徐 明 吳偉炯 周琪凱

上海齊耀動力技術有限公司

0 概述

天然氣分布式能源是指以清潔的天然氣為燃料，通過冷熱電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心附近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。與傳統(tǒng)集中式供能方式相比，天然氣分布式能源具有能效高、經(jīng)濟效益好，清潔環(huán)保，保障能源供應安全性和可靠性等優(yōu)點，此外還具有城市電網(wǎng)和燃氣管網(wǎng)雙重調(diào)峰的社會效益。

根據(jù)中國城市燃氣協(xié)會分布式能源委員會的統(tǒng)計，自1998年國內(nèi)第一個項目建成開始，天然氣分布式能源在我國經(jīng)歷了二十多年的探索和發(fā)展。截至2015年底，我國建成127個天然氣分布式能源項目，總裝機達到1 405.5 MW。其中上海市建成了46個項目，總裝機容量395.5 MW。上海市政府先后出臺了多項政策鼓勵天然氣分布式能源的發(fā)展，天然氣分布式能源逐漸成為大型樓宇、工業(yè)用戶、區(qū)域綜合能源供應系統(tǒng)的重要形式，具備了規(guī)?；焖侔l(fā)展的條件。

隨著國內(nèi)對天然氣分布式能源認識的深入和實踐，能源用戶對分布式能源系統(tǒng)的要求也不斷提高，某酒店根據(jù)當?shù)氐哪茉垂獥l件不但提出了綜合能源利用率高的節(jié)能要求，同時也提出互補供能、應急供電和供熱等提高酒店能源供應安全性、系統(tǒng)無人值守、易于維護等目標。為了滿足用戶需求，本項目從燃氣發(fā)電機組的參數(shù)設置到天然氣分布式能源系統(tǒng)的設計進行了多方面的創(chuàng)新，達到了綜合能效高、應急供能可靠、系統(tǒng)友好易用的建設目標。

1 項目背景

成都某度假酒店位于某風景區(qū)內(nèi)，緊靠正在建設的度假小鎮(zhèn)。酒店內(nèi)擁有四百余間客房，2 000平方米的宴會設施；逾1萬平方米的水上樂園。酒店建有獨立能源站房，建筑面積約1 000多平方米，內(nèi)有洗衣房、冷凍機房、開關站、水泵房、鍋爐房等設施。站內(nèi)安裝四臺2 200 kW燃氣熱水鍋爐，四臺制冷量450冷噸的離心式制冷機和配套輔機系統(tǒng)。能源站通過埋地管道將熱水和冷凍水輸送至酒店主樓供酒店使用。

酒店電力來自能源站的開關站，開關站的電力接入為農(nóng)網(wǎng)單回路10 kV專線進線，供電可靠性較差。每年會有多次的電網(wǎng)檢修或臨時線路故障，導致酒店停電。停電時間從幾小時到一天。雖然遠期規(guī)劃兩路進線，但為解決目前臨時停電問題保障酒店運行，能源站配置一臺500 kW的應急柴油機組，供電網(wǎng)停電時使用。站內(nèi)設兩臺10/0.4的降壓變，通過埋地電纜，將電能輸送至酒店主樓。

能源站采用合同能源管理模式，由當?shù)氐哪茉垂就顿Y建設并負責運營。能源公司向酒店售電和售熱，滿足酒店生活熱水、供冷供熱和用電需要。酒店冬季用熱較多，夏季用電較多，總體用能負荷熱電比接近1。考慮當?shù)剌^低的氣價和年可運行小時數(shù)較多，采用分布式供能項目能源站可獲得較好的經(jīng)濟和社會收益。

2 項目工藝路線

依據(jù)酒店的用熱和用電的實際情況，能源站一期安裝一臺裝機容量為1 165 kW的中壓燃氣發(fā)電機組。額定工況下可回收熱負荷為1 226 kW，可產(chǎn)95℃熱水約35 t/h。項目利用原有的洗衣房改建為發(fā)電機房，同時房內(nèi)預留一臺機位，作為未來度假小鎮(zhèn)的供能備用。發(fā)電機組所發(fā)電力直接接入能源站開關站內(nèi)10 kV母線，經(jīng)降壓變降壓后供酒店使用。發(fā)電機組的輔機用電來自開關站內(nèi)低壓開關柜。發(fā)電機組的余熱回收采用板式換熱器和煙氣換熱器串聯(lián)形式，回收發(fā)電機組缸套水和煙氣余熱，實現(xiàn)總能源利用率大于80%。

由于該酒店的供電可靠性較差，客戶要求機組具備黑啟動功能。在項目設計中對啟動關鍵設備預潤滑油泵采用EPS供電，確保機組黑啟動時機組預潤滑的需要。

分布式系統(tǒng)建設獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)電機組和輔助系統(tǒng)的遠程監(jiān)控?，F(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設備，將監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中心服務平臺?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設備預留通信接口，方便后期擴展。酒店天然氣分布式能源系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 酒店天然氣分布式能源系統(tǒng)流程圖

3 項目設計特點

本項目的余熱回收裝置采用模塊化、標準化設計的理念，將水泵、板換、調(diào)節(jié)閥、儀表等余熱回收裝置集成在公共底座上，形成圖2所示的撬裝模塊。采用標準化的元器件，降低采購成本和維護成本，縮短加工周期。模塊在工廠中完成組裝和部分的調(diào)試工作，整體運輸至項目現(xiàn)場，大幅降低了現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量，縮短了現(xiàn)場施工周期，降低了建設成本，同時提高了模塊的質(zhì)量和易維護性。

圖2 余熱回收利用模塊

該項目在運行模式上，除了實現(xiàn)分布式機組通常要求的并網(wǎng)不上網(wǎng)功能的同時，還滿足酒店孤島運行的要求，具備實現(xiàn)孤島和并網(wǎng)的無擾切換功能，即確保孤島和并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換之間保證酒店的連續(xù)供電。如圖3所示，機組通過對GCB和MCB的控制，配合自動甩負荷裝置，實現(xiàn)機組在并網(wǎng)和孤島模式之間的無擾切換。為實現(xiàn)此功能，在電網(wǎng)側(cè)加裝了電壓互感器，以便機組對MCB進行同期控制。當電網(wǎng)斷電時，機組通過繼保設備檢測到電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率和相位的波動，當達到整定保護值時，斷開MCB開關，機組自動轉(zhuǎn)入孤島模式，實現(xiàn)酒店的孤島運行。當電網(wǎng)側(cè)的PT檢測到市電的電壓恢復時，機組延時2分鐘后開始同期合MCB，自動轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運行，在此期間GCB保持合閘狀態(tài)，保證了機組不間斷供電。在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島過程中，為避免機組所帶負載波動過大或超載導致跳機，開關站配備了自動甩負荷裝置。裝置實時檢測MCB狀態(tài)和電網(wǎng)側(cè)電壓，確保機組轉(zhuǎn)入孤島運行模式時及時將部分三級負荷自動卸載，使機組負荷波動滿足負荷特性曲線要求，實現(xiàn)孤島和并網(wǎng)模式的無擾切換。

圖3 分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng)原理圖

在模式切換的測試過程中發(fā)現(xiàn)機組自帶的PLC繼電保護設備并不能及時反映電網(wǎng)失電的故障情況，往往需要延遲7-8秒才能分離MCB。對于上級開關存在重合閘的情況下容易對發(fā)電機組產(chǎn)生沖擊。為確保及時反映市電故障情況，加裝了woodward的發(fā)電機保護繼電器MRG3。通過該裝置vector shift這一保護功能，實現(xiàn)電網(wǎng)失電后2秒內(nèi)的MCB分閘，確保機組運行安全，滿足分布式電源并網(wǎng)技術要求。

該分布式能源系統(tǒng)除了采用集中監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)機組的就地和遠程啟停外，現(xiàn)場還設計安裝了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。通過模塊將集中監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)實時發(fā)送至城市天然氣分布式能源智能監(jiān)測及綜合服務平臺，如圖4所示。該平臺將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與監(jiān)測中心有機聯(lián)系起來，實現(xiàn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集及監(jiān)測。同時該平臺對系統(tǒng)的運行狀況進行評價，通過負荷預測、能效分析、財務分析、節(jié)能與減排計算、故障診斷等功能來對比項目運行情況，給出項目最佳運行模式的功能，得到最佳的運行方案。在已有數(shù)據(jù)的基礎上，服務平臺還可建立優(yōu)化模型，及時預測與發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常狀態(tài)，為現(xiàn)場系統(tǒng)的可靠運行提供保障，這一裝置方便了用戶和維護人員對現(xiàn)場情況的掌握。

優(yōu)化后的項目運行方案植入項目現(xiàn)場集控模塊，實現(xiàn)了項目現(xiàn)場無人值守和遠程巡檢，降低系統(tǒng)的維護管理成本。

圖4 城市天然氣分布式能源智能監(jiān)測及綜合服務平臺

本項目機組還需具備常規(guī)燃氣機組所不具備的孤島運行能力。機組孤島運行時其電壓波動和頻率波動滿足《ISO 8528-5-2018往復式內(nèi)燃機驅(qū)動交流發(fā)電機組》G3的運行限值要求。根據(jù)該標準機組運行期間在帶不同荷載情況下允許6%～15%到的負荷波動。機組低負荷情況下能滿足最大170 kW左右的波動。能源站最大荷載為316 kW制冷機，制冷機單個電機158kW且變頻啟動。因此，能滿足燃氣機帶荷載要求。區(qū)別于應急柴油機，分布式燃氣機組應急散熱輔機通常為電力驅(qū)動，且在機組啟動前啟動。此啟動方式導致對應急散熱輔機供電的不間斷電源容量要求較高，項目整體一次投資較大。為解決此問題本項目機組的應急散熱輔機電源由發(fā)電機組直接供應。由于機組為高壓機組，輔機電源還需經(jīng)過變壓器，為確保機組所發(fā)電力能及時供應，其輔機電源開關采用送電后自動投切。為避免變壓器空載合閘時勵磁涌流導致跳閘，對變壓器保護開關過流保護整定值進行了調(diào)整。將發(fā)電機組的啟動保護判斷延時時間調(diào)整至10 s。為保證機組啟動前預潤滑油泵的及時啟動，預潤滑油泵的電源采用EPS電源供應。在一系列的調(diào)整參數(shù)和供電調(diào)整后，經(jīng)實地調(diào)試，燃氣機組實現(xiàn)了黑啟動功能。

4 運行情況評價

本天然氣分布式能源系統(tǒng)于2017年末正式投運，目前穩(wěn)定運行時間大于兩年，現(xiàn)場設備系統(tǒng)見圖5。

圖5 某酒店天然氣分布式能源系統(tǒng)設備現(xiàn)場圖

截至2019年12月該項目年利用小時數(shù)2 857.72 h，年均能源綜合利用率達到87%，發(fā)電機組黑啟動、孤島和并網(wǎng)的無擾切換成功率100%，年節(jié)能量達到618.16 tce標煤，年二氧化碳減排量達到1 607.22 t，圓滿達到各項系統(tǒng)設計指標。運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 某酒店天然氣分布式能源系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本分布式能源系統(tǒng)通過技術設計創(chuàng)新和設備的控制參數(shù)優(yōu)化，充分挖掘了天然氣發(fā)電機組的黑啟動和孤島運行性能，滿足了用戶能源供應高效節(jié)能和可靠安全的需求。模塊化的設計和標準化的生產(chǎn)也提高了天然氣分布式能源系統(tǒng)的建設質(zhì)量和易維護性，大幅度縮短了項目建設安裝工期。雖然在孤島運行方面燃氣發(fā)電機的帶荷載性能還不如應急柴油機，但此次機組的成功調(diào)試和投運是一次很好的嘗試，為以后燃氣分布式系統(tǒng)拓展應用范圍和提高用戶能源供應系統(tǒng)安全性進行了有益的探索。