劉　偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上海　200070

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分布式三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

劉偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

主要對(duì)分布式三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，針對(duì)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式三聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)造了規(guī)劃設(shè)計(jì)方法流程圖，并結(jié)合實(shí)例論證了最合適的方案，同時(shí)還分析了典型日機(jī)組的運(yùn)行策略，探討了天然氣價(jià)格、補(bǔ)貼政策對(duì)分布式三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響。

分布式能源； 三聯(lián)供； 規(guī)劃設(shè)計(jì)； 運(yùn)行優(yōu)化

分布式三聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合了高品位的能源發(fā)電和低品位的能源供熱或制冷，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，是一種先進(jìn)的用能方式，具有清潔、環(huán)保、高效等特點(diǎn)[1]，在樓宇建筑、區(qū)域工業(yè)園等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在分布式三聯(lián)供項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)程中，前期規(guī)劃設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié)之一，規(guī)劃設(shè)計(jì)是否合理往往會(huì)影響投運(yùn)后系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。同時(shí)，規(guī)劃設(shè)計(jì)又是一個(gè)十分繁瑣、復(fù)雜的工作，涉及系統(tǒng)配置、運(yùn)行方式、能源價(jià)格、政策補(bǔ)貼、負(fù)荷波動(dòng)等多種因素[2]。因此，在項(xiàng)目起步階段如何對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[3]。為了滿足實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)需求，以更好地發(fā)揮分布式三聯(lián)供項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)，研究了分布式三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，構(gòu)造了規(guī)劃設(shè)計(jì)方法流程圖，并對(duì)一個(gè)實(shí)際的分布式三聯(lián)供項(xiàng)目進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)及分析。

1　規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

分布式三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程包括配置選型和運(yùn)行優(yōu)化兩大部分[4]。前者決定了系統(tǒng)的年折舊費(fèi)用，后者則會(huì)影響系統(tǒng)的年燃料費(fèi)用。在進(jìn)行分布式三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)前作如下說明。

(1) 分布式三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)主要針對(duì)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式三聯(lián)供系統(tǒng)，包括典型微燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)、典型燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)、典型內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)[5]，如圖1～圖3所示。

(2) 原動(dòng)機(jī)是三聯(lián)供系統(tǒng)中的核心設(shè)備[6]，在分布式三聯(lián)供規(guī)劃設(shè)計(jì)中采用先選擇某一型號(hào)原動(dòng)機(jī)設(shè)備臺(tái)數(shù)，后配置余熱利用設(shè)備容量的策略，按照一拖一模式進(jìn)行系統(tǒng)方案配置，原動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)最大值取10。

(3) 對(duì)于配套余熱設(shè)備容量的計(jì)算，采取按照原動(dòng)機(jī)余熱量選型的策略進(jìn)行。而對(duì)于燃?xì)忮仩t、電空調(diào)這類滿足極端情況下冷熱負(fù)荷的余熱利用裝置，則按照最大冷熱負(fù)荷選型的策略進(jìn)行配置。

(4) 在運(yùn)行優(yōu)化方面，通過計(jì)算典型工況日的燃料費(fèi)用測算年燃料費(fèi)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(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)圖

圖2　典型燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)圖

圖3　典型內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)圖

(5) 認(rèn)為運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備出力相同，余熱利用設(shè)備作為一種熱量轉(zhuǎn)換裝置，效率為定值。

規(guī)劃設(shè)計(jì)流程如圖4所示： 根據(jù)所選定的原動(dòng)機(jī)型號(hào)，計(jì)算出滿足條件的若干套方案的主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如項(xiàng)目初投資、年折舊費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用、投資回收年限、系統(tǒng)利用效率等。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，從眾多可選方案中選擇最合適的一套方案。相關(guān)計(jì)算公式如下所示：

圖4　分布式三聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化流程圖

① 年折舊費(fèi)計(jì)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(shù)；i為年利率；N為系統(tǒng)使用年限；計(jì)算中i、N的取值分別為7%和15；Cinvestment為系統(tǒng)投資。

② 年運(yùn)行燃料費(fèi)用計(jì)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(yùn)行費(fèi)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(shù)。

典型日運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化方面，將典型日分為24h時(shí)段，對(duì)每一時(shí)段采用線性規(guī)劃算法進(jìn)行三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化，每一時(shí)段運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算流程如圖5所示。通過對(duì)每一時(shí)段燃料費(fèi)用求和，計(jì)算出典型工況日的燃料費(fèi)用。詳細(xì)計(jì)算過程見文獻(xiàn)[9]。

③ 靜態(tài)投資回收期計(jì)算公式[10]：

(4)

④ 系統(tǒng)綜合效率計(jì)算公式[10]：

(5)

式中：eff為年平均能源綜合利用率；W為三聯(lián)供系統(tǒng)年發(fā)電量，kWh；Q為年余熱(供熱或制冷)利用量，GJ；B為分布式三聯(lián)供系統(tǒng)年燃?xì)饪偤牧?，m3；QL為燃?xì)獾臀粺嶂?，kJ/m3。

圖5　分布式三聯(lián)供系統(tǒng)典型日運(yùn)行策略優(yōu)化流程圖

2　優(yōu)化實(shí)例

2.1負(fù)荷

以上海某企業(yè)冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目為實(shí)例，企業(yè)負(fù)荷主要有兩類： 一類為蒸汽熱負(fù)荷(參數(shù)為1MPa飽和蒸汽)，滿足生產(chǎn)用汽及冷熱負(fù)荷需求；一類為機(jī)械設(shè)備運(yùn)行及生活所需的電力負(fù)荷。圖6～圖8依次為夏季、過渡季、冬季典型日電和蒸汽負(fù)荷特性曲線。

圖6　夏季典型日負(fù)荷特性

圖7　過渡季典型日負(fù)荷特性

圖8　冬季典型日負(fù)荷特性

2.2能源價(jià)格

當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格見表1。其中，峰段電價(jià)時(shí)間段為8：00～11：00、18：00～21：00，平段電價(jià)時(shí)間段為6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段電價(jià)時(shí)間段為22：00～次日6：00。

表1　能源價(jià)格

2.3設(shè)備特性

選用三菱1.5MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)，根據(jù)三菱方面資料，1.5MW分布式內(nèi)燃機(jī)三聯(lián)供項(xiàng)目單位建設(shè)成本約6800元/kW?？紤]項(xiàng)目建設(shè)過程中可能會(huì)產(chǎn)生其它費(fèi)用，項(xiàng)目單位建設(shè)投資成本按照7800元/kW估算。1.5MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)設(shè)備特性見表2，余熱鍋爐效率取0.75，燃?xì)忮仩t效率取0.9。

表2　1.5MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電輸出與排熱回收各項(xiàng)數(shù)據(jù)

2.4補(bǔ)貼收入

根據(jù)2013年1月上海市發(fā)改委《上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)和燃?xì)饪照{(diào)發(fā)展專項(xiàng)扶持辦法》，對(duì)天然氣分布式供能項(xiàng)目按照1000元/kW給予設(shè)備投資補(bǔ)貼，對(duì)年平均能源綜合利用效率達(dá)到70%及以上，且年利用小時(shí)在2000h及以上的分布式供能項(xiàng)目再給予2000元/kW的補(bǔ)貼，每個(gè)項(xiàng)目享受的補(bǔ)貼最高不超過5000萬元。

3　結(jié)果分析

規(guī)劃結(jié)果匯總?cè)绫?所示，每套方案的具體指標(biāo)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(tǒng)總效率，已經(jīng)采取了用部分缸套水和中冷水預(yù)熱鍋爐給水(加熱至85℃)的措施。從表4可以看出，在年總費(fèi)用方面三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)于熱電分產(chǎn)。隨著原動(dòng)機(jī)設(shè)備臺(tái)數(shù)的增加，系統(tǒng)投資費(fèi)用增加，而燃料費(fèi)用會(huì)逐步降低直至達(dá)到一個(gè)定值，這是因?yàn)榇藭r(shí)原動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量超過系統(tǒng)負(fù)荷需求，會(huì)有一部分機(jī)組處于停運(yùn)狀態(tài)，燃料費(fèi)用已經(jīng)無法再降低。

表3　方案匯總表

表4　氣價(jià)3.13元/m3、內(nèi)燃機(jī)補(bǔ)貼3000元/kW規(guī)劃方案比較

可以看出方案5年總費(fèi)用最低，不過用戶對(duì)方案的選擇還要綜合考慮其它一些因素，比如初投資費(fèi)用承受能力、建設(shè)場地限制、投資回收期、補(bǔ)貼領(lǐng)取條件等。由于上海對(duì)三聯(lián)供項(xiàng)目的補(bǔ)貼需綜合效率大于70%，而該企業(yè)實(shí)際熱水負(fù)荷消納能力欠缺，通過建廠用浴室勉強(qiáng)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(xiàng)目初投資、投資回收期、年總費(fèi)用等方面也具有一定優(yōu)勢(shì)，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(tǒng)機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。三種典型日機(jī)組運(yùn)行策略相同(紅、綠、藍(lán)三種顏色曲線重合)，運(yùn)行方式為：

圖9　方案2典型日機(jī)組運(yùn)行策略

(1) 6：00～22：00，機(jī)組滿載運(yùn)行，盡可能多地為企業(yè)提供蒸汽和電力，負(fù)荷尖峰時(shí)段，蒸汽不足部分由燃?xì)忮仩t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(jià)，分布式機(jī)組全部停止運(yùn)行，蒸汽全部由燃?xì)忮仩t提供，電力全部外購。

燃料價(jià)格對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益有很大的影響，雖然上海對(duì)三聯(lián)供項(xiàng)目有補(bǔ)助，但是當(dāng)氣價(jià)漲至4.13元/m3時(shí)，在年總費(fèi)用方面三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已微乎其微，見表5。在沒有補(bǔ)貼的情況下，氣價(jià)漲至3.63元/m3時(shí)，三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益已基本沒有，見表6。

表5　氣價(jià)4.13元/m3、內(nèi)燃機(jī)補(bǔ)貼3000元/kW規(guī)劃方案比較

表6　氣價(jià)3.63元/m3、內(nèi)燃機(jī)無補(bǔ)貼規(guī)劃方案比較

4　結(jié)論

通過研究分布式三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，構(gòu)造了規(guī)劃設(shè)計(jì)方法流程圖，對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論。

(1) 由于上海對(duì)三聯(lián)供項(xiàng)目的補(bǔ)貼需綜合效率大于70%，如果企業(yè)有足夠的熱水負(fù)荷消納能力，可以推薦方案5。而該企業(yè)實(shí)際熱水負(fù)荷消納能力相對(duì)欠缺，通過建廠用浴室勉強(qiáng)可將方案2綜合效率提升到70%，因此，結(jié)合該企業(yè)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(tǒng)采用日啟夜停的運(yùn)行模式： 6：00～22：00，機(jī)組滿載運(yùn)行；22：00～次日6：00，為充分享受低谷電價(jià)，分布式機(jī)組全部停止運(yùn)行。

(3) 燃料價(jià)格對(duì)三聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。雖然上海對(duì)三聯(lián)供項(xiàng)目有補(bǔ)助，但是當(dāng)氣價(jià)漲至4.13元/m3時(shí)，三聯(lián)供項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益已微乎其微。而在沒有補(bǔ)貼的情況下，氣價(jià)漲至3.63元/m3時(shí)，三聯(lián)供項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益已基本沒有。

以上結(jié)論對(duì)相關(guān)專業(yè)人員具有參考價(jià)值。

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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(tǒng)仿真與規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM-9；TK01+9

A

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