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        分布式能源系統(tǒng)方案設計示例

        2018-09-12 05:42:50重慶燃氣集團股份有限公司李志琴
        上海煤氣 2018年4期
        關鍵詞:熱風爐燃氣輪機熱風

        重慶燃氣集團股份有限公司 李志琴

        中美綠色能源技術有限公司 胡 濱 姚鈺鋒 吳 竺

        1 分布式能源系統(tǒng)

        分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy Resource,DER)是將發(fā)電系統(tǒng)與供冷、供熱等供能系統(tǒng)整合在一起,通過能源梯級利用的方式,如利用天然氣、太陽能等清潔能源,滿足用戶的冷、熱、電等各種負荷需求的供能方式。

        在當前能源短缺、環(huán)境污染嚴重的形勢下,分布式能源系統(tǒng)是提供這種嚴峻現(xiàn)實解決方案的重要研究方向,具有能源利用效率高、環(huán)境友好、輸送損耗低等優(yōu)點。

        (1)能源利用效率高:通過能量的梯級利用,整個系統(tǒng)等能源利用率可達80%以上;

        (2)環(huán)境友好:利用天然氣、太陽能、風能等清潔能源,降低了污染物的排放,溫室氣體排放量減少50%以上,硫化物及煙塵排放量基本為零;

        (3)能源輸送損耗低:分布式能源站設立在用戶附近,能源輸送半徑小,輸送過程損耗低,并且極大地提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

        2 分布式能源系統(tǒng)配置方案分析

        分布式能源系統(tǒng)具有同時產(chǎn)生多種不同能量的特性,而實際上冷、熱、電負荷的變化是十分復雜的,需要對用戶的冷、熱、電等各種負荷充分分析后才能對發(fā)電設備、供熱設備以及制冷設備等進行選型,選型與實際需求之間的匹配度會直接影響到整個系統(tǒng)的能源利用率、投資收益等。因此,如何最優(yōu)化的配置分布式能源系統(tǒng)是設計中的關鍵問題。

        本文結合某瓷磚產(chǎn)業(yè)園的實際用能情況,詳細介紹了該產(chǎn)業(yè)園的分布式能源系統(tǒng),并對相關經(jīng)驗進行了總結。

        2.1 產(chǎn)業(yè)園用能分析

        該產(chǎn)業(yè)園屬于重點用電園區(qū),供電系統(tǒng)為10kV進線,配有3個7500kVA、1個9450kVA和1個1000kVA的變電站。其中一個變電站配有3臺2500kVA的變壓器,用電負荷較大,且用電負荷波動較小。其余變電站均為間歇性用電,用電波動性大。

        產(chǎn)業(yè)園內宿舍及辦公建筑面積約21000m2,員工人數(shù)約 1000人左右。據(jù)估算,制冷負荷約1693kW,生活熱水日均需求量約36 t。產(chǎn)業(yè)園冷熱水供應時長分別為:宿舍,24 h;辦公樓,日間工作時間10 h。

        該瓷磚產(chǎn)業(yè)園日均干粉產(chǎn)量為2200 t,以含水率由35%烘干至6%計算,烘干這部分水分所需熱量為27 MW。干燥塔所需熱風溫度為550 ℃,每運行15 d停運1~2 d。

        2.2 分布式能源系統(tǒng)設計

        本項目分布式能源綜合供能系統(tǒng)由燃氣發(fā)電設備、余熱利用設備(用戶自有的熱風爐)、其他補充供能設備和相關輔助設備等構成,本項目能源需求為電力、熱風、生活熱水與冷凍水。根據(jù)項目特性及分布式關鍵設備性能,擬采用以燃氣輪機、熱泵和冷水機組共同組成的分布式能源綜合供能系統(tǒng),系統(tǒng)輸出電力、熱風、熱水與冷凍水。

        2.2.1 系統(tǒng)發(fā)電機組的選擇

        目前天然氣分布式能源系統(tǒng)中主要的發(fā)電方式為燃氣輪機、燃氣內燃機以及微燃機。根據(jù)《分布式供能系統(tǒng)工程技術規(guī)程》(DG/T 508—115—2008),分布式能源系統(tǒng)的機組容量的確定應根據(jù)電負荷、熱(冷)負荷的特性以及負荷大小合理確定。對本項目而言,其熱電比為 4.7。對中小型燃氣機組而言,當熱(冷)電比大于1時,項目發(fā)電與余熱利用規(guī)模按照“以電定熱”原則,否則在電力無法上網(wǎng)的情況下會造成能源的浪費。因此,在本項目中按照“熱電聯(lián)產(chǎn)、以電定熱、自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)”為原則進行設計,并選擇燃氣輪機為發(fā)電設備。

        根據(jù)產(chǎn)業(yè)園預測平均負荷率及平均功率因數(shù)計算可知,其中一個變電站的平均電功率為5865kW,因此該分布式能源系統(tǒng)的總裝機容量宜在6000kW左右。

        綜合考慮發(fā)電量、機組尺寸、發(fā)電機組空間以及產(chǎn)業(yè)園用能情況,選擇1臺5860kW燃氣輪機。

        2.2.2 余熱回收設計

        分析實際情況后得出該產(chǎn)業(yè)園內對熱(冷)的需求主要是干燥塔熱風需求、生活熱水以及夏季空調制冷需求,如表1所示。

        表1 制冷、熱水、熱風以及可利用余熱量

        從上表可以看出燃氣輪機余熱量遠大于生活熱水及制冷負荷需求量,且生活熱水及制冷負荷晝夜波動較大,熱風負荷與燃氣輪機運行時間較為吻合,且燃氣輪機余熱可以得到全部利用。

        3 系統(tǒng)運行模式

        根據(jù)該產(chǎn)業(yè)園的負荷特性,采用以燃氣輪機、熱泵和冷水機組共同組成的分布式能源綜合供能系統(tǒng),系統(tǒng)輸出電力、熱風、熱水與冷凍水。該系統(tǒng)以燃氣輪機為核心,燃氣輪機利用天然氣發(fā)電,其排煙熱量作為熱風提供給噴霧干燥塔(不足熱風由工廠原熱風爐補充);燃氣輪機的冷卻水的廢熱,通過熱泵將其提升至 55~60℃后作為生活熱水利用。

        該產(chǎn)業(yè)園分布式能源系統(tǒng)流程見圖1。

        圖1 分布式能源系統(tǒng)流程

        3.1 發(fā)電

        發(fā)電機所發(fā)電能,除一小部分供給能源站內部輔助用電設備外,其余電能可作為可靠連續(xù)的供電電源,與用戶10 kV市電電源一起組網(wǎng),采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式并列供電,為用戶提供可靠性更高的供電電源。

        3.2 熱風供應

        燃氣輪機排煙口與產(chǎn)業(yè)園噴霧干燥塔配套熱風爐相連接,燃氣輪機排煙全部進入熱風爐。熱風爐同時還配備天然氣燃燒器,從而實現(xiàn)熱風爐的風量、溫度雙重調節(jié)。

        3.3 熱水供應模式

        過渡季節(jié)和冬季采暖時,通過熱泵將燃氣輪機關鍵部件的冷卻水進行回收利用,升溫后的熱水用于宿舍和辦公樓的生活熱水,提高能源利用率。

        3.4 冷水供應模式

        考慮到燃氣輪機的余熱已經(jīng)充分被利用,制冷季制冷時,采用2臺1 055 kW的高效離心式冷水機組為宿舍和辦公樓供應冷凍水。

        4 經(jīng)濟效益分析

        設計該分布式能源系統(tǒng)全年運行 330 d,系統(tǒng)除正常檢修外,每15 d停機1 d(噴霧式干燥塔要求),機組運行時為24 h運行。

        4.1 經(jīng)濟效益分析

        按照分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)惠氣價為1.74元/m3,生活熱水12元/t,系統(tǒng)經(jīng)濟性分析見表2。

        表2 分布式能源系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

        可以看出,分布式能源系統(tǒng)提供的電能、熱風、冷凍水和生活熱水與現(xiàn)有分產(chǎn)(市政電網(wǎng)+燃氣熱風爐+燃氣鍋爐+離心式制冷機)相比,本分布式能源系統(tǒng)年節(jié)省能源費用約377萬元。

        4.2 年平均能源綜合利用率分析

        根據(jù)《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程》(CJJ 145—2010),天然氣分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用率計算公式為:

        式中:η——年平均能源綜合利用率;

        W——年供電量,kWh;

        Q1——年余熱供熱量,MJ;

        Q2——年余熱供冷量,MJ;

        B——年燃氣耗量,m3;

        QL——燃氣低位熱值,MJ/m3。

        根據(jù)表2中所示分布式能源系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),利用上式計算該能源系統(tǒng)的年均總能源利用率,得到系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為91.2%,符合國家對天然氣分布式能源全年綜合利用效率大于 70%的要求。

        5 結語

        (1)本設計方案所描述的“燃氣輪機發(fā)電機組+補燃型熱風爐+余熱利用水源熱泵+高效離心冷水機組”分布式能源系統(tǒng),充分利用了天然氣這種清潔能源,實現(xiàn)了能源的梯級利用,同時回收了機組冷卻的余熱加以利用并提升,提高了能源利用效率,同時又降低了能源系統(tǒng)運行費用,提高了供能安全水平。

        (2)分布式能源系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)業(yè)園應用時必須根據(jù)實際情況,綜合考慮各類能源的需求量以及需求時段,綜合考慮各方面因素來確定分布式能源系統(tǒng)的配置。

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