天然氣分布式供能系統(tǒng)在公共建筑節(jié)能方面的應用

馬 平，潘軍松

（1.申能（集團）有限公司，上海 201103；2.上海申能能源服務有限公司，上海 200021）

天然氣分布式供能技術采用清潔高效的天然氣作為燃料，通過能量的梯級利用實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，一次能源的利用率高，而且就地生產、就地消費的供能方式還可以避免電能長距離輸送的損耗，因此是目前最具經(jīng)濟性的天然氣利用方式之一。同時，分布式供能作為大電網(wǎng)的補充，可以提高用戶用電的可靠性。2011年1月投入運行的申能能源中心分布式供能系統(tǒng)是在上海市政府支持下建設成功的天然氣分布式供能項目之一。

1 概況

申能能源中心大樓位于上海虹井路，建筑面積為4.9萬m2，其中，地上建筑面積3.4萬 m2，地下建筑面積1.6萬m2。能源中心設施設備包括供電系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)。供電系統(tǒng)采用2臺1 600kVA變壓器，變配電為10kV／0.4kV，兩路10kV獨立電源供電，三聯(lián)供發(fā)電是電網(wǎng)供電的一個補充。能源中心還配置了50kW的太陽能發(fā)電設備以及蓄冷量為892kWh的冰蓄冷設備。供熱系統(tǒng)采用熱電聯(lián)產和天然氣熱水鍋爐相結合的方式，配置的2臺天然氣熱水鍋爐單機容量為1 400kW；供冷系統(tǒng)主要采用2臺單機容量為1 361kW的螺桿雙工況制冷機組和1臺單機容量為553kW的螺桿基載制冷機組，熱電聯(lián)產的制冷系統(tǒng)是供冷系統(tǒng)的組成部分之一，見圖1。

天然氣分布式供能系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，通常由原動機、余熱利用設備、電氣系統(tǒng)、發(fā)電機控制系統(tǒng)、輔機控制系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和通風系統(tǒng)等組成。申能能源中心分布式供能系統(tǒng)采用了一臺美國原裝的Capstone C200低壓型（自帶燃氣增壓機）微型燃氣輪機發(fā)電機組，兩臺日本Yazaki CH－KE4040煙氣補燃型溴化鋰冷溫水空調機組和一些配電柜、控制柜、并網(wǎng)柜、系統(tǒng)檢測儀表，以及泵、閥、冷卻塔（循環(huán)冷卻水系統(tǒng)）等輔助設備。系統(tǒng)中的發(fā)電機組額定功率為200kW，單臺冷溫水機組的額定制冷功率為141kW，額定制熱功率為134kW。發(fā)電機組采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”為主的運行模式，所發(fā)電力全部供大樓使用，機組所發(fā)電力并在低壓母線上。

圖1 申能能源中心能源供應系統(tǒng)示意圖

供能系統(tǒng)中的發(fā)電機組排出的高溫煙氣進入煙氣補燃型冷、溫水機組。夏季冷、溫水機組中的溴化鋰空調機組利用余熱產生用于降溫的冷水，進入大樓螺桿式冷水機系統(tǒng)，并入二次循環(huán)水系統(tǒng)進入大樓空調終端。冬季冷、溫水機組產生的溫水進入大樓燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)，見圖2。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 試運行期間系統(tǒng)效率的估算

申能能源中心的供冷負荷由常規(guī)電制冷機、冰蓄冷、分布式供能系統(tǒng)同時提供，并通過合理制定運行策略，在滿足舒適性的前提下達到節(jié)能、降本的效果。夏季的供冷通常先開啟分布式供能系統(tǒng)，一旦供冷量不足就開啟冰蓄冷，如果供冷量還不滿足要求就開啟電制冷機。申能能源中心分布式供能系統(tǒng)試運行期間的主要數(shù)據(jù)見表1。表1中的1月份僅進行發(fā)電機的可靠性測試，空調機組并未投入，因此1月份空調機組設備的產熱（冷）量采用了額定工況下的制熱量。

由于氣溫對微型燃氣輪機機組發(fā)電功率影響很大，氣溫低燃機的效率高，這種變化對整個系統(tǒng)的效率會產生一定的影響，而且一年中的不同季節(jié)負荷分配的要求不同，也可能影響到效率。因此，系統(tǒng)的效率應當分季節(jié)來分析，為此把全年分為冬季供暖期、春秋過渡期和夏季供冷期，系統(tǒng)效率將根據(jù)相應的試運行數(shù)據(jù)估算。

1）冬季供暖期 冬季天氣溫度低，機組發(fā)電效率高。以1月份的17日至18日運行數(shù)據(jù)作為代表，系統(tǒng)中發(fā)電機組的平均發(fā)電功率為197.58 kW，供熱機組的產熱功率平均為268.00kW，即系統(tǒng)輸出的功率平均為465.58kW，可以折算成1 676.20MJ／h。系統(tǒng)中的微燃機組天然氣平均耗量65.17m3／h，由于冬季空調機組不需要補燃天然氣，因此系統(tǒng)消耗的天然氣總耗量平均值為65.17m3／h；天然氣熱值取35.6MJ／m3，系統(tǒng)能源輸入的功率可折算為平均2 320.10MJ／h。根據(jù)機組輸出和輸入的功率比，可以得到冬季供暖期1月份的機組效率為72.28%。

表1 分布式供能系統(tǒng)試運行主要時段數(shù)據(jù)

2）春秋過渡期 春秋過渡期的效率估算采用5月25日至6月3日的試運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的發(fā)電機組輸出功率平均為155.23kW，供熱機組輸出功率平均為260.27kW，因此系統(tǒng)的輸出功率平均為415.50kW，折合為1 495.80MJ／h。系統(tǒng)中的微燃機組天然氣平均耗量為51.82m3／h，空調機組補燃天然氣平均耗量為7.64m3／h，系統(tǒng)的天然氣消耗平均為59.46m3／h，折算后系統(tǒng)的能源輸入功率平均為2 116.78MJ／h。由此可得，春秋過渡期系統(tǒng)的效率為70.7%。

3）夏季供冷期 夏季供冷期大樓負荷需求量大，其中大部分冷負荷要由溴化鋰空調機組提供，機組處于高負荷區(qū)內運行。該時期的效率估算采用7月7日至8月3日試運行數(shù)據(jù)，發(fā)電機組的輸出功率平均為162.03kW，制冷機組的冷量輸出功率平均為270.6kW，因此系統(tǒng)的能源輸出功率平均為432.63kW，折合為1 557.47MJ／h。微燃機天然氣耗量平均為58.83m3／h，空調機組補燃天然氣耗量平均為3.33m3／h，即系統(tǒng)消耗天然氣總量平均為62.16m3／h，系統(tǒng)的能源輸入功率平均為2 213MJ／h。由此可得，夏季供冷期系統(tǒng)效率為70.42%。

9月份氣溫已經(jīng)有所回落，因此只需啟動分布式供能系統(tǒng)，不需要再用冰蓄冷或者電制冷機就可以滿足大樓冷負荷需求。9月19日系統(tǒng)發(fā)電機組的平均輸出功率為168.00kW，制冷機組輸出的冷量功率平均為335.83kW，即系統(tǒng)的輸出功率平均為503.83kW。系統(tǒng)中的微燃機組發(fā)電消耗的天然氣平均為59m3／h，空調機組補燃消耗的天然氣平均為9m3／h，系統(tǒng)的天然氣耗量平均為68m3／h，由此可得系統(tǒng)輸出功率為2 421MJ／h，9月份系統(tǒng)平均效率可達74.96%。系統(tǒng)效率的提高與冷水流量增大，余熱利用的增加有關?？梢钥吹剑捎谥粏臃植际焦┠芟到y(tǒng)，不再用冰蓄冷或者電制冷機，9月份系統(tǒng)輸出冷量為335.83kW，遠遠高于8月份的270.6kW。

根據(jù)不同季節(jié)的運行數(shù)據(jù)估算結果，系統(tǒng)全年的效率為72%左右。當然，這樣的估算沒有扣除能源中心的自用電部分，因此是高估的。例如夏季供冷時，風機、冷卻水泵的耗電增加；扣除自用電后，系統(tǒng)效率會明顯下降。一般來說冬季供暖期冷卻塔停運自用電下降，氣溫低燃機的發(fā)電效率提高，因此系統(tǒng)效率總是高于夏季。

3 經(jīng)濟收益

分布式供能的收益與設備投入運行的時間有關，但是根據(jù)并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則，申能能源中心的三聯(lián)供系統(tǒng)只能在大樓辦公時運行，通常為每天的8：00～17：00，共9h。系統(tǒng)的收益包括發(fā)電和供熱（冷）兩部分。發(fā)電增益是指與電網(wǎng)供電相比，項目的運行可以減少的用電成本。由于電網(wǎng)用電根據(jù)峰谷期定價，8：00～17：00時段冬季的市電平均價為0.865元／kWh，夏季為1.00元／kWh。供熱（冷）增益指冬季利用余熱后可以減少燃氣鍋爐耗氣的支出量，或者夏季減少基載制冷機組用電的支出。

冬季采暖期和夏季制冷期燃氣的效率不同，單位天然氣的發(fā)電量和發(fā)電成本也不同。表2是根據(jù)2011年1月17日14：00至9月19日13：00運行數(shù)據(jù)計算的采暖期和制冷期系統(tǒng)燃氣發(fā)電機組的投入和產出，可以看到采暖期和制冷期每1m3的天然氣所發(fā)電量分別為3.048kWh和2.946kWh。上海市政府為了鼓勵燃氣三聯(lián)供的應用，給予三聯(lián)供項目的天然氣優(yōu)惠價格為2.43元／m3，因此采暖期和制冷期發(fā)電成本分別為0.797元／kWh和0.825元／kWh。

表2 采暖期和制冷期系統(tǒng)燃氣發(fā)電機組的投入和產出

1）冬季采暖期 采暖期系統(tǒng)的發(fā)電機組輸出功率平均195kW，運行時間9h可以發(fā)電1 755 kWh，發(fā)電成本0.797元／kWh（表2），可以得到全天發(fā)電成本為1 398元；市電平均價格0.865元／kWh，采用市電每天應支出電費1 518元。因此項目的運行每天可以減少發(fā)電開支120元。冬季采暖，能源中心大樓采用2t／h燃氣鍋爐，鍋爐的額定產熱功率1 400kW；額定天然氣耗量155m3／h，因此單位燃氣量的平均制熱量為9.0 kWh／m3。兩臺煙氣補燃型冷、溫水機組冬季每臺產出的熱量平均150kW，兩臺共計300kW，因此每1h可以減少鍋爐的天然氣消耗量33.3m3，一天運行9h，共耗天然氣300m3，用于鍋爐的天然氣價格為3.99元／m3，因此每天可以減少1 197元，加上發(fā)電收益120元，冬季采暖期每天的收益為1 317元。

2）夏季制冷期 夏季制冷期平均發(fā)電量為165kW，發(fā)電成本為0.825元／kWh；夏季市電平均單價為1.00元／kWh；每天運行9h，通過計算可以得到每天可以減少用電成本約260元。夏季，能源中心大樓采用基載制冷機組制冷，機組的額定制冷量為553kW；額定輸入功率為120kW，機組制冷的COP為4.6，即每耗1kWh電產生的制冷量為4.60kWh。夏季兩臺煙氣補燃型冷、溫水機組每臺的供熱功率平均140kW，兩臺共計280kW，如果也按COP為4.6計算，可以減少基載制冷機組用電61kW，每天運行9h，節(jié)電549kWh。夏季市電平均單價為1.00元／kWh，可以減少電費支出約549元；加上發(fā)電收益260元，夏季制冷期系統(tǒng)運行每天的收益約為809元。

4 運行方案的優(yōu)化

申能能源中心大樓分布式供能系統(tǒng)已經(jīng)試運行一年，運行結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，發(fā)電成本低于市電。為了進一步優(yōu)化系統(tǒng)運行，結合市電峰谷價格，系統(tǒng)開啟時間改為市電峰值期（8：00－15：00），每天發(fā)電量約1 600kWh，試運行至2011年底，累計發(fā)電量121 870kWh，單日平均發(fā)電量（以12月份為例）1 770kWh，累計供冷量為55 235kWh，累計供熱為906 030kWh。當季節(jié)性用電高峰時，能源中心大樓所申請變壓器（微燃機組并網(wǎng)于1號變壓器低壓400V側）基本用電負荷可能還會有缺口，這部分缺口可以由微燃機組功率輸出來填補，因此可以申請減少基本用電量降低用電成本，避免MD超標遇罰。今后要充分利用三聯(lián)供發(fā)電優(yōu)點結合契約數(shù)的合理運用，在夏季用電高峰時滿負荷運行三聯(lián)供系統(tǒng)的基礎上，降低用電契約數(shù)預估申請，從而達到節(jié)約契約電費并開啟三聯(lián)供溴化鋰機組來補充供冷。

5 結語

申能能源中心大樓分布式供能系統(tǒng)試運行結果表明，由于實現(xiàn)了能源的梯級利用，天然氣的利用效率比較高，發(fā)電用的燃料成本低于市電，余熱的充分利用也帶來了可觀的經(jīng)濟效益，但是項目總體的經(jīng)濟效益并不理想。上海目前正處在經(jīng)濟發(fā)展轉型中，有必要優(yōu)化能源結構提高天然氣的消費比例，因此政府非常重視天然氣分布式供能的應用和推廣，并成功地建成了一批天然氣三聯(lián)供示范項目，但是其中許多項目存在經(jīng)濟效益不高的問題。經(jīng)濟效益不高的主要原因，除了目前燃機設備依靠進口價格很貴維修成本高以外，機組的運行安排不能充分發(fā)揮三聯(lián)供的潛力也是原因之一。因此，除了加緊做好燃氣機組等設備的國產化，降低三聯(lián)供項目的建設成本外，政府還應當借鑒發(fā)達國家推廣分布式供能應用的成功經(jīng)驗，采取各種政策或者措施創(chuàng)造分布式供能項目盈利的環(huán)境和必要條件，特別是加緊智能電網(wǎng)建設，讓我國的分布式發(fā)電也能像發(fā)達國家那樣真正成為大電網(wǎng)的互補系統(tǒng)，提高我國的供電系統(tǒng)的能源效率和可靠性。