高雄偉

上海申能能源服務有限公司

1 前言

分布式供能系統(tǒng)靠近用戶端、運行方式多樣，相對傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)，具有安全、清潔、高效、靈活的特點，可提高用戶端用能安全可靠性，同時也可為電力、天然氣削峰填谷。與傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)相比，污染物與溫室氣體排放均大幅削減,系統(tǒng)所消耗的一次能源更少。通過用戶的就地使用，減少了電能、熱能等遠距離輸送引起的能源損耗。天然氣分布式能源系統(tǒng)作為當前一種最可行的能源綜合解決方案,已得到能源行業(yè)共識。

上海在分布式能源扶持政策方面形成了一系列的配套政策，先后出臺了四輪發(fā)展專項扶持辦法，項目遍布醫(yī)院、賓館、交通樞紐、辦公樓，大型商務區(qū)域等，重點建設了一批以仁濟醫(yī)院為代表的新建三甲醫(yī)院分布式能源項目和以虹橋商務區(qū)為代表的區(qū)域分布式能源站，分布式能源發(fā)展較快。本文主要分析討論4個新建三甲醫(yī)院的分布式能源項目的實踐應用。

2 醫(yī)院系統(tǒng)方案配置

2.1 醫(yī)院能源需求分析

根據(jù)上海三甲醫(yī)院的狀況，確立以800張床位和建筑面積10萬平米為新建三甲醫(yī)院的典型規(guī)模。規(guī)劃分布式能源系統(tǒng)首要的工作是負荷分析，用現(xiàn)有同類醫(yī)院的統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)為基礎，并結合軟件預測，繪制了醫(yī)院逐時負荷圖（圖1～圖4）。

圖1 冷負荷逐時圖

圖2 電力逐時負荷圖

圖3 熱負荷逐時圖

圖4 熱水負荷逐時圖

醫(yī)院建筑能耗量大，是一般公共建筑的1.6～2倍。其中電力消耗中的50%是用于空調。生活熱水用量冬季大，夏季小，星期六、日小，平日大。用電量夏季大，冬季小，平日多，星期六、日小，夏季主要用于空調制冷。照明用電則與季節(jié)關系不大。

根據(jù)建立的模型能耗分析表明：

（1）電力年峰值負荷（不包括冷源）2 701kW出現(xiàn)在8月份，最小負荷554kW。

（2）冷負荷年峰值負荷9 455kW出現(xiàn)在8月份，最小負荷510kW。

（3）熱負荷年峰值4 270kW出現(xiàn)在1月份,最小熱負荷為600kW。

（4）熱水負荷年峰值3 350kW出現(xiàn)在2月份，全年最小月為8月份，最小負荷120kW。

2.2 系統(tǒng)模式選擇

根據(jù)以上的能耗分析，確定醫(yī)院分布式能源系統(tǒng)的配置原則：

（1）機組容量：選擇發(fā)電規(guī)模500kW以下的機組，能夠確保機組全年連續(xù)運行。

（2）機型選擇：醫(yī)院存在熱水需求，內燃機的余熱中約有50%為熱水，選擇內燃機較為合適,優(yōu)選整合熱水型機組。圖5、圖6為可選的二種系統(tǒng)模式。

圖5 350kW/250kW全熱水模式

圖6 (2×250kW)熱水空調模式

根據(jù)醫(yī)院實際情況（其他節(jié)能措施）,實際工程中采用系統(tǒng)配置如下：

仁濟醫(yī)院南院發(fā)電機組2×232kW，熱水/采暖模式；奉賢中心醫(yī)院發(fā)電機組357kW，熱水/空調模式；瑞金醫(yī)院北院發(fā)電機組340kW，熱水模式；東方醫(yī)院南院發(fā)電機組232kW，熱水模式。

2.3 安全控制系統(tǒng)

根據(jù)醫(yī)院項目的安全運行要求，建立系統(tǒng)總體的監(jiān)控,采集重要數(shù)據(jù),包括發(fā)電量余熱燃料消耗熱參數(shù)等。最重要的是需要針對醫(yī)院項目增加安全措施，特別是確保醫(yī)院供電的安全性。

2.3.1 電力負荷跟蹤系統(tǒng)

醫(yī)院供電安全尤為重要，不能因為設置了分布式供能系統(tǒng)而增加醫(yī)院斷電的可能性。由于采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，都采用了防逆功保護模塊，一旦產生逆功，將及時解列發(fā)電機組。正常情況下這種設置已經(jīng)足夠安全，屬于被動式安全裝置，但尚不能確定解列的及時性以及可能有其他潛在風險的發(fā)生，為確保安全，在項目系統(tǒng)中增設了主動性防護，即在逆功有可能產生前提前降低運行功率或者主動解列。

2.3.2 主動防護措施

（1）動態(tài)的負荷跟蹤

（2）設置買電功率（50kW）

設置啟停功率，確保在可以開啟的時候運行（50+70%機組額定功率），買電功率小于50kW，先降功率，功率調整后買電功率還是小于設定值，再停機。主動性防護措施先于逆功模塊前運作，雙重逆功保護，同時確保機組在較高負荷率運行。

3 醫(yī)院運行分析

3.1 年運行時間

項目建成后，實測各臺機組的一年實際運行時間，包括機組的維護停機，改造，四個項目目前運行時間均可達2 000h以上。 圖7～圖11分別為各套機組年度分月運行小時圖。

圖7

圖8

仁濟醫(yī)院供電為一部制單一電價（其他醫(yī)院為二部制電價），因此具備24h連續(xù)運行的條件。2套機組均為232kW，生活熱水兼顧采暖模式，冬季運行時間較長，夏季生活熱水需求少，僅單套機組可以連續(xù)運行。1套232kW機組，熱水模式，夏季也可較長運行時間，其中6、7月有技術改造暫停運行。

瑞金醫(yī)院采用了340kW機組，熱水模式，冬季/過渡季均可連續(xù)運行時間長，夏季運行時間略少，與預期預測相符（圖9）。（電力負載在設計階段作了優(yōu)化，保證過渡季可滿功率運行。5月有熱水系統(tǒng)改造）。

奉賢中心醫(yī)院采用了357kW機組，熱水和空調模式，夏季/冬季連續(xù)運行時間長。過渡季目前沒有運行，因并網(wǎng)點電力負荷沒有達到滿功率運行條件（電力負載暫未作優(yōu)化）。1～3月處于試運行階段，數(shù)據(jù)不全。（圖10）

東方南院為單套232kW機組，熱水模式，夏季也可較長運行時間，（6、7月有技術改造暫停運行）（圖11）

圖9

圖10

圖11

通過分月運行驗證，可以說明項目前期設置的模式和規(guī)模選擇基本合理，確保了機組均能運行2 000h以上，隨著醫(yī)院負荷需求的正?；?，機組年運行小時有望達到3 000h級別。

3.2 節(jié)能驗證

對醫(yī)院分布式供能系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)分析，驗證系統(tǒng)的節(jié)能效果。表1為上述其中一家醫(yī)院一年運行的實測數(shù)據(jù)。

表1 醫(yī)院年運行效率實測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明年滿功率運行4 770h，年發(fā)電效率32%，年熱回收率54.5%,運行綜合效率86.5%。年減排二氧化碳33%。年節(jié)約標煤550t標準煤。

3.3 經(jīng)濟性和預期

按當前的能源價格、維護成本、造價，投資的靜態(tài)回收時間約39 000h。經(jīng)濟性不是很理想，這也是目前分布式能源產業(yè)不能快速推廣的主要原因。重要的解決途徑是提高經(jīng)濟性，可以采取以下幾個優(yōu)化措施：

（1）氣價下調20%（已有可能）

（2）降低維護費用至0.15元/kWh

（3）機組造價至15 000元/kW

圖12 經(jīng)濟優(yōu)化措施的效果預期

通過以上的措施，從39 000 h縮短到22 500h（見圖12），相當于靜態(tài)回收年從10～16年縮短為5～9年，應用推廣的商業(yè)價值開始顯現(xiàn)。再考慮到目前激勵政策，回收時間可能縮短在20 000h內，具備一定的市場商業(yè)運行價值。

4 應用實踐總結

從運行實踐表明，新建醫(yī)院的分布式供能系統(tǒng)獲得了成功，從技術特點和運行模式上有值得推廣的經(jīng)驗。

4.1 技術設計

（1）采用嵌入式、模塊式設計

根據(jù)醫(yī)院的系統(tǒng)模式和負荷特點（本質上也是一種空調采暖負荷），采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，嵌入式的設計，是一個實用明智的選擇，保證了年運行時間。另外模塊化、嵌入式的系統(tǒng)今后更利于項目推廣。

（2）熱電平衡設計，優(yōu)先熱水利用

這種原則下分布式系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)替代了原鍋爐系統(tǒng)部分產能，成本節(jié)約效果明顯。基于內燃機系統(tǒng)有50%左右的直接熱水產出，很多機型有熱水整合型機組，效率高和系統(tǒng)安裝方便，便于市場快速推廣。

（3）醫(yī)院功能安全

系統(tǒng)的控制設置根據(jù)醫(yī)院供能安全的要求，增加雙重逆功保護，設置電力負荷跟蹤及控制系統(tǒng)等。

4.2 運行和模式

（1）醫(yī)院項目以熱水模式為主,單純的空調制冷模式需做充分研究。

空調模式的優(yōu)點可以適當提高規(guī)模，但也受制于電負荷的平衡（醫(yī)院上網(wǎng)的模式目前不建議推薦，今后需要根據(jù)政策再研究），但空調本身運行時間也僅在空調季節(jié)。同時制冷的替代成本低，用分布式余熱制冷競爭力不高。需要增加溴化鋰機組的投資，需要做綜合的技術經(jīng)濟分析才確定。

（2）規(guī)模設置與運行時間

在醫(yī)院項目中，250～500kW的規(guī)模均可運行2 000h以上，其中250kW的熱水模式可以運行3 000h，350/500kW熱水模式/空調模式有條件運行2 500h以上。

（3）100%功率運行

主要是模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢，100%運行效率高，運行簡單可控。目前機組維護成本較高，滿發(fā)工況下，機組維護約占總運行成本的25%左右。如果在50%功率下，維護成本將接近翻倍，占總運行成本的40%。

5 建議

根據(jù)項目實踐，建議醫(yī)院項目發(fā)展規(guī)模在2套350kW～500kW機組為宜。未來需要進一步深入的工作如下：

（1）選擇機組和系統(tǒng)的匹配，力求降低系統(tǒng)造價，進一步進行350kW/500kW的熱水兼蒸汽模式的示范。

（2）根據(jù)項目實踐，總結經(jīng)驗。建立包括模塊化設計、施工安裝、運行維護等工作的指南和標準。

（3）培養(yǎng)建立分布式系統(tǒng)的維護隊伍，降低運維成本。

機組維護成本較高，而且設備供應商提供的運維與項目運行與實際需要存在一定的差距，這些制約了項目的推廣及經(jīng)濟效益。因此需要培養(yǎng)建立能源服務公司自己的運維隊伍，降低維護成本，提高運維水平。