中圖分類號：TK01；F426.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.015

Design of Comprehensive Energy Utilization Plan for Industrial Park

QU Zhimin， LYU Meng

（CUCDE Environmental Technology Co.， Ltd.， Beijing 100120， China）

Abstract： Multi energy complementarity is the development trend of new energy utilization， and industrial parks need to comprehensively utilize various types of energy. Taking a vein industrial park in Beijing City as an example， this paper analyzes various types of available energy in the park， and designs a feasible comprehensive energy utilization plan for the park’s process production steam， the heating and cooling of building air conditioning， and the production and living electricity， and conducts energy utilization efficiency and economic cost analysis compared with traditional energy application plans， providing new ideas for future industrial park design.

Keywords： vein industrial park; energy utilization; multi energy complementarity

2022年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》，該方案提出，要優(yōu)化城市建設(shè)用能結(jié)構(gòu)，推進建筑太陽能光伏一體化建設(shè)，推動既有公共建筑屋頂加裝太陽能光伏系統(tǒng)，加快智能光伏應(yīng)用推廣，在太陽能資源較豐富地區(qū)及有穩(wěn)定熱水需求的建筑中，積極推廣太陽能光熱建筑應(yīng)用，同時因地制宜推進地?zé)崮?、生物質(zhì)能應(yīng)用，推廣空氣源等各類電動熱泵技術(shù)。在這樣的大背景下，工業(yè)園區(qū)積極向零碳園區(qū)發(fā)展，優(yōu)化工業(yè)園區(qū)能源供應(yīng)方案尤為必要。本文以北京市某靜脈產(chǎn)業(yè)園為例，從園區(qū)可利用的能源類型出發(fā)，對光伏發(fā)電、空氣源熱泵、水源熱泵、沼氣發(fā)電、沼氣鍋爐等能源利用形式進行分析，確定合理的供能方案，形成以可再生清潔能源、可利用工業(yè)余熱為主的清潔能源結(jié)構(gòu)，為發(fā)展零碳園區(qū)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 項目概況

某廚余垃圾處理項目位于該靜脈產(chǎn)業(yè)園，以處理廚余垃圾為主，配套建設(shè)污水處理系統(tǒng)及厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼系統(tǒng)。該園區(qū)有已建成的垃圾焚燒廠，可直接為該項目提供蒸汽。該項目主要有4座單體建筑，其基本信息如表1所示。經(jīng)合計，項目占地面積為10 120.52 m2，建筑面積為16 145.62 m2。

園區(qū)可自供能源有該項目鄰廠焚燒中心蒸汽、生產(chǎn)工藝自產(chǎn)沼氣、污水處理系統(tǒng)自產(chǎn)再生水；可利用的可再生能源有太陽能、空氣能等。其中，污水處理系統(tǒng)設(shè)計污水處理量為850 m3/d，平均處理量為35.4 m3/h；園區(qū)規(guī)劃可利用沼氣量為110 000 Nm3/d，平均小時沼氣量為4 583 Nm3/h，光伏板可規(guī)劃利用屋頂面積為6 000 m2。

2 用能需求分析

2.1 工藝生產(chǎn)用汽

廚余垃圾處理中，工藝生產(chǎn)采用氣壓0.8 MPa的飽和蒸汽，最大小時用汽量為10 t/h，其中除油工藝8 t/h，脫氨工藝2 t/h；全天總用汽量為128 t/d，其中除油工藝80 t/d，脫氨工藝48 t/d。

2.2 建筑空調(diào)用熱用冷

各單體建筑空調(diào)能耗包括冬季供暖和夏季供冷兩部分。供暖及供冷負荷均按指標(biāo)[1]估算確定，如表2所示。經(jīng)合計，計算負荷總量為1 380 kW。

2.3 生產(chǎn)生活用電

該項目為工業(yè)項目，光伏發(fā)電量可作為自用電完全消納。為便于對比分析能源效率及用能成本，以光伏發(fā)電系統(tǒng)計算的可發(fā)電量為項目用電量，其余用電均為市政用電，不計入對比分析范圍。沼氣用能方案分析需要統(tǒng)一口徑，沼氣規(guī)劃方案為全部發(fā)電上網(wǎng)，故將沼氣發(fā)電上網(wǎng)收益損失作為沼氣使用成本。

3 能源利用效率分析

3.1 光伏發(fā)電

該項目光伏板可利用屋頂面積為6 000 m2，光伏發(fā)電效率一般可達21%，即按照額定光照強度1 000 W/m2，額定發(fā)電量為210 W/m2，光伏系統(tǒng)總裝機容量為1 260 kW，建筑光伏系統(tǒng)投資市場平均成本為4.5元/W。

根據(jù)我國太陽能資源分布情況，北京市全年輻射量不少于5 800 MJ/（m2·a）[2]，按發(fā)電效率21%計算，考慮0.8的折減系數(shù)，該光伏系統(tǒng)單位面積的全年發(fā)電量為270 kW·h/m2，全年最低發(fā)電總量為1 620 000 kW·h。北京市工業(yè)用電價格為0.8元/（kW·h），相比市政用電，該光伏系統(tǒng)年節(jié)約用電成本129.6萬元。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的各性能指標(biāo)及經(jīng)濟指標(biāo)如表3所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計使用年限為25年，經(jīng)計算，光伏發(fā)電系統(tǒng)年用電成本為22.7萬元。

3.2 沼氣鍋爐利用

該項目可利用沼氣總量為110 000 m3/d，平均小時可利用沼氣量為4 583 m3/h。工藝生產(chǎn)沼氣的CH4含量為45%～55%，熱值為21 MJ/Nm3，為天然氣的60%。常規(guī)蒸汽鍋爐效率一般不低于93%[3]。根據(jù)

式（1），可計算每蒸噸蒸汽所需消耗的沼氣量。

（1）

式中：L為每蒸噸蒸汽所需沼氣量，Nm3/t；h1為氣壓0.8 MPa的飽和蒸汽焓值，取2 773 kJ/kg；h2為20 ℃常溫水焓值，取83 kJ/kg；qz為沼氣熱值，取21 MJ/Nm3；ε為沼氣鍋爐效率，取93%。

經(jīng)計算，每蒸噸氣壓0.8 MPa的飽和蒸汽消耗沼氣140 m3，該工藝全天所需蒸汽量為128 t/d，則對應(yīng)的沼氣量為17 920 m3/d。供能方案中，全部采用蒸汽換熱提供熱水進行24 h連續(xù)供暖，根據(jù)供暖負荷，折算蒸汽消耗量及所需消耗的沼氣量，如表4所示。經(jīng)合計，沼氣消耗量為4 493 m3/d。另外，新建沼氣鍋爐系統(tǒng)，根據(jù)最大小時用汽12 t/h的需求，配置

3臺額定蒸發(fā)量4 t/h的沼氣鍋爐及配套補水系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗估算，系統(tǒng)初投資為300萬元。

3.3 沼氣發(fā)電余熱利用

沼氣通過發(fā)電機組發(fā)電上網(wǎng)，機組尾氣通過余熱鍋爐進行二次利用，制備工藝生產(chǎn)所需0.8 MPa飽和蒸汽，機組缸套冷卻水通過換熱器制備供暖所需循環(huán)熱水。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，進口沼氣發(fā)電機組發(fā)電效率可達43%，煙氣利用效率為20%，缸套冷卻水余熱利用效率為25%，即冬季熱電聯(lián)產(chǎn)總效率可達88%，夏季熱電聯(lián)產(chǎn)總效率可達63%。該項目設(shè)計沼氣量為110 000 Nm3/d，全部投入沼氣發(fā)電機組，按利用效率可實現(xiàn)的供能范圍如表5所示。

該項目沼氣發(fā)電的上網(wǎng)電價均價為0.45元/（kW·h）；所產(chǎn)蒸汽可覆蓋工藝生產(chǎn)所需全部用汽；所產(chǎn)熱水能夠承擔(dān)供暖負荷5 350 kW，按熱負荷指標(biāo)60 W/m2，可負擔(dān)建筑總面積89 160 m2的供暖需求。沼氣發(fā)電作為園區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃方案，不受該項目的供能結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，故沼氣發(fā)電余熱利用只需要增加余熱鍋爐及換熱系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗估算，系統(tǒng)初投資為300萬元。

3.4 污水低品位熱能

該項目污水處理系統(tǒng)的設(shè)計污水處理規(guī)模為850 t/d，流量能穩(wěn)定在800 t/d，平均小時污水流量為33.3 t/h。再生水對外輸送時冬季能夠維持在20 ℃，夏季能夠維持在25 ℃以上。再生水可通過水源熱泵進行低品位熱能利用，夏季為空調(diào)系統(tǒng)提供7 ℃冷水，冬季為空調(diào)系統(tǒng)提供45 ℃熱水。一般水源熱泵機組制冷能效比能夠達到5.6，45 ℃制熱能效比能夠達到4.2[4]，根據(jù)再生水小時流量，水源熱泵能夠承擔(dān)主生產(chǎn)車間、辦公區(qū)供暖及供冷負荷，水源熱泵耗電量如表6所示。該項目需要新建污水源熱泵系統(tǒng)，包括熱泵機組、一二次側(cè)循環(huán)水泵、補水系統(tǒng)等，根據(jù)工程測算，初投資為100萬元左右。

3.5 空氣源熱泵

空氣源熱泵受區(qū)域限制，嚴寒地區(qū)無法采用常規(guī)空氣源熱泵，氣溫-20 ℃以下熱泵性能衰減至少60%，與采用純電力供暖的能耗基本等效，經(jīng)濟性差。寒冷地區(qū)空氣源熱泵需要定期除霜，熱泵性能衰減40%[5-6]，能效比接近2.0。長江中下游地區(qū)等夏熱冬冷地區(qū)適合采用空氣源熱泵進行冬季供暖和夏季制冷，單獨采用空氣源制冷機組實現(xiàn)夏季供冷不受區(qū)域限制。

該項目可采用空氣源熱泵單獨為生活辦公區(qū)夏季供冷，冬季通過其他方式保證項目供暖。空氣源熱泵制冷能效比不低于3.6，按照此標(biāo)準計算夏季供冷能耗，如表7所示。根據(jù)工程測算，空氣源熱泵系統(tǒng)初投資為80萬元左右，與污水源熱泵系統(tǒng)初投資相當(dāng)。

4 綜合能源利用經(jīng)濟性分析

4.1 沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電

該項目生產(chǎn)的沼氣通過沼氣鍋爐制備0.8 MPa飽和蒸汽供工藝使用，部分蒸汽通過汽水換熱制備熱水，為建筑供暖提供循環(huán)熱水。空氣源熱泵以多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的形式為生活辦公區(qū)夏季供冷。生產(chǎn)生活用電采用市政供電，傳統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)不使用太陽能，為與光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一經(jīng)濟性分析口徑，根據(jù)前述確定生產(chǎn)生活全年用電量為1 620 000 kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8 MPa飽和蒸汽由沼氣鍋爐提供，工藝生產(chǎn)的沼氣消耗量為17 920 m3/d，年用沼氣成本為725.8萬元。該項目供暖負荷為950 kW，由沼氣鍋爐提供，經(jīng)前述分析，供暖沼氣消耗量為4 493 m3/d，年用沼氣成本為60.7萬元。該項目空調(diào)負荷為430 kW，年用電量為143 340 kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產(chǎn)生活年用電量為1 620 000 kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣鍋爐+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟性分析如表8所示。

4.2 沼氣發(fā)電+空氣源熱泵+市政供電

工藝生產(chǎn)沼氣通過沼氣發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后余熱利用，同時制備0.8 MPa飽和蒸汽和供暖用循環(huán)熱水?？諝庠礋岜靡远嗦?lián)機空調(diào)系統(tǒng)的形式為項目生活辦公區(qū)夏季供冷。生產(chǎn)生活用電采用市政供電，全年用電量為1 620 000 kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8 MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發(fā)電余熱制備，蒸汽為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目供暖負荷為950 kW，全部利用沼氣發(fā)電余熱，熱水為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽換熱方式，該用熱方式不計成本。該項目空調(diào)負荷為430 kW，年用電量為143 340 kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為11.5萬元。該項目生產(chǎn)生活年用電量為1 620 000 kW·h，市政工業(yè)用電電價為0.8元/（kW·h），年用電成本為129.6萬元。沼氣發(fā)電+空氣源熱泵+市政供電的經(jīng)濟性分析如表9所示。

4.3 沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能

該利用方式優(yōu)先使用可再生能源及工業(yè)余熱。工藝生產(chǎn)沼氣通過沼氣發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電后余熱利用，同時制備0.8 MPa飽和蒸汽和供暖用循環(huán)熱水。污水處理系統(tǒng)再生水通過水源熱泵同時承擔(dān)生產(chǎn)生活辦公區(qū)建筑冬季供暖和夏季供冷。屋頂敷設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)補充項目用電，年發(fā)電量為1 620 000 kW·h。該項目生產(chǎn)用0.8 MPa飽和蒸汽全部通過沼氣發(fā)電余熱制備，蒸汽為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽方式，該供汽方式不計成本。該項目生產(chǎn)區(qū)供暖負荷為735 kW，全部利用沼氣發(fā)電余熱，熱水為沼氣發(fā)電的額外產(chǎn)品，相比沼氣鍋爐供汽換熱方式，該用熱方式不計成本。該項目用水源熱泵承擔(dān)生產(chǎn)生活辦公區(qū)部分的冬季供暖和夏季供冷。經(jīng)計算，水源熱泵系統(tǒng)的供暖年用電成本為11.8萬元，供冷年用電成本為7.4萬元。根據(jù)前述分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)年用電成本為22.7萬元。沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能的經(jīng)濟性分析如表10所示。

4.4 能源結(jié)構(gòu)對比分析

從系統(tǒng)用能效率及經(jīng)濟性來看，能源結(jié)構(gòu)對比分析如表11所示。

5 結(jié)語

經(jīng)綜合比選，本項目最終采用沼氣發(fā)電+水源熱泵+太陽能的多能互補方案，可覆蓋其全部用能需求，這是一種可再生能源利用的較優(yōu)組合，盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)初投資較高，但其投資回收期較短（4.35年）。同時，沼氣可全部發(fā)電上網(wǎng)，煙氣余熱及缸套水余熱的再利用大大降低系統(tǒng)熱能浪費，提高整體用能效率，而水源熱泵對工藝自產(chǎn)再生水的二次熱能利用進一步提高工業(yè)園區(qū)綜合用能效率?？傮w來看，綜合利用工藝自產(chǎn)沼氣、光伏發(fā)電、水源熱泵等，形成多能互補的能源結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)建工業(yè)園區(qū)能源中心，是未來工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)零碳排放的重要途徑，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

參考文獻

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