寶雞市同昌燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限責(zé)任公司　馮粉莉

分布式能源供能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

寶雞市同昌燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限責(zé)任公司馮粉莉

闡述了天然氣分布式能源的原理，樓宇型和區(qū)域型系統(tǒng)運(yùn)行原理及發(fā)展分布式能源的主要優(yōu)點(diǎn)和意義，并通過應(yīng)用于實(shí)際的樓宇式項(xiàng)目進(jìn)行負(fù)荷以及相應(yīng)分析，揭示了燃?xì)夥植际侥茉丛谕茝V應(yīng)用上具有明顯的優(yōu)勢。

分布式能源燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)節(jié)能減排推廣

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率70%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是天然氣高效利用的重要方式。

在能源用戶端以天然氣為燃料，經(jīng)由燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、制冷機(jī)等聯(lián)合循環(huán)能源梯級(jí)利用系統(tǒng)發(fā)電、制熱、制冷，為用戶提供清潔、優(yōu)質(zhì)、可靠的冷、熱、電能源服務(wù)。在當(dāng)前加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和加大節(jié)能減排力度的新形勢下，發(fā)展天然氣分布式能源站具有十分重要的意義。

1　理論分析

1.1分布式能源的原理

分布式能源的原理主要是通過能源的梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)能源綜合利用效率70%以上。能源利用如表1所示。

表1　熱能梯級(jí)利用

1.2分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行方式

分布式能源的系統(tǒng)運(yùn)行方式分為樓宇型和區(qū)域型兩種。

樓宇型的適合于冷熱電負(fù)荷穩(wěn)定、用能時(shí)間長、用能安全性高、環(huán)保節(jié)能要求較高的項(xiàng)目。比如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機(jī)場高鐵站以及酒店、商場、寫字樓等項(xiàng)目。使用的主要設(shè)備是內(nèi)燃機(jī)、小型燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)等。其投資較小，建設(shè)審批手續(xù)時(shí)間較短，建設(shè)周期短、項(xiàng)目投資回收快。目前國內(nèi)已經(jīng)建成及正在建設(shè)的有新奧的黃花機(jī)場、中石油數(shù)據(jù)中心，泰州醫(yī)藥城等項(xiàng)目。

樓宇型系統(tǒng)運(yùn)行方式見圖1。

圖1　樓宇型系統(tǒng)運(yùn)行方式示意

區(qū)域型分布式能源項(xiàng)目用戶主要為工業(yè)用戶，開發(fā)的重點(diǎn)應(yīng)集中于工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等。其使用的是聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，項(xiàng)目投資較大，建設(shè)審批時(shí)間較長。目前國內(nèi)在建的有華電江都開發(fā)區(qū)、南京浦口開發(fā)區(qū)、華電廣州大學(xué)城等。

區(qū)域型系統(tǒng)運(yùn)行方式見圖2。

圖2　區(qū)域型系統(tǒng)運(yùn)行方式示意

1.3分布式能源的主要優(yōu)點(diǎn)

1.3.1節(jié)能減排

傳統(tǒng)火電的綜合能源利用效率只有40%～50%，分布式供能系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達(dá)到70%～80%。燃?xì)忮仩t直接供熱的效率雖然較高，但是它的最終產(chǎn)出能量形式為低品位的熱能，而分布式供能系統(tǒng)中有45%左右的高品位電能產(chǎn)出。因此分布式供能系統(tǒng)的能源綜合利用效率比傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電和燃?xì)忮仩t直接供熱的傳統(tǒng)供能方式有大幅度提高。同時(shí)與傳統(tǒng)熱電分供方式相比，粉塵、SO2、NOx等污染物排放量接近于零，CO2排放量下降40%，具有顯著的環(huán)保效益，將進(jìn)一步推進(jìn)建設(shè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)工作。

1.3.2有利于電力和燃?xì)庀鞣逄罟?/p>

分布式能源項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂碗娏﹄p重“削峰填谷”。一般而言，電力高峰和燃?xì)獾凸韧瑫r(shí)出現(xiàn)在夏季，采用分布式能源系統(tǒng)，燃燒天然氣發(fā)電，增加夏季的燃?xì)馐褂昧?，同時(shí)利用余熱供冷，降低了夏季電制冷機(jī)組用電量，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夂碗娏Φ碾p重“削峰填谷”。

1.3.3提高供能安全性

分布式能源站可以靈活分布，就近建設(shè)，直接面對能源用戶，在提高能源利用率的同時(shí)，也相當(dāng)于為用戶增加了一路供電、供冷和供熱的途徑，特別是針對一些經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)這類重點(diǎn)用能區(qū)域，在出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)可以確保安全供電，減緩了電力供應(yīng)對集中供能系統(tǒng)的過分依賴，提高了用戶用能的安全性，可作為城市大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充。

1.3.4有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

我國是以煤為主的能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，在一次能源中煤炭占70%左右。過度依賴煤炭的能源結(jié)構(gòu)，造成我國能效水平不高、污染嚴(yán)重、鐵路公路運(yùn)輸不堪重負(fù)、安全事故多發(fā)，而且承受越來越大減排CO2的國際壓力。加快非煤能源發(fā)展、努力降低煤炭占一次能源的比例，是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期國家能源戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。從我國目前非煤能源資源條件看，天然氣具有的資源量不斷提高、輸送損耗低、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性逐步提高等特點(diǎn)，決定了天然氣分布式能源站具備大發(fā)展條件，是規(guī)模化替代煤炭、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)最為現(xiàn)實(shí)的選擇。

1.3.5具有較好的經(jīng)濟(jì)效益

分布式能源站規(guī)模小、建設(shè)快、運(yùn)行維護(hù)較簡單；在實(shí)現(xiàn)供冷供熱的同時(shí)還能產(chǎn)生高品位的電能，能源利用效率高且能源產(chǎn)品多樣，而且靠近用戶端，減少了管道線路投資和能源損耗；在管理體系上，可依托智能信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化管理，通過社會(huì)化服務(wù)體系提供設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)一體化保障；使得分布式能源站具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2　工程項(xiàng)目的案例分析

區(qū)域型項(xiàng)目屬于大型項(xiàng)目，需要做詳細(xì)的方案說明，本案例工程供能對象為新建設(shè)加氣站和相鄰的新建酒店為對象的樓宇型項(xiàng)目。加氣站與酒店僅一墻之隔，酒店總建筑面積為1.5萬m2，加氣站有全年穩(wěn)定的電負(fù)荷需求，而酒店有全年穩(wěn)定的熱水負(fù)荷需求。

2.1負(fù)荷分析

按照《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145—2010)中3.2～3.4條的規(guī)定：對新建建筑或不能獲得實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)的既有建筑進(jìn)行聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)本建筑設(shè)計(jì)負(fù)荷資料，參考相似建筑實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，并應(yīng)繪制不同季節(jié)典型日注釋負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線。進(jìn)行聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷曲線進(jìn)行計(jì)算聯(lián)供系統(tǒng)全年供冷量、供熱量、供電量。

加氣站內(nèi)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備是1臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)額定電機(jī)功率為200 kW。壓縮機(jī)每天運(yùn)行13～15 h，啟停3～4次。根據(jù)加氣站總耗電量和加氣站壓縮機(jī)每天運(yùn)行時(shí)間，可知加氣站平均穩(wěn)定用電負(fù)荷約136 kW。酒店有220個(gè)房間，其中55%大床房、40%標(biāo)準(zhǔn)間和5%套房，其總床位為308張(暫按大床房和套房各為一張床位，標(biāo)準(zhǔn)間為兩張床位考慮)。參考《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50015—2003)，熱水負(fù)荷指標(biāo)取每床160 L/d，則熱水負(fù)荷為50 t/d，平均熱水負(fù)荷為2.1 t/h?？紤]小時(shí)變化系數(shù)(取2.6)，則最大熱水負(fù)荷為5.46 t/h(折合熱量444 kW)。

根據(jù)現(xiàn)場資料信息及酒店建筑類型的特點(diǎn)，得到本項(xiàng)目加氣站典型日逐時(shí)電負(fù)荷情況和酒店生活熱水負(fù)荷變化規(guī)律，如圖3、圖4所示；逐月電負(fù)荷和酒店熱水負(fù)荷變化曲線圖，如圖5、圖6所示。

圖3　典型日電負(fù)荷變化曲線

圖4　典型日生活熱水負(fù)荷變化曲線

圖5　月電負(fù)荷變化曲線

圖6　逐月熱水負(fù)荷變化曲線

從以上典型日、逐月負(fù)荷變化規(guī)律可以看出，酒店生活熱水的耗量主要集中在早、中、晚時(shí)段，該三個(gè)時(shí)段內(nèi)的生活熱水負(fù)荷用量較大，特別是在酒店早晚時(shí)段，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)段是酒店旅客洗漱和洗澡的高峰期。

儲(chǔ)配站用電負(fù)荷主要在日間，加氣站每天加氣車輛比較穩(wěn)定，每天壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間為 13～15小時(shí)左右，每天啟停3～4次，停機(jī)時(shí)間主要在夜間23：00～5：00；加氣站典型日電負(fù)荷中最大值出現(xiàn)在早上5：00～7：00和晚上19：00～21：00，這段時(shí)間屬于車輛加氣的高峰。

經(jīng)上圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)配站和加氣站年總耗電量約83.6萬kWh；酒店全年耗熱水量約2萬噸。

2.2設(shè)備選型及配置

2.2.1設(shè)備配置

根據(jù)根據(jù)上面的負(fù)荷分析，為保障分布式能源系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能運(yùn)行，本項(xiàng)目適用的發(fā)電機(jī)組容量范圍應(yīng)120kW左右。根據(jù)項(xiàng)目需求，本工程考慮選用微燃機(jī)熱電聯(lián)供一體機(jī)+燃?xì)鉄崴仩t。

主要設(shè)備選型如下表2所示：

表2　分布式能源系統(tǒng)主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

本方案配置2套微燃機(jī)熱電聯(lián)供一體機(jī)，總裝機(jī)規(guī)模為130 kW，余熱產(chǎn)生總熱水量約2.85 t(80℃熱水)，另設(shè)1臺(tái)700 kW的燃?xì)鉄崴仩t。

微燃機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單(一鍵式啟停)、維護(hù)工作量少、占地面積小、無振動(dòng)和布置比較方便(可露天布置、室外屋頂布置等)，噪聲小且具有方向性，污染物排放低，無輔助設(shè)備，最重要的是可實(shí)現(xiàn)無人值守，減少人工費(fèi)用；缺點(diǎn)是發(fā)電效率較低(29%左右)，燃?xì)膺M(jìn)氣壓力高(0.5 MPa)。

2.2.2工藝流程

本方案的工藝流程示意圖如圖7所示：

圖7　工藝流程示意

供電：微燃機(jī)所發(fā)電力除少部分能源站自用外，其余電力主要滿足加氣站壓縮機(jī)用電需求。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)每天運(yùn)行約13～14 h，每年運(yùn)行335 d，在其余時(shí)間機(jī)組可根據(jù)需求停機(jī)檢修和保養(yǎng)，不足電負(fù)荷由市電提供。

供熱：微燃機(jī)的高溫?zé)煔馔ㄟ^與熱電聯(lián)供一體機(jī)進(jìn)行換熱出80℃熱水，供酒店生活熱水，多余的熱水可通過蓄熱罐儲(chǔ)存。當(dāng)余熱量不夠時(shí)，可以通過燃?xì)鉄崴仩t進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)充。

2.3三聯(lián)供利用效率分析

根據(jù)按照《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145—2010)中1.0.5條的規(guī)定：聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)大于70%。

按照《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》中3.3.5條的規(guī)定：聯(lián)供系統(tǒng)年平均能源綜合利用率應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：ν——年平均能源綜合利用率，%；

w——年凈輸出電量，kW·h；

Q1——年有效余熱供熱總量，MJ；

Q2——年有效余熱供冷總量，MJ；

B—年燃?xì)饪偤牧?，m3；

QL—燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，MJ/m3。

2.4三聯(lián)供經(jīng)濟(jì)費(fèi)用分析

本分布式能源方案投資估算的內(nèi)容主要包括能源站內(nèi)系統(tǒng)主設(shè)備費(fèi)用(發(fā)電機(jī)、余熱利用設(shè)備和調(diào)峰設(shè)備)和配套對應(yīng)的電氣、燃?xì)?、控制和水處理系統(tǒng)等附屬設(shè)備費(fèi)用以及相應(yīng)安裝工程費(fèi)，見表3。

表3　項(xiàng)目投資估算表

本項(xiàng)目的財(cái)務(wù)分析編制依據(jù)：《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法與參數(shù)》（第三版）。經(jīng)初步估算，本項(xiàng)目微燃機(jī)系統(tǒng)靜態(tài)投資約為255萬元。微燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)所需燃?xì)夤鈮毫?.5 MPa，系統(tǒng)每小時(shí)最大用氣量約100 m3/h，年燃?xì)庥昧吭?6.9萬m3左右。

資金來源：建設(shè)投資100%按自籌考慮，無需考慮商業(yè)貸款。按照工程的施工進(jìn)度安排，方案各年度資金使用比例如下：第一年投入100%。項(xiàng)目的經(jīng)營期達(dá)產(chǎn)進(jìn)度為（開始建設(shè)后一年）第一年即達(dá)產(chǎn)100%。其財(cái)務(wù)分析數(shù)據(jù)見表4：

表4　財(cái)務(wù)分析技術(shù)參數(shù)表

本方案參考業(yè)主給出的水電氣價(jià)進(jìn)行初步測算，而熱水價(jià)格都是按照常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行折算，需要進(jìn)一步與酒店進(jìn)行溝通確認(rèn)。陜西省電力公司給出的2014年2月份場站電費(fèi)清單知，加氣站電費(fèi)的結(jié)算價(jià)格：95%電量電價(jià)為大工業(yè)電價(jià)，5%電量電價(jià)為工商業(yè)電價(jià)，另外附加基本容量電費(fèi)，見表5。

表5　能源價(jià)格表

能源站不僅滿足加氣站的用電需求，同時(shí)還滿足酒店的生活熱水需求。分布式能源系統(tǒng)在財(cái)務(wù)基準(zhǔn)收益率為8%的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全部投資現(xiàn)金流量分析，在以上能源價(jià)格的基礎(chǔ)上測算項(xiàng)目的收益率。項(xiàng)目的主要財(cái)務(wù)評價(jià)指標(biāo)匯總見表6：

表6　項(xiàng)目財(cái)務(wù)評價(jià)主要指標(biāo)

由上分析可知，在以上能源價(jià)格的基礎(chǔ)上，按氣價(jià)1.98元/m3和熱水價(jià)格29.6元/t進(jìn)行測算，微燃機(jī)系統(tǒng)全投資內(nèi)部收益率(稅后)為8.73%。

3　結(jié)語

通過對燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的應(yīng)用分析，通過案例分析及對比計(jì)算得出以下結(jié)論：

(1)建設(shè)三聯(lián)供系統(tǒng)是綜合能源利用率較高、經(jīng)濟(jì)效益明顯的能源供應(yīng)方式，采用天然氣分布式能源供應(yīng)方式，符合國家新型能源發(fā)展方向，技術(shù)成熟可行。

(2)以該項(xiàng)目為例，系統(tǒng)靜態(tài)投資約為255萬元。按氣價(jià)1.98元/m3和熱水價(jià)格29.6元/t進(jìn)行測算，微燃機(jī)系統(tǒng)全投資內(nèi)部收益率(稅后)為8.73%，盈利能力良好，并且具有較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。目前對發(fā)電機(jī)余熱的利用是通過系統(tǒng)一體機(jī)出熱水供酒店的生活熱水，遠(yuǎn)期可根據(jù)需要預(yù)留余熱溴化鋰的位置來提供項(xiàng)目的制冷需求。

(3)采用三聯(lián)供系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能、減排優(yōu)勢。以該項(xiàng)目為例其與常規(guī)系統(tǒng)相比，全系統(tǒng)節(jié)能率在28%以上，每年可以減少一次能源消耗折標(biāo)煤約421 t以上，減少CO2排放在1 137 t以上。

因此，采用分布式能源系統(tǒng)對一次能源的消耗更少，NOx的排放量大幅度減少，同時(shí)結(jié)合工程案例分析，天然氣分布式能源具有一定的可操作性，比常規(guī)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，近年勢必將得到較大推廣。

Application Analysis of Distributed Energy System

Baoji Tongchang Gas Engineering Design Co., LtdFeng Fenli

The theory of natural gas distributed energy system is elaborated, and the working principles of the system applied in the buildings and the districts, advantages and meanings of the system are introduced too. By the analysis of the projects implemented, it has verified that it has obvious advantages of popularization and application.

distributed energy, natural gas CHP system, energy saving and emission reduction, popularization