王勝賢 胡冬楠

寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江 寧波 315000

引言

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)通常是以燃?xì)鈨?nèi)燃技術(shù)為依托，注重發(fā)電與余熱回收利用同步進(jìn)行。天然氣在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，輸變配系統(tǒng)將產(chǎn)生的電能提供給電力用戶使用；而內(nèi)燃機(jī)中天然氣與空氣的結(jié)合所產(chǎn)生缸套水和余熱煙氣，又會(huì)被余熱回收裝置所回收，進(jìn)行二次加工和利用，生成熱水負(fù)荷、冷水負(fù)荷等產(chǎn)品，提供給需要的用戶夏季制冷或者冬季采暖。而如果夏季或者冬季因?yàn)樨?fù)荷高峰導(dǎo)致余熱不足時(shí)，可以利用天然氣進(jìn)行余熱回收裝置的補(bǔ)燃，讓用戶的日常需求得以滿足。作為分布式能源形式之一的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而得到更廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵撃Ｊ骄邆滹@著的節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，可以有效緩解電力緊張的狀況。該模式是目前提升一次能源利用率的較佳途徑，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用的目標(biāo)，能源利用率大幅度上升，并且可以彼此補(bǔ)充生產(chǎn)，大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 分布式能源站三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備及工藝流程

三聯(lián)供系統(tǒng)也稱CCHP系統(tǒng)，其構(gòu)成部分包括動(dòng)力設(shè)備、調(diào)峰設(shè)備、余熱利用設(shè)備及相關(guān)主輔設(shè)備。分布式能源站的一次能源主要是天然氣，在機(jī)組的選擇上參照冷熱負(fù)荷變化規(guī)律，原則上是根據(jù)熱（冷）定電，并網(wǎng)卻不上網(wǎng)，采用高效率、高集成度且安裝快捷的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組作為本系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備，同時(shí)選取運(yùn)行方便、空間占用小、熱效率高的雙效溴化鋰機(jī)組作為余熱回收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)發(fā)電余熱制冷制熱效率的最大化。選取啟動(dòng)迅速、運(yùn)行效率高的離心式冷水機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t作為調(diào)峰設(shè)備。在上述組合的基礎(chǔ)上配備可靠而靈活的儲(chǔ)能設(shè)備，整體系統(tǒng)的核心是余熱利用系統(tǒng)。首先利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行天然氣與空氣的混合，通過(guò)渦輪增壓器實(shí)施增壓后在氣缸內(nèi)燃燒做功，燃燒會(huì)形成余熱煙氣以及內(nèi)燃?xì)庑纬筛邷靥赘姿?，這些物質(zhì)進(jìn)入煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，以備制冷或者供熱之需[2]。

2 分布式能源站三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

2.1 提高能源綜合利用率

從綜合能源利用率方面分析，傳統(tǒng)火電的利用效率只是35%～45%，而分布式功能系統(tǒng)的利用率則可以高達(dá)55%～75%。雖然燃?xì)忮仩t的直接供熱效率能達(dá)到90%左右，但最后的能量產(chǎn)出形式都是低品位的熱能，而分布式供能系統(tǒng)產(chǎn)出的高品位熱能高達(dá)45%左右。由此可見(jiàn)，比起傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電和燃?xì)忮仩t直接供熱的模式，分布式供能系統(tǒng)大幅度提升了能源綜合利用率。

2.2 改善城市能源結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)是夏季的用電量高于冬季，而冬季的用氣量卻明顯高于夏季，主要是因?yàn)橄募究照{(diào)的大量使用以及冬季的大量的燃?xì)忮仩t使用造成的，這種能源結(jié)構(gòu)的不合理性造成了配套的市政設(shè)施低投資的效率，嚴(yán)重浪費(fèi)了資源。而分析分布式供能系統(tǒng)的可行性，一方面該系統(tǒng)發(fā)電功能和吸收式空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效降低夏天大電網(wǎng)的負(fù)荷；另一方面也能夠利用自身不間斷運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)平衡冬夏燃?xì)獾挠昧俊Ｋ?，分布式供能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用是區(qū)域能源結(jié)構(gòu)改善的最有效措施，能夠最大限度發(fā)揮配套能源供應(yīng)的優(yōu)越性，是配合國(guó)家整體能源政策最直接的手段。

2.3 提高供能安全性

我國(guó)都是采用的集中式單一供電系統(tǒng)，主要特征是大電網(wǎng)、大機(jī)組、高電壓，有一點(diǎn)故障發(fā)生都會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行，最嚴(yán)重的后果是大范圍停電以至于全網(wǎng)癱瘓。尤其是最近幾年極端氣候?qū)е碌碾娏?zāi)害，以及全球性的大面積停電事故頻發(fā)，讓人們不得不關(guān)注能源安全的重要性。而分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域分布、就近建設(shè)的模式，可以直接面對(duì)能源客戶，既有效提升了能源的利用率，也為用戶增加了另外的供電、供暖和供冷的有效渠道，在突發(fā)事故出現(xiàn)的時(shí)候，該系統(tǒng)可以保證供電的安全性和穩(wěn)定性，削減了用戶對(duì)集中供能系統(tǒng)的依賴，對(duì)用戶提供了安全性的保障，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2.4 環(huán)保效益明顯

分布式供能系統(tǒng)是清潔產(chǎn)能系統(tǒng)，其能源主體是燃料天然氣，該系統(tǒng)的排放都符合相關(guān)的環(huán)保要求，比起傳統(tǒng)的熱電分供模式，大大減少了CO2的排放量，環(huán)保效益十分明顯，為推動(dòng)整體的節(jié)能減排工作做出貢獻(xiàn)。

2.5 經(jīng)濟(jì)性良好

分布式供能系統(tǒng)在發(fā)揮供冷和供熱的雙重功能的同時(shí)，還不斷地產(chǎn)生高品位的電能，以其多樣性的產(chǎn)品和良好的能源利用率形成了燃?xì)狻㈦娏r(jià)格的波動(dòng)性的適應(yīng)能力，比起傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)，在節(jié)省消耗費(fèi)用上可行性顯著[3]。

3 實(shí)際案例的可行性分析

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目用地性質(zhì)為高等院校用地，為遷建項(xiàng)目。用地面積約131158㎡，建筑高度不大于45m；規(guī)劃總建筑面積約105000㎡，其中地上建筑面積約86000㎡，地下建筑面積約19000㎡；總體布局結(jié)構(gòu)可總結(jié)為“兩軸三區(qū)”，兩軸即南北向主軸和東西向的山水軸線；三區(qū)為行政教學(xué)區(qū)、生活休閑區(qū)及運(yùn)動(dòng)健身區(qū)。中心湖將地塊分為南區(qū)和北區(qū)，北區(qū)由會(huì)議中心，圖書(shū)信息樓，行政樓，教學(xué)樓，食堂等單體組成，南區(qū)由宿舍，文體館等單體組成。

圖1 項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖

3.2 年用能模擬分析

本項(xiàng)目主要的功能業(yè)態(tài)為教學(xué)、辦公、宿舍等，參考現(xiàn)有學(xué)校實(shí)際電負(fù)荷數(shù)據(jù)的調(diào)研和分析結(jié)果，考慮學(xué)校招生率的變化，結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)，擬在學(xué)校新建2個(gè)能源站。北區(qū)行政教學(xué)區(qū)域采用常規(guī)的能源站，南區(qū)采用分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)能源站，安裝600kW等級(jí)的發(fā)電機(jī)組考慮設(shè)備選型。南區(qū)能源站發(fā)電能源供整個(gè)學(xué)校使用。發(fā)電產(chǎn)生的余熱供南區(qū)制冷、采暖和生活熱水用。

本項(xiàng)目電價(jià)采用單一電價(jià)，采用直接燃燒天然氣的方式制冷，其經(jīng)濟(jì)性比直接采用電空調(diào)方式差，故本項(xiàng)目在調(diào)峰的方式上不再考慮燃?xì)獾姆绞街评?，直接采用電空調(diào)制冷的方式。采暖調(diào)峰則使用燃?xì)忮仩t。 按此方案，對(duì)方案的可行性做出如下分析：

通過(guò)模擬計(jì)算可得到南區(qū)全年逐時(shí)及延時(shí)電負(fù)荷變化曲線圖，如圖2：

圖2 全年逐時(shí)和延時(shí)電負(fù)荷趨勢(shì)分析圖

通過(guò)圖2可查看逐時(shí)及延時(shí)變化曲線，年度電負(fù)荷變動(dòng)和時(shí)間有直接影響關(guān)系，年度用電負(fù)荷量有70小時(shí)保持在3000kW以上，而保持在1000kW以上時(shí)段較長(zhǎng)，其他時(shí)間主要維持在600kW以上。

結(jié)合上文關(guān)于逐時(shí)負(fù)荷判斷，針對(duì)南區(qū)年用能進(jìn)行分析，結(jié)論如下所示：年總需冷量、年總需熱量、年總耗電量、年總需熱量、年總耗電量分別是821萬(wàn)kWh，541萬(wàn)kWh，850萬(wàn)kWh、140.8萬(wàn)kWh。其中，年耗電量比按現(xiàn)學(xué)校能耗數(shù)據(jù)推算的耗電量多。年耗冷按照制冷建筑面積折算成每平方米冷能耗為78.1kWh/（m2?a），年耗熱按照供暖建筑面積折算成每平方米的熱能耗為51.5kWh/（m2?a），黨校全年生活熱水預(yù)測(cè)量為2.2萬(wàn)噸。

3.3 分布式能源站三聯(lián)供系統(tǒng)全年熱電比分析

根據(jù)南區(qū)的全年的冷、熱、生活熱水及電負(fù)荷變化曲線，得出全年的熱電比變化曲線如下所示：

圖3 全年逐時(shí)和延時(shí)熱電比變動(dòng)趨勢(shì)圖

結(jié)合上述年度熱電比延時(shí)變化曲線可判斷，全年熱電比高于3的時(shí)間持續(xù)400h；有2500h小時(shí)左右的時(shí)間熱電比穩(wěn)定在 1～3之間，熱電比大于1以上的時(shí)間約為 3000h左右。

4 實(shí)際案例的應(yīng)用

根據(jù)前面的可行性分析，該學(xué)校南北區(qū)能源站分開(kāi)設(shè)置，北區(qū)采用常規(guī)能源的能源站，南區(qū)采用分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)。南區(qū)冷負(fù)荷為4670kW、熱負(fù)荷為3016kW、生活熱水負(fù)荷為1175kW。

4.1 能源站系統(tǒng)選型

能源站空調(diào)供冷，利用1臺(tái)制冷量為630kW的煙氣熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組、1臺(tái)制冷量為1340kW水冷螺桿冷水水機(jī)組，1臺(tái)制冷量2637kW變頻離心式冷水機(jī)組，設(shè)置分集水器，分3路供給供冷，供回水溫度分別為7℃和12℃。冷凍水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)。

能源站空調(diào)供熱，選擇1臺(tái)制熱量為310kW的煙氣熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組、2臺(tái)制熱量為1275kW燃?xì)鉄崴仩t，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施集中供熱，供回水溫度分別為60℃和50℃，空調(diào)熱水系統(tǒng)選擇一次泵變流量系統(tǒng)。

能源站供生活熱水，生活熱水供回水溫度為85/60℃，內(nèi)燃機(jī)組高溫缸套水90/80℃為優(yōu)先預(yù)熱生活熱水，不足部分由1臺(tái)制熱量為127kW的燃?xì)鉄崴仩t提供。

內(nèi)燃機(jī)組90/80℃高溫缸套水為優(yōu)先預(yù)熱生活熱水，多余部分夏季作為煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組制冷的一次熱媒，冬季通過(guò)板式換熱器制取空調(diào)熱水。

圖4 能源站機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)

4.2 能源站運(yùn)行模式

4.2.1 供冷運(yùn)行時(shí)：?jiǎn)?dòng)內(nèi)燃機(jī)組系統(tǒng)和煙氣熱水型溴化鋰?yán)洌兀┧畽C(jī)組系統(tǒng)，提供7℃的冷凍水，不足部分由電制冷冷水機(jī)組供給。

4.2.2 供熱運(yùn)行時(shí)：空調(diào)熱水：?jiǎn)?dòng)內(nèi)燃機(jī)組系統(tǒng)，以及相應(yīng)的缸套水板換，提供60℃空調(diào)熱水，不足部分由燃?xì)鉄崴仩t供給。

生活熱水：?jiǎn)?dòng)內(nèi)燃機(jī)組系統(tǒng)，以及相應(yīng)的缸套水板換，提供85℃生活熱水，不足部分由燃?xì)鉄崴仩t供給。

4.3 能源站自動(dòng)控制

4.3.1 溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組啟停臺(tái)數(shù)控制：通過(guò)對(duì)機(jī)組總供回水溫度和流量的監(jiān)測(cè)，再對(duì)運(yùn)行的機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行匹配，控制機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。

4.3.2 水泵控制：部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，根據(jù)主機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，控制水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。

4.3.3 冷水機(jī)組和燃?xì)鉄崴仩t啟停臺(tái)數(shù)控制：通過(guò)對(duì)機(jī)組總供回水溫度和流量的監(jiān)測(cè)，計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷，將計(jì)算結(jié)果與當(dāng)時(shí)冷水機(jī)組投運(yùn)下的總供冷量或總熱量作比較，決定開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。

5 實(shí)際案例經(jīng)濟(jì)性分析

該學(xué)校應(yīng)用的三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行原則：并網(wǎng)后并不上網(wǎng)，系統(tǒng)所配備的發(fā)電機(jī)組主要滿足能源站內(nèi)設(shè)備的用電需求，多余電力供給學(xué)校全區(qū)用電，當(dāng)發(fā)電機(jī)組所發(fā)電力不足時(shí)，從市政電網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)充。從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考慮，能源站內(nèi)發(fā)電機(jī)組全天不間斷運(yùn)行，過(guò)渡季故障檢修。

將能源站配置方案與常規(guī)能源配置方案年運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下表所示：

表1 運(yùn)行費(fèi)用比較分析表

通過(guò)上文的計(jì)算和分析，對(duì)比常規(guī)分布式能源系統(tǒng)方案，能有效降低運(yùn)行費(fèi)用，分布式能源系統(tǒng)相對(duì)冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t每年可降低115萬(wàn)元成本，分布式能源系統(tǒng)相對(duì)燃?xì)庵比紮C(jī)每年可降低188萬(wàn)元成本，分布式能源系統(tǒng)的天然氣能源綜合利用效率可達(dá)80%左右。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多級(jí)利用能源的宗旨是梯級(jí)利用和循環(huán)利用兼顧。因此更凸顯出傳統(tǒng)能源利用方式的缺陷。所以，怎樣達(dá)到能源的合理利用、避免浪費(fèi)能源，是目前和今后一個(gè)時(shí)期研究的課題。本文對(duì)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析，介紹了其工作流程，并通過(guò)具體案例的計(jì)算和分析，可以看出分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)比起常規(guī)的能源系統(tǒng)該系統(tǒng)具備明顯的節(jié)能、環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目作為寧波地區(qū)分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用起到積極的示范與推廣作用。