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。