王明祥，王明曉，王 冉，王世朋

（1.廣州大學(xué)城華電新能源有限公司，廣東 廣州511400；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州310030；

3.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310030）

隨著中國的改革開放力度進(jìn)一步加大，工業(yè)化與城鎮(zhèn)化持續(xù)推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展動能持續(xù)增強(qiáng)的同時，人們對節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識日益加深。而長期以來，中國的電源結(jié)構(gòu)主要以煤電為主，其綜合能源利用效率只有40%～50%，并且污染相當(dāng)嚴(yán)重[1]。而分布式供能系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達(dá)到70%以上[2]。分布式供能系統(tǒng)具有低污染排放、建設(shè)周期短、可靠性高、供電效率高等特點(diǎn)，是優(yōu)化調(diào)整電源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能減排的重要手段[3]。

分布式能源系統(tǒng)是一種位于用戶側(cè)，包括能量轉(zhuǎn)換、傳遞和終端輸配等環(huán)節(jié)的發(fā)電系統(tǒng)或有電能輸出的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能靈活、因地制宜地利用清潔化石能源和可再生能源[4]。但在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)備繁多、供能方式多樣且復(fù)雜，特別是熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱水負(fù)荷可以由不同設(shè)備的不同組合方式來實(shí)現(xiàn)[5]。同時，不同地理位置的氣候條件因素導(dǎo)致供能方式的多樣性，特別是中國南方地區(qū)有熱帶或者亞熱帶冬暖夏熱的氣候特性，因此其合理的裝機(jī)容量和運(yùn)行策略都是值得商榷的[6]。

本文以廣州某中央商務(wù)區(qū)為對象，調(diào)研其能源利用現(xiàn)狀，根據(jù)已確定的設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷和電負(fù)荷，選定燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的容量，并分析分布式能源站的運(yùn)行策略，論證南方典型樓宇群分布式能源站的節(jié)能效益，為中國南方地區(qū)同類樓宇群燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的開發(fā)提供重要參考。

1 典型案例分布式能源站的基本概括

1.1 某商務(wù)區(qū)分布式能源站的建筑概況

廣州某中央商務(wù)區(qū)是集現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)總部基地、五星級酒店、商業(yè)廣場、購物中心、數(shù)碼產(chǎn)業(yè)總部、智能產(chǎn)業(yè)總部和汽車文化商貿(mào)中心于一體的大型高品質(zhì)公共中心，總用地面積約730000m2。

該商務(wù)區(qū)擬建冷、熱、電三聯(lián)供能源站一座，其能源站的供能區(qū)域建筑面積約為1523200m2，其中商業(yè)面積約為642100m2，酒店面積約93700m2，辦公面積約787400m2。

1.2 負(fù)荷分析

廣州橫跨北回歸線，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，屬于夏熱冬暖地區(qū)。

所以，該商務(wù)區(qū)分布式能源站的負(fù)荷以冷負(fù)荷為主，其冷、熱、電負(fù)荷具有以下特點(diǎn)：廣州地區(qū)全年主要冷負(fù)荷集中區(qū)域在4月至10月，冷負(fù)荷典型日最大負(fù)荷為124MW。全年主要熱負(fù)荷集中區(qū)域在2月，熱負(fù)荷典型日最大負(fù)荷為723kW，平均負(fù)荷為259kW。同時考慮能源站自用冷負(fù)荷，可得出空調(diào)冷負(fù)荷的設(shè)計(jì)值約為126MW，空調(diào)供熱負(fù)荷的約為750kW。冷負(fù)荷集中在每日07：00—20：00，負(fù)荷穩(wěn)定，其余時間冷負(fù)荷較低。此能源站只考慮為某五星級酒店提供生活熱水，酒店生活熱水熱負(fù)荷約1730W，年熱水耗熱量為6763325kW·h。商務(wù)區(qū)主要項(xiàng)目合計(jì)用電負(fù)荷為248319kW。

2 分布式能源站的裝機(jī)方案選擇

2.1 機(jī)組配置總原則

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組選型主要遵照“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對口、梯級利用”的原則，合理進(jìn)行電力、供冷、供熱設(shè)備的配置，做到按需供給、適時匹配，達(dá)到冷熱負(fù)荷的相對平衡[5]。根據(jù)已確定的設(shè)計(jì)冷、熱負(fù)荷和電負(fù)荷，選定燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的容量，同時做到“充分利用余熱”“充分發(fā)揮發(fā)電能力”。

2.2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的方案選擇

樓宇群分布式能源站的動力系統(tǒng)主要分為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。不同動力系統(tǒng)的選擇主要取決于當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨蠼Y(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境制約因素。

從以下幾個方面對“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)”方案和“燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)”方案進(jìn)行比較選擇，如表1所示。

表1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)方案比較

2.2.1 熱經(jīng)濟(jì)性

微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率通常為30%～40%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率能達(dá)到50%左右。由于夜間冷負(fù)荷很小，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)啟停時間較長（4h以上），只能在純凝工況運(yùn)行；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電容量較小，可以選擇多臺，而且在低負(fù)荷工況下，發(fā)電效率幾乎不變，發(fā)電效率在43%以上，綜合能源利用率在80%以上。

2.2.2 初投資

微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)需要配備燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、蒸汽型溴化鋰機(jī)組等設(shè)備，系統(tǒng)比較復(fù)雜，初投資較高；而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)只需配備煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，就能保證余熱的高效利用，初期投資較低。

2.2.3 運(yùn)行靈活性

“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)”方案可選擇多臺內(nèi)燃機(jī)，可根據(jù)負(fù)荷要求靈活調(diào)整檢修方案，實(shí)現(xiàn)全年持續(xù)高效率運(yùn)行；“燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)”方案由于機(jī)組發(fā)電容量大，運(yùn)行靈活性小，檢修不方便。

2.2.4 對燃?xì)鈮毫Φ囊?/p>

微型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣壓力要求較高（3.5～4.0MPa），本項(xiàng)目地區(qū)附近現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)管道壓力為0.4～0.8MPa，需要設(shè)置專用的天然氣調(diào)壓站；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對燃?xì)鈮毫σ筝^低，供氣壓力為0.55～0.6MPa，無需專門的調(diào)壓站。

考慮到廣州市目前的燃?xì)鈨r格和市電價格情況，同時此分布式能源站的冷熱負(fù)荷波動比較大，并結(jié)合上述的優(yōu)缺點(diǎn)對比，優(yōu)先選用發(fā)電效率高的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，更好地體現(xiàn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)冷負(fù)荷分析，確定內(nèi)燃機(jī)裝機(jī)規(guī)模為30MW，對3個裝機(jī)方案進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選

通過對比可知：從熱耗、發(fā)電效率方面來看，9.78MW機(jī)組高于7.5MW機(jī)組和4MW級別機(jī)組；7.5MW級別內(nèi)燃機(jī)只有一家供應(yīng)商，9.78MW級和4MW級別內(nèi)燃機(jī)可選擇的供應(yīng)商較多，但4MW級機(jī)組臺數(shù)過多，占地面積大、設(shè)備及管道投資大，而9.78MW級別內(nèi)燃機(jī)數(shù)量合理，既保證了運(yùn)行調(diào)節(jié)的靈活性，又兼顧主廠房布置占地面積和設(shè)備投資等方面的因素；能源站氣源壓力預(yù)計(jì)為0.7～0.8MPa，4MW級和7.5MW級需要設(shè)計(jì)減壓裝置，而9.78MW級機(jī)組無需設(shè)置。

綜合考慮上述3方面因素，選用3臺9.78MW級別內(nèi)燃機(jī)的方案一最適宜。

2.3 輔機(jī)的方案選擇

由于本案列中主機(jī)選擇燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，其排氣溫度較低和排氣量較小，不適合采用余熱鍋爐，且分布式能源站主要為滿足冷、熱和生活熱水負(fù)荷，無蒸汽負(fù)荷要求，所以余熱利用設(shè)備選用煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組。針對冷負(fù)荷需求，考慮采用離心式電空調(diào)冷水機(jī)組作為冷負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備、采用蓄熱水箱滿足儲熱調(diào)峰需要。

綜上所述，本能源站采用3臺燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量為3×9.78MW，對應(yīng)的余熱設(shè)備為3臺煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組。針對冷負(fù)荷需求，考慮采用3臺8.6MW的串聯(lián)式離心式冷水機(jī)組，9臺單機(jī)制冷量為7.4MW和3臺單機(jī)制冷量為2.8MW的大溫差離心式冷水機(jī)組作為冷負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備，采用蓄熱水箱滿足儲熱調(diào)峰需要。溴化鋰機(jī)組與發(fā)電機(jī)組一對一配置，溴化鋰機(jī)組排煙溫度為120℃，冷凍水額定進(jìn)、出口溫度為13℃、8℃。與溴化鋰機(jī)組配套設(shè)置離心式冷水機(jī)組3臺，與溴機(jī)一對一串聯(lián)，冷凍水設(shè)計(jì)進(jìn)、出口溫度為8℃、3℃。冷負(fù)荷不足部分由大溫差離心式冷水機(jī)組補(bǔ)充。供熱系統(tǒng)是由高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組作用后降溫至120℃，再進(jìn)入煙氣熱水換熱器，制取90～95℃熱水。熱負(fù)荷高峰時段，制取的熱水直接外供給用戶使用；低負(fù)荷時段制取的高溫?zé)崴疅崃拷?jīng)蓄熱板式換熱機(jī)組儲存至蓄熱水箱，在熱負(fù)荷高峰時段或內(nèi)燃機(jī)停運(yùn)時段時，蓄熱水箱儲存的熱量經(jīng)板式換熱機(jī)組換熱后供用戶使用。

3 分布式能源站的運(yùn)行策略

根據(jù)上述能源站的裝機(jī)配置方案，能源站供冷系統(tǒng)冷源設(shè)備由煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、溴化鋰機(jī)組下游串聯(lián)離心式冷水機(jī)組、大溫差離心式冷水機(jī)組組成，煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組為余熱利用設(shè)備，利用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組余熱制冷，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳，串聯(lián)離心式冷水機(jī)組與煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組配套運(yùn)行；大溫差離心式冷水機(jī)組只在夜間冷負(fù)荷低負(fù)荷時段或白天余熱供冷量不滿足要求時運(yùn)行，其取電方式為能源站的自發(fā)電或者夜間谷電。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，能源站管理系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件及用戶末端冷熱負(fù)荷變化情況來調(diào)整溴化鋰機(jī)組、離心式冷水機(jī)組、大溫差離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，以使能源站收益最高。

以下探討不同的設(shè)計(jì)日工況下的機(jī)組運(yùn)行模式。

3.1 100%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

100%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式如圖1所示，100%冷負(fù)荷設(shè)計(jì)日溴化鋰機(jī)組供冷占全天供冷量的26.3%，電制冷機(jī)組供冷占全天供冷量的73.7%。

圖1 100%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

3.2 75%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

75%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式如圖2所示，75%冷負(fù)荷設(shè)計(jì)日溴化鋰機(jī)組供冷占全天供冷量33%，電制冷機(jī)組供冷占全天供冷量67%。

圖2 75%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

3.3 50%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

50%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式如圖3所示，50%冷負(fù)荷設(shè)計(jì)日溴化鋰機(jī)組供冷占全天供冷量的46%，電制冷機(jī)組供冷占全天供冷量的54%。

圖3 50%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

3.4 25%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

25%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式如圖4所示，25%冷負(fù)荷設(shè)計(jì)日溴化鋰機(jī)組供冷占全天供冷量的49%，電制冷機(jī)組供冷占全天供冷量的51%。

圖4 25%設(shè)計(jì)日工況運(yùn)行模式

4 節(jié)能效果分析

4.1 能耗情況

根據(jù)上述的裝機(jī)方案配置方案，能源站的能耗指標(biāo)如表3所示。

由表3可看出，冷、熱、電運(yùn)行方式下能源站運(yùn)行的綜合利用效率高達(dá)81.2%以上，熱電比超過96.28%。所以能源站的綜合利用效率符合國家發(fā)改委、財(cái)政部、建設(shè)部和國家能源局于2011年發(fā)布的2196號文件《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的意見》中“原則上天然氣分布式能源全年綜合利用效率應(yīng)高于70%”的規(guī)定；同時，其熱電比也符合國家能源局發(fā)布于2000年發(fā)布的《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》中“燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)要求其總效率年平均大于55%，各容量等級燃?xì)獾恼羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電比應(yīng)大于30%”的規(guī)定。由此可見，本能源站符合行業(yè)準(zhǔn)入要求，節(jié)能效果顯著。

表3 能源站主要能耗指標(biāo)

4.2 節(jié)能效果分析

對照分散供熱小鍋爐效率89%、2018年火電廠平均供電標(biāo)煤耗率0.308kg/（kW·h）等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本能源站利用內(nèi)燃機(jī)組的余熱，年對外供冷、供熱共計(jì)9.4×105GJ/a，每年可以節(jié)約標(biāo)煤9920t。所以，本能源站節(jié)能效果良好，具有一定的競爭優(yōu)勢。

5 總結(jié)

分布式能源系統(tǒng)以梯級利用、靠近用戶、一次能源利用效率高、環(huán)境友好、能源供應(yīng)安全可靠等特點(diǎn)，成為當(dāng)今電力行業(yè)的重要發(fā)展方向。分布式能源站的設(shè)備繁多和不同地理環(huán)境影響其供能方式的多樣性，最終導(dǎo)致其裝機(jī)方案和運(yùn)行策略的復(fù)雜性。

本文以中國南方地區(qū)某典型商務(wù)樓宇群為例，通過調(diào)研其能源利用現(xiàn)狀，根據(jù)熱、冷負(fù)荷和電負(fù)荷，確定了3臺9.78MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)，并通過對煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組、溴化鋰機(jī)組下游串聯(lián)離心式冷水機(jī)組和大溫差離心式冷水機(jī)組的調(diào)整來應(yīng)對冷、熱負(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)能源站的最高收益。同時，通過對能源站的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，本能源站每年可以節(jié)約標(biāo)煤9920t，節(jié)能效果良好。本文結(jié)論為中國南方同類樓宇群燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的開發(fā)提供了重要參考。