武漢東湖高新區(qū)應(yīng)用熱電冷聯(lián)產(chǎn)的可行性分析

張巍巍，黃敏軒，馬宏權(quán)，張志鵬，楊 濤，趙洪海

（南京豐盛新能源科技股份有限公司，南京 210012）

武漢東湖高新區(qū)應(yīng)用熱電冷聯(lián)產(chǎn)的可行性分析

張巍巍，黃敏軒，馬宏權(quán)，張志鵬，楊 濤，趙洪海

（南京豐盛新能源科技股份有限公司，南京 210012）

針對冷熱電三聯(lián)供技術(shù)在武漢東湖高新區(qū)中的應(yīng)用進行了分析與研究，并重點針對九龍生物產(chǎn)業(yè)園周邊的熱電廠的分布，來劃分園區(qū)不同的供能區(qū)域以形成分布式能源。同時分析了蒸汽供給參數(shù)以及影響項目經(jīng)濟指標(biāo)的敏感性因素,并提出了改善項目經(jīng)濟性的參考建議。

冷熱電三聯(lián)供；蒸汽；管網(wǎng)；生物產(chǎn)業(yè)園

隨著“中部崛起”等國家戰(zhàn)略的實施，武漢成為中部崛起的重要戰(zhàn)略支點。武漢在“兩型社會”建設(shè)中率先試驗和發(fā)展東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)成為全國第二個國家自主創(chuàng)新示范區(qū)，經(jīng)濟的迅速發(fā)展必將導(dǎo)致能源的加速消耗，武漢市的能源供應(yīng)也將面臨著嚴(yán)峻考驗。在”十二五”期間節(jié)能減排任務(wù)促使下，分布式熱電冷三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)發(fā)電和供熱供冷，具有良好的發(fā)展前景。另外，目前CCHP技術(shù)也相對成熟，被證明是一種有效解決能源發(fā)展矛盾的方法，并被各國所應(yīng)用，比如：美國奧斯汀新城、英國曼徹斯特機場、北京燃氣集團控制中心大樓、上海國際浦東機場等都是國內(nèi)外較為典型的工程案例。

東湖國家自主創(chuàng)新示范區(qū)以光電子信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，能源環(huán)保、生物工程與新醫(yī)藥、新材料、機電一體化和高科技農(nóng)業(yè)競相發(fā)展，并具有能源需求量大、需求形式多元化等特點。從高新區(qū)長遠發(fā)展規(guī)劃來看，整個園區(qū)用電將日趨緊張，盡管武漢市電力供應(yīng)有葛洲壩與三峽大壩的水電支撐，但由于水電比例在總用電比例中的基數(shù)較小，并不能完全解決用電緊張的問題，在用電負荷較大的夏季，這個問題更為明顯。隨著我國天然氣“西氣東輸”二期工程的啟動，將大大緩解天然氣緊張的局面，CCHP系統(tǒng)消耗夏季較為富裕的天然氣而為園區(qū)提供部分電力，解決夏季供電緊張，保證了園區(qū)電力的自給率與自我調(diào)節(jié)能力，降低了大電網(wǎng)在拉閘限電的情況下對園區(qū)供電的影響。CCHP系統(tǒng)可以使能源梯級利用，在提供電力的同時，利用余熱輸出如：空調(diào)、采暖、生活熱水以及工業(yè)蒸汽等多能互補型能源來滿足不同的末端需求。CCHP消耗天然氣，其產(chǎn)物為CO2與水，因此相對燒煤來說較為清潔。

九龍生物產(chǎn)業(yè)基地作為東湖高新區(qū)內(nèi)經(jīng)濟與各個產(chǎn)業(yè)分布較為集中的區(qū)域，其用能量大，在能源需求上可以側(cè)面反應(yīng)整個東湖高新區(qū)能源需求狀況。園區(qū)內(nèi)的許多高新制藥企業(yè)需要不間斷供電，因此不能出現(xiàn)拉閘斷電的情況，所以九龍生物產(chǎn)業(yè)園采用CCHP系統(tǒng)來集中供電恰好可以補充電網(wǎng)在拉閘限電的情況下的電力供應(yīng)。另外，CCHP還可以供應(yīng)蒸汽，滿足了制藥企業(yè)的蒸汽需求，避免了用汽企業(yè)自建鍋爐分供所造成的資源浪費。

1 項目概述

九龍生物產(chǎn)業(yè)基地作為東湖高新區(qū)內(nèi)的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)集中營，位于高新區(qū)東部，占地面積約11.92 km2，其功能定位為：國家級以生物產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)制造及物流為主的生物產(chǎn)業(yè)基地?；赜写罅康墓I(yè)蒸汽需求，主要是用于中試車間、消毒、研發(fā)等。

本項目的設(shè)計思路是：以汽定電，以燃氣輪機為主，以燃氣鍋爐進行備用調(diào)峰，CCHP能源中心與能源站結(jié)合。由于建筑中傳統(tǒng)的CCHP系統(tǒng)是“以電定熱”，系統(tǒng)投資較高，在滿足電力需求的情況下，所產(chǎn)的熱量往往會有盈余而造成浪費。“以汽定電”則是首先滿足園區(qū)的蒸汽需求，CCHP所發(fā)的電力進行自我供應(yīng)，如有不足使用電網(wǎng)進行補充。圖1為九龍生物園區(qū)位圖。

圖1 九龍生物產(chǎn)業(yè)園區(qū)位圖

參照國土資源部發(fā)布的《工業(yè)項目建設(shè)用地控制指標(biāo)（試行）》中的容積率標(biāo)準(zhǔn)，九龍生物產(chǎn)業(yè)基地容積率取0.8，建筑面積約為800萬m2。

根據(jù)園區(qū)發(fā)展形勢以及通過前期的能源調(diào)研數(shù)據(jù)，本文預(yù)測了2015年的近期需求與2020年的遠期需求。園區(qū)內(nèi)以工業(yè)蒸汽需求與電需求為主，空調(diào)、采暖的需求考慮到吸收式溴化鋰系統(tǒng)效率較低，因此這部分需求都通過電空調(diào)與蒸汽鍋爐提供，如何解決“汽-電平衡”問題成了需求分析中的關(guān)鍵。表1反映了冷、熱、電、熱水、蒸汽的負荷需求。

表1 區(qū)域負荷估算結(jié)果統(tǒng)計表

2 可選方案

本項目整體規(guī)劃思路是CCHP能源中心與能源站結(jié)合。若本項目能源輸出只集中在一個能源站，輻射半徑較大，能量損失嚴(yán)重。因此本項目建議設(shè)置多個能源站，分布在如圖2的A、B、C 3個分區(qū)中。

根據(jù)本項目實際情況與周邊條件，以下提供2個CCHP可選方案。

（1）方案一（以周邊熱電廠蒸汽供應(yīng)為主）

如圖1所示，本項目周邊有關(guān)山熱電廠與鄂州電廠。關(guān)山熱電廠地處本項目A區(qū)以東，直線距離約為11 km，現(xiàn)有工程裝機總規(guī)模為2×25 MW，即2臺130 t/h燃煤鍋爐，2臺25 MW汽輪發(fā)電機組，對外供熱管網(wǎng)長約34 km，供熱能力80 t/h?，F(xiàn)擬建2×9E燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)，即2×PG9171E燃氣輪機發(fā)電機組+2×余熱鍋爐（35～183.5 t/h）和2×抽汽式蒸汽輪發(fā)電機（50 MW）。

鄂州電廠原有2×300 MW燃煤機組，二期工程是在一期工程的基礎(chǔ)上順延擴建2臺600 MW的超臨界燃煤機組，擬建2×1 000 MW燃煤機組。其優(yōu)勢為機組效率高，劣勢是距離九龍基地C區(qū)的距離達18 km，對于管網(wǎng)的安全性能要求較高，長距離輸送致使的壓強與溫降只能依靠提升電廠蒸汽出口壓力與溫度來彌補。圖2為區(qū)域劃分及能源站分布示意圖。

圖2 區(qū)域劃分及能源站分布示意圖

A區(qū)與C區(qū)可以采用將“空調(diào)能源站+蒸汽站”結(jié)合的方式，分散布置。其蒸汽站分別由關(guān)山熱電廠與鄂州電廠建設(shè)，并長距離輸送蒸汽。而B區(qū)域采用“CCHP能源中心+空調(diào)能源站”。此方案的好處是相對減少管網(wǎng)建設(shè)的投資。本方案的CCHP能源中心設(shè)置1臺47 MW的SGT-800型燃氣輪機。承擔(dān)區(qū)域內(nèi)的全部蒸汽及部分制冷、采暖負荷需求，其余制冷、采暖負荷由空調(diào)能源站承擔(dān)。

（2）方案二（以園區(qū)內(nèi)部分布式能源中心為主）

如圖2所示，A、B、C 3個區(qū)域全部采用CCHP能源中心（SGT-800燃氣輪機+煙氣鍋爐+溴化鋰?yán)錅厮畽C組+雙工況蓄能機組+燃氣蒸汽調(diào)峰鍋爐）+空調(diào)能源站。由于基地面積較大，且大部分為生產(chǎn)型企業(yè)，白天用電量較大，夜間用電量相對較小，為平衡電力系統(tǒng)，減少不必要浪費，均考慮部分蓄冰，對電力系統(tǒng)起削峰填谷的作用，空調(diào)系統(tǒng)在白天生產(chǎn)用電高峰期，可以采用融冰供冷。

3 方案對比分析

3.1 經(jīng)濟性分析

根據(jù)目前武漢市工業(yè)天然氣價3.0元/m3，商業(yè)電價0.92元/kWh，可以簡單計算出九龍生物產(chǎn)業(yè)基地年的全年運行費用及其節(jié)能減排率。表2為全年經(jīng)濟參數(shù)表。

表2 全年經(jīng)濟參數(shù)表

如果與傳統(tǒng)的電空調(diào)+燃氣鍋爐方案相比較，2個方案的節(jié)能率分別為51%、35%；減排率分別為83%、86%。因此可看出方案二的節(jié)能減排效果比方案一要好，從而從運行費用上也表現(xiàn)得更為廉價，但是相對的初投資費用也有一定增加。

3.2 蒸汽管網(wǎng)方案分析

蒸汽管網(wǎng)對于方案一與方案二來說，基本保持一致，其唯一的不同點就是A區(qū)與C區(qū)的蒸汽供應(yīng)是鄂州電廠與關(guān)山熱電廠的主熱力管線進入園區(qū)到達蒸汽站，投資相對較高。圖3為蒸汽管網(wǎng)布置圖。

根據(jù)調(diào)研資料可知，用戶端蒸汽為0.8 MPa，210℃的飽和過熱蒸汽，因此不管采用哪種方案，都要求CCHP能源中心或者熱電廠最終送到用戶側(cè)時的蒸汽必須達到該標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 蒸汽管網(wǎng)布置圖

方案一（以熱電廠供汽為主）管網(wǎng)累計總長度約為49 km，其中蒸汽源側(cè)的關(guān)山熱電廠距離A區(qū)蒸汽站約11 km，鄂州電廠距離C區(qū)蒸汽站約為18 km。園區(qū)內(nèi)部支狀管網(wǎng)累計長度為21 km，其中從各區(qū)域CCHP能源中心或蒸汽站到最遠用戶端最遠距離約為2 km。

方案二（CCHP能源中心為主），蒸汽供給是由各個片區(qū)內(nèi)部CCHP能源中心提供，園區(qū)內(nèi)部支狀管網(wǎng)累計長度為21 km，其中從各區(qū)域CCHP能源中心到最遠用戶端最遠距離約為2 km。因此在計算CCHP能源中心送氣初始壓力與溫度時，只需要考慮CCHP能源中心到片區(qū)內(nèi)部最遠用戶端的距離。

蒸汽傳輸過程中，蒸汽管道敷設(shè)方式采用地埋與架空并行，并采用外保溫+抽真空的保溫方式，其蒸汽傳輸中壓降約為0.02～0.03 MPa/km，溫降約為5～7℃/km，其蒸汽傳輸參數(shù)如表3所示。

表3 各方案蒸汽傳輸參數(shù)表

根據(jù)表3可以看出：

方案一中的關(guān)山熱電廠的初始送氣壓力至少達到1.15 MPa，初始溫度需要275℃。鄂州電廠的初始送氣壓力至少達到1.30 MPa，初始溫度需要310℃；B區(qū)CCHP能源中心送氣初始壓力至少達到0.85 MPa，初始溫度需要220℃。

方案二各區(qū)域的CCHP能源中心送氣初始壓力至少達到0.85 MPa，初始溫度需要220℃才能滿足最遠用戶0.8 MPa、210℃的蒸汽需求。

4 關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題

4.1 電力輸配方案

（1）可采取在發(fā)電機出口側(cè)裝設(shè)同期并網(wǎng)系統(tǒng)、線路保護系統(tǒng)，將出口電壓穩(wěn)定在市供電10 kV電壓等級上供園區(qū)內(nèi)建筑、工業(yè)電力容量。園區(qū)內(nèi)各個建筑10 kV變電站設(shè)立雙電源回路，一路為市網(wǎng)供電、另一路為能源站發(fā)電供應(yīng)，形成”并網(wǎng)不上網(wǎng)”的電力并網(wǎng)方針。

（2）對于本項目來說其并網(wǎng)費用主要是由政府部門及湖北省電力公司決定，如果本項目能得到政府協(xié)助，這個費用也會相應(yīng)減少。

（3）本項目電力系統(tǒng)的早期規(guī)劃與協(xié)議非常重要，應(yīng)該在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)方案通過評審后,就立即和電力主管部門聯(lián)系和協(xié)調(diào)。

4.2 敏感性分析

4.2.1 能源價格對蒸汽價格的影響

圖4為不同上網(wǎng)電價下關(guān)山熱電廠以及CCHP能源中心供蒸汽價格隨天然氣價格的變化而變化，從圖4可以看出，隨著天然氣價格的升高，蒸汽價格也相應(yīng)升高。上網(wǎng)電價越高，發(fā)電收回的成本越多，蒸汽價格越低。按照目前湖北省發(fā)電用天然氣價格2.172元/m3、上網(wǎng)電價0.5元/kWh計算，蒸汽價格約為150元/t，然而對于CCHP能源中心來說則為80元/t；若CCHP能源中心并網(wǎng)發(fā)電，按照目前湖北省發(fā)電用天然氣價格3元/m3，電價按民用電價0.8元/kWh計算，蒸汽價格約為50元/t。

圖4 天然氣價格、電價對蒸汽價格的影響

與以上2種產(chǎn)蒸汽方式不同，鄂州電廠使用的能源為煤，煤的價格相對于天然氣較低，如圖5所示。當(dāng)煤的價格低于1 000元/t時，上網(wǎng)發(fā)電的收入即可回收成本。當(dāng)煤價大于1 000元/t后，供應(yīng)蒸汽才會收回成本[8]。

圖5 煤炭價格對蒸汽價格的影響（鄂州電廠）

4.2.2 負荷率對蒸汽價格的影響

蒸汽的用量關(guān)系到蒸汽的價格和蒸汽管網(wǎng)投資的回收期等一系列問題，目前蒸汽的用量只能依靠統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗值計算，無法準(zhǔn)確計算。本節(jié)將研究負荷率對蒸汽價格的影響，在此假設(shè)管網(wǎng)投資的回收期為15年。

圖6為不同年蒸汽用量下關(guān)山熱電廠、CCHP蒸汽價格的變化，兩者變化具有相同的趨勢，蒸汽用量越多，管網(wǎng)等投資費用分?jǐn)偟秸羝械谋壤叫。羝麅r格越低。

按照目前煤價與上網(wǎng)電價對鄂州電廠的蒸汽費用進行計算，上網(wǎng)發(fā)電的收入即可收回能源成本。假設(shè)蒸汽只承擔(dān)蒸汽管網(wǎng)的費用，則蒸汽的定價會影響管網(wǎng)投資的回收期，圖7為鄂州電廠不同蒸汽價格下電廠管網(wǎng)的投資回收期。蒸汽價格越高，管網(wǎng)的回收期越快。

圖6 年蒸汽用量對蒸汽價格的影響

圖7 不同蒸汽價格下管網(wǎng)初投資回收期

4.2.3 熱電效率對蒸汽價格的影響

關(guān)山熱電廠和鄂州電廠距離園區(qū)較遠，供應(yīng)蒸汽需要的溫度和壓力隨之升高，此時需要從汽輪機中抽蒸汽來達到所需的蒸汽參數(shù)。當(dāng)汽輪機抽蒸汽后，電廠的電效率降低，相反熱效率將會升高。圖8為關(guān)山熱電和CCHP供蒸汽方式下熱效率和電效率對蒸汽價格的影響，由于鄂州電廠無供蒸汽成本（不考慮管網(wǎng)投資），在此不予考慮。

圖8 熱電效率對蒸汽價格的影響

2種供蒸汽方式均采用天然氣作為能源，蒸汽價格隨效率的變化有相同的趨勢?？傂试礁?，蒸汽價格越低；電效率越高，發(fā)電收入越多，分?jǐn)偟秸羝系哪茉促M用越少，蒸汽價格越低。

4.2.4 費效比

按照目前湖北省物價情況，天然氣、煤炭的定價受發(fā)改委與物價局的約束，因此價格基本恒定，但是蒸汽價格對于每個熱電廠均不同，定價有一定彈性范圍，因此為了方便比較，蒸汽價格定為150元/t。表4為各能源價格表。

表4 各能源價格表

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以計算出在不同發(fā)電系統(tǒng)下投入費用和產(chǎn)出效益的比值（費效比）。圖9為不同發(fā)電系統(tǒng)下電效率對費效比的影響。

圖9 不同發(fā)電系統(tǒng)下電效率對費效比的影響

由圖9可以看出關(guān)山熱電廠與CCHP同為消耗的天然氣，其費效比始終沒有鄂州電廠的燃煤機組的費效比高。另外費效比是隨著電效率的增加而提升。圖10為不同熱電總效率下電效率對費效比的影響。

圖10 不同熱電總效率下電效率對費效比的影響

圖10選取了關(guān)山熱電廠在不同熱電總效率的情況下，電效率對費效比的影響。從圖10中可以看出費效比是隨著熱電總效率的增加而增加，不同熱電總效率下的費效比斜率相同，反應(yīng)了費效比增長趨勢是相同的，因此從側(cè)面也可以反映出CCHP、鄂州電廠的燃煤機組的費效比在不同熱電總效率下費效比對電效率的增長趨勢也相同。

5 結(jié)論

（1）天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)在本項目上具有較好的適應(yīng)性，既能滿足基地內(nèi)工業(yè)蒸汽需求，而且可以部分解決用電需求，緩解用電壓力。實現(xiàn)了能源的梯級利用，降低了污染排放。

（2）本項目CCHP系統(tǒng)面臨的困難主要表現(xiàn)在系統(tǒng)配置較為復(fù)雜，蒸汽管網(wǎng)較長，投資大，對管網(wǎng)保溫要求較高；其次天然氣發(fā)電價格沒有燃煤發(fā)電價格優(yōu)惠，系統(tǒng)運行上相對不太經(jīng)濟。另外實行“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的電力輸配方案實施難度較大，必須在政府部門協(xié)助下及時與電網(wǎng)進行協(xié)調(diào)。如能解決好以上問題，CCHP系統(tǒng)方能由“適用”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱尚小薄?/p>

（3）本項目采用CCHP系統(tǒng)存在2種技術(shù)路線：方案一以周邊電廠的蒸汽為主，它融合了“節(jié)地、節(jié)材”的理念，合理利用了周邊熱電廠資源，從而減小園區(qū)三聯(lián)供系統(tǒng)的規(guī)模與總投資。但是電廠到園區(qū)的蒸汽管網(wǎng)較遠，造成對管網(wǎng)的保溫以及對發(fā)電機的出口蒸汽壓力與溫度有較高的要求，因此投資也相對較高。方案二以為園區(qū)內(nèi)的CCHP能源中心的自制蒸汽為主，其輻射半徑小，對系統(tǒng)蒸汽出口壓力與溫度要求也相對較小，電力傳輸?shù)膿p耗也較小。

（4）三聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)出的蒸汽價格隨效率的變化有相同的趨勢?？傂试礁?，蒸汽價格越低；電效率越高，蒸汽價格越低；燃料價格越高，蒸汽價格越高；上網(wǎng)電價越高，蒸汽價格越低；使用率越高，蒸汽的價格越低。

（5）從費效比的角度來講，鄂州電廠燃煤機組的費效比比以天然氣為燃料的關(guān)山熱電廠與CCHP能源中心的發(fā)電機組要高。費效比隨著電效率的增加而增加，并且隨著總熱電效率的增加而增加。

（6）三聯(lián)供系統(tǒng)初投資較大，回收期長。因此根據(jù)建設(shè)周期、建設(shè)規(guī)模和使用功能等特點建議實行分期按需建設(shè)，并切實控制系統(tǒng)和輸配管網(wǎng)規(guī)模，以避免過早建設(shè)和過渡建設(shè)，規(guī)避投資和運營風(fēng)險。

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Feasibility analysis of CCHP in Wuhan east lake new and high?tech demonstration zone

ZHANG Wei?wei,HUANG Min?xuan,MA Hong?quan,ZHANG Zhi?peng,YANG Tao,ZHAO Hong?hai
（Nanjing Fullshare Energy Co.,Ltd.,Nanjing 210012，China）

Jiulong biological industrial park is a part of Wu?han east lake new and high?tech demonstration zone.In this paper,applications of combined cooling,heating and power supply system(CCHP)are analyzed and researched.According to distribution of surrounding cogeneration plant,this industrial park is cut into dif?ferent source area,and forms the distributed energy.Parameters of steam supply and sensitive factors affecting economical indices of the engineering project are analyzed and suggestions for improving project economy are made.

CCHP；steam；piping net；bilogical industrial park

F407.61；TK018

C

1009-1831（2012）02-0025-05

2012-01-18