邱曉娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

“分布式能源站”在資源利用中的綜合應(yīng)用

邱曉娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

節(jié)能、提高能源利用率是我國(guó)能源戰(zhàn)略的首要問(wèn)題，是可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，近年來(lái)分布式能源系統(tǒng)被廣大企業(yè)用戶(hù)接受，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)家也相應(yīng)出臺(tái)了一系列有利于分布式能源的產(chǎn)業(yè)政策。風(fēng)電、光伏、天然氣、沼氣等小型發(fā)電項(xiàng)目開(kāi)始興起。西安某星級(jí)酒店配套天然氣能源站項(xiàng)目，在兩年的運(yùn)行中出現(xiàn)各種問(wèn)題，筆者對(duì)其進(jìn)行研究并提供優(yōu)化改造建議。

天然氣能源站；三聯(lián)供；燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；分布式能源

西安某星級(jí)酒店積極響應(yīng)國(guó)家的有關(guān)政策，決定新建“分布式能源綜合項(xiàng)目”，合理有效利用天然氣資源，減少環(huán)境污染，提高酒店綜合效益，在行業(yè)內(nèi)起到帶頭和示范作用。所謂是指分布在用戶(hù)端的能源綜合利用系統(tǒng)，以冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，并網(wǎng)運(yùn)行，向一定區(qū)域內(nèi)用戶(hù)提供電力、蒸汽、熱水和空調(diào)制冷等能源服務(wù)的系統(tǒng)[1-2]?！胺植际侥茉淳C合項(xiàng)目”在我國(guó)還處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差得很遠(yuǎn)。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，只要有冷、熱、電需求的行業(yè)均可以適用。該酒店選用1×400 kW+1×600 kW兩臺(tái)天然氣內(nèi)燃機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。由于前期經(jīng)驗(yàn)不足，該分布式能源綜合項(xiàng)目投入運(yùn)行后也產(chǎn)生一些問(wèn)題，本文根據(jù)實(shí)際情況提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

1 項(xiàng)目概況

該酒店位于西安高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的商業(yè)區(qū)核心位置，樓高24層，擁有381間潮流時(shí)尚的客房，擁有1個(gè)無(wú)柱式大宴會(huì)廳、5個(gè)多功能廳以及1個(gè)貴賓接待廳。該酒店用電也采用平谷峰不同時(shí)段計(jì)價(jià)，該酒店原設(shè)計(jì)能源配置情況大致如下：

現(xiàn)有用能模式是典型的分供系統(tǒng)，即用單一主機(jī)滿(mǎn)足單一需求，如圖1所示。

制冷：2臺(tái)直燃機(jī)，3臺(tái)空調(diào)水泵+3臺(tái)冷卻水泵。

供暖：2臺(tái)直燃機(jī)，3臺(tái)空調(diào)水泵。

熱水：3臺(tái)燃?xì)忮仩t產(chǎn)95℃的一次熱水，經(jīng)6個(gè)換熱器換熱后供55℃的生活熱水。24層樓頂設(shè)置90 t水箱一座，冷水管道與負(fù)一層換熱器相連，冷水下沉，熱水在連通管壓力作用下供應(yīng)各樓層，無(wú)須水泵。

洗衣房：工作時(shí)間為8：00-17：00，需要用到蒸汽。

以酒店2012年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)：

供熱負(fù)荷：對(duì)于酒店現(xiàn)有供能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單臺(tái)直燃機(jī)的供熱負(fù)荷為1 853 kW（兩臺(tái)），在特別嚴(yán)寒時(shí)刻，會(huì)短暫超過(guò)此負(fù)荷（一年約幾小時(shí)）。

圖1 酒店現(xiàn)有分供系統(tǒng)流程

供冷負(fù)荷：對(duì)于供冷負(fù)荷，酒店現(xiàn)有的直燃機(jī)供冷負(fù)荷2 215 kW（兩臺(tái)），在特別炎熱時(shí)刻，會(huì)短暫超過(guò)此負(fù)荷（一年約幾小時(shí)）。熱水負(fù)荷基本恒定，按照熱水鍋爐燃?xì)庀牧看_定，鍋爐效率取0.87，熱水需求為180 t/d。平均每月非谷用電負(fù)荷如圖2所示。

圖2 2012年月平均非谷用電負(fù)荷

2 能源站設(shè)置原則

天然氣分布式能源站供能，是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的。它利用先進(jìn)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒潔凈的天然氣發(fā)電，經(jīng)過(guò)有效配置冷熱資源，通過(guò)能源的梯級(jí)利用，為該酒店供暖、供冷、供電以及解決能源需求?？梢园讶?xì)赓Y源能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到85%左右，大量節(jié)省了一次能源[3]。

分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)采用余熱來(lái)提供冬季用戶(hù)所需要的熱負(fù)荷和夏季用戶(hù)所需要的冷負(fù)荷，由此可大大減小使用空調(diào)而引起的用電負(fù)荷高峰值，從而優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)，減少電機(jī)組設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間，保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全，同時(shí)起到削電峰填氣谷的作用。

電氣并網(wǎng)不上網(wǎng)，以基荷電力確定燃機(jī)發(fā)電功率，不足電力從電網(wǎng)補(bǔ)充，發(fā)電機(jī)不向電網(wǎng)供電。內(nèi)燃機(jī)排煙用于溴化鋰空調(diào)制冷供暖，空調(diào)不補(bǔ)燃。在冷熱負(fù)荷尖峰時(shí)刻，內(nèi)燃機(jī)煙氣不足以驅(qū)動(dòng)溴化鋰空調(diào)時(shí)，投運(yùn)風(fēng)冷熱泵機(jī)組，將熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷。

由于峰谷電價(jià)的影響，本能源站只在白天運(yùn)行，所發(fā)電力滿(mǎn)足酒店白天的用電負(fù)荷。在夜間（即谷峰電價(jià)期間23:30-7:00）不開(kāi)機(jī)，酒店所需電力從電網(wǎng)獲得，幫助電網(wǎng)削峰填谷。因此，燃?xì)獍l(fā)電裝置的功率選擇，最好接近或小于酒店白天的負(fù)荷，并具有較大的調(diào)節(jié)靈活性。夜間的冷熱負(fù)荷由熱泵提供。

在非采暖、制冷期，沒(méi)有冷熱負(fù)荷的時(shí)候，動(dòng)力機(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)電運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性如何直接影響設(shè)備運(yùn)行方式及投資經(jīng)濟(jì)可靠性。如果發(fā)電設(shè)備在不聯(lián)合循環(huán)的狀態(tài)下運(yùn)行，其發(fā)電的燃料成本、運(yùn)行成本能夠低于從電網(wǎng)購(gòu)電的代價(jià)，并有利潤(rùn)，其運(yùn)行將是合理的[4]。如表1所示，在純發(fā)電工況，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的天然氣燃料成本，加之運(yùn)行成本都將低于白天從電網(wǎng)購(gòu)電的代價(jià)。此處天然氣的價(jià)格是2.3元/Nm3。

表1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電成本核算

3 能源站方案擬定

本項(xiàng)目能源站復(fù)核燃?xì)獍l(fā)電成本后，采“自發(fā)自用、以基荷電力定容量”原則對(duì)能源站的設(shè)備進(jìn)行選型。不足電力從電網(wǎng)補(bǔ)充，不足熱量補(bǔ)燃解決，和電力“并網(wǎng)不上網(wǎng)售電”。由于有網(wǎng)電的支持，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的功率選擇可以小于或接近大樓的實(shí)際電力負(fù)荷，且系統(tǒng)運(yùn)行靈活、可靠。

能源站建設(shè)地點(diǎn)是現(xiàn)有地下二層（原車(chē)位）及室外空地。本工程建（構(gòu)）筑物主要包括燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組+1×870 kW煙氣型溴化鋰空調(diào)及煙道、循環(huán)水等附屬系統(tǒng)。

3.1 能源站設(shè)備選型情況

內(nèi)燃機(jī)：根據(jù)往年的酒店用電負(fù)荷，選擇發(fā)電功率為1 000 kW，考慮到負(fù)荷波動(dòng)以及檢修時(shí)備用，選用1×400 kW+1×600 kW兩臺(tái)天然氣內(nèi)燃機(jī)組。

煙氣型溴化鋰空調(diào)：根據(jù)以電定熱原則，內(nèi)燃機(jī)煙氣量帶動(dòng)煙氣型溴化鋰空調(diào)。在電負(fù)荷達(dá)到1 000 kW時(shí)，煙氣流量為5 300 kg/h，匹配制冷量為870 kW的溴化鋰空調(diào)。

風(fēng)冷熱泵機(jī)組：空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，更適用于同時(shí)具有采暖和制冷需求的用戶(hù)。機(jī)組戶(hù)外安裝，省去了機(jī)房，節(jié)約了建筑投資。無(wú)須冷卻塔，同時(shí)省去了冷卻水泵和管路，減少了附加設(shè)備的投資。在本項(xiàng)目中，當(dāng)溴化鋰空調(diào)不能滿(mǎn)足尖峰冷熱負(fù)荷的時(shí)候，投運(yùn)風(fēng)冷熱泵機(jī)組。

3.2 能源利用效率

該能源站建立以后，能源利用效率提高將超過(guò)現(xiàn)有用能模式，表現(xiàn)在如下方面：

（1）電負(fù)荷。白天將由自發(fā)電承擔(dān)，單位千瓦時(shí)發(fā)電成本為0.75元，低于峰電價(jià)和平電價(jià)。谷電時(shí)從電網(wǎng)取電。根據(jù)2012年度數(shù)據(jù)，白天總負(fù)荷為399萬(wàn)kW·h，為了滿(mǎn)足該負(fù)荷，須耗氣114萬(wàn)m3。

（2）冷負(fù)荷。原先制冷使用直燃機(jī)消耗天然氣制取，年消耗天然氣21.6萬(wàn)m3?，F(xiàn)在全年59%冷負(fù)荷由內(nèi)燃機(jī)尾氣帶動(dòng)，不消耗一次能源；剩余41%冷負(fù)荷由風(fēng)冷熱泵機(jī)組承擔(dān)，該機(jī)組制冷COP達(dá)到3.2，遠(yuǎn)超直燃機(jī)的1.31。

（3）熱負(fù)荷。原先供暖使用直燃機(jī)消耗天然氣制取，年消耗天然氣35萬(wàn)m3?，F(xiàn)在全年90%熱負(fù)荷由太陽(yáng)能和內(nèi)燃機(jī)余熱帶動(dòng)，不消耗一次能源；全年10%熱負(fù)荷由風(fēng)冷熱泵機(jī)組承擔(dān)，該機(jī)組供暖COP達(dá)到3.8，遠(yuǎn)超直燃機(jī)的0.9。

（4）熱水負(fù)荷。原先使用燃?xì)忮仩t消耗天然氣制取熱水，現(xiàn)在可利用太陽(yáng)能、內(nèi)燃?xì)飧滋姿?、溴化鋰空調(diào)、煙氣換熱器、風(fēng)冷熱泵機(jī)組等多渠道制取，天然氣消耗量為零，不消耗或者消耗少量電能。

（5）洗衣房蒸汽負(fù)荷。保留原來(lái)蒸汽鍋爐，年耗氣量與原來(lái)一致，均為212 977 m3天然氣，費(fèi)用49萬(wàn)元。

3.3 電氣系統(tǒng)

本項(xiàng)目能源中心內(nèi)共設(shè)2臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組出口電壓為400 V，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組所發(fā)電量通過(guò)1臺(tái)低壓機(jī)組斷路器柜輸送及控制，配備2臺(tái)低壓機(jī)組斷路器柜，兩臺(tái)內(nèi)燃機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)出口斷路器柜直接并網(wǎng)至業(yè)主總低壓配電室總變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)上。為確保內(nèi)燃機(jī)輔助設(shè)備供電可靠性，輔助用電設(shè)備電源采用雙電源自動(dòng)切換，兩回電源引自業(yè)主原配電柜不同段的備用回路。

該項(xiàng)目所發(fā)電量供酒店使用，正常情況下電力全部由能源站供給，不足部分由外網(wǎng)市電提供。酒店用電負(fù)荷采用雙回路供電，既保證了用戶(hù)端供電系統(tǒng)的安全，又能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.4 控制系統(tǒng)

每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配備1臺(tái)就地控制柜及1臺(tái)機(jī)組斷路器柜，2臺(tái)發(fā)電機(jī)組還需設(shè)置1臺(tái)遠(yuǎn)程控制柜，遠(yuǎn)程控制柜設(shè)置在配電控制室內(nèi)。就地控制柜、機(jī)組斷路器柜及遠(yuǎn)程控制柜由設(shè)備廠家提供。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)采用在就地控制柜及遠(yuǎn)程控制柜上監(jiān)測(cè)，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速；發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、有功電能及運(yùn)行時(shí)間的顯示，內(nèi)燃機(jī)的參數(shù)及發(fā)電機(jī)的報(bào)警及保護(hù)停車(chē)功能。

4 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題

4.1 內(nèi)燃機(jī)組選型偏大

根據(jù)2012年酒店整體用電情況，該能源電站發(fā)電機(jī)選型應(yīng)在600～700 kW，機(jī)組可以確保長(zhǎng)期在80%負(fù)荷運(yùn)行，而選型在1 000 kW，分為兩個(gè)機(jī)組，由于冷熱負(fù)荷問(wèn)題、燃?xì)鈨r(jià)格問(wèn)題、三相不平衡等因素，長(zhǎng)期以來(lái)僅600 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行，輸出功率也僅在470 kW左右。

4.2 燃?xì)怆妰r(jià)調(diào)整后運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)

2015年6月，非居民用氣價(jià)格由原2.30元/m3提高到3.09元/m3，天然氣價(jià)格上調(diào)34%，導(dǎo)致能源站運(yùn)行變?yōu)樘潛p狀態(tài)。

4.2.1 三相電流不平衡問(wèn)題

實(shí)際運(yùn)行中三相電流不平衡的問(wèn)題特別嚴(yán)重，而發(fā)電機(jī)設(shè)備容量設(shè)計(jì)是按三相負(fù)荷條件來(lái)確定的，如果三相負(fù)荷不平衡，設(shè)備容量只能以三相負(fù)荷中最大一相為限，因此內(nèi)燃機(jī)出力降低。

4.2.2 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電量達(dá)不到原定額定發(fā)電出力

內(nèi)燃機(jī)組訂貨時(shí)按照常規(guī)發(fā)電廠配套發(fā)電機(jī)進(jìn)行訂貨，招標(biāo)要求發(fā)電機(jī)額定出力為600 kW+400 kW，內(nèi)燃機(jī)組廠家都應(yīng)標(biāo)，但是燃機(jī)安裝調(diào)試時(shí)，廠家指導(dǎo)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行容量不超過(guò)標(biāo)定容量的80%，即480 kW+320 kW。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)行業(yè)的訂貨功率默認(rèn)是最大功率，而不是持續(xù)功率。

4 結(jié)論

本文依托西安某星級(jí)酒店的天然氣能源站項(xiàng)目，介紹了分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備和余熱利用的主要設(shè)備。此類(lèi)負(fù)荷穩(wěn)定系統(tǒng)能源站宜采用以電定熱的運(yùn)行策略。但是，實(shí)際工作中能源價(jià)格（特別是峰谷價(jià)格）會(huì)對(duì)三聯(lián)供的配置產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)考慮能源價(jià)格因素。

內(nèi)燃機(jī)組的容量是離散型的，機(jī)組所能提供的負(fù)荷，不一定能與需求負(fù)荷完全相匹配；機(jī)組的調(diào)節(jié)也應(yīng)考慮其延遲時(shí)間；需求負(fù)荷相差太大時(shí)，還應(yīng)考慮機(jī)組調(diào)節(jié)的可行性。內(nèi)燃機(jī)訂貨時(shí)明確機(jī)組的功率類(lèi)型，讓投標(biāo)廠家的無(wú)漏洞可鉆。

1 周 萍.分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)燃?xì)庳?fù)荷分析[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2012.

2 任華華，王淼森.燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)在“三聯(lián)供”系統(tǒng)中的應(yīng)用和分析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2009，（1）：5-8.

3 忻奇峰.天然氣燃?xì)廨啓C(jī)在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)“三聯(lián)供”的應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2001，（5）：201-203.205.

4 安英會(huì).含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)三相不平衡性的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

The Application of quot;Distributed Energy Stationquot; in Resource Utilization

Qiu Xiaona
(Si'an New Energy Co., Ltd., Xi'an 710000, China)

Energy saving and energy efficiency are the most important problems in China's energy strategy.It is the only way for sustainable development.In recent years, the distributed energy system has been accepted by the majority of enterprise users, and the application is more and more widely.A series of industrial policies conducive to distributed energy.Wind power, photovoltaic, natural gas, biogas and other small power generation projects began to rise.Xi'an, a star hotel supporting natural gas energy station project, in the two years of operation in a variety of problems, the author of its research,and provide suggestions for optimization.

natural gas energy station; triple supply; gas generator; distributed energy

F426.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500(2017)08-0099-04

2017-06-09

邱曉娜（1983-），女，陜西西安人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。