分布式能源供能系統(tǒng)的應用分析

寶雞市同昌燃氣工程設計有限責任公司　馮粉莉

分布式能源供能系統(tǒng)的應用分析

寶雞市同昌燃氣工程設計有限責任公司馮粉莉

闡述了天然氣分布式能源的原理，樓宇型和區(qū)域型系統(tǒng)運行原理及發(fā)展分布式能源的主要優(yōu)點和意義，并通過應用于實際的樓宇式項目進行負荷以及相應分析，揭示了燃氣分布式能源在推廣應用上具有明顯的優(yōu)勢。

分布式能源燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能減排推廣

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，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70%以上，并在負荷中心就近實現(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。

在能源用戶端以天然氣為燃料，經(jīng)由燃氣輪機、發(fā)電機、余熱鍋爐、制冷機等聯(lián)合循環(huán)能源梯級利用系統(tǒng)發(fā)電、制熱、制冷，為用戶提供清潔、優(yōu)質(zhì)、可靠的冷、熱、電能源服務。在當前加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和加大節(jié)能減排力度的新形勢下，發(fā)展天然氣分布式能源站具有十分重要的意義。

1　理論分析

1.1分布式能源的原理

分布式能源的原理主要是通過能源的梯級利用，實現(xiàn)能源綜合利用效率70%以上。能源利用如表1所示。

表1　熱能梯級利用

1.2分布式能源系統(tǒng)運行方式

分布式能源的系統(tǒng)運行方式分為樓宇型和區(qū)域型兩種。

樓宇型的適合于冷熱電負荷穩(wěn)定、用能時間長、用能安全性高、環(huán)保節(jié)能要求較高的項目。比如數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場高鐵站以及酒店、商場、寫字樓等項目。使用的主要設備是內(nèi)燃機、小型燃氣輪機、微燃機等。其投資較小，建設審批手續(xù)時間較短，建設周期短、項目投資回收快。目前國內(nèi)已經(jīng)建成及正在建設的有新奧的黃花機場、中石油數(shù)據(jù)中心，泰州醫(yī)藥城等項目。

樓宇型系統(tǒng)運行方式見圖1。

圖1　樓宇型系統(tǒng)運行方式示意

區(qū)域型分布式能源項目用戶主要為工業(yè)用戶，開發(fā)的重點應集中于工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等。其使用的是聯(lián)合循環(huán)機組，項目投資較大，建設審批時間較長。目前國內(nèi)在建的有華電江都開發(fā)區(qū)、南京浦口開發(fā)區(qū)、華電廣州大學城等。

區(qū)域型系統(tǒng)運行方式見圖2。

圖2　區(qū)域型系統(tǒng)運行方式示意

1.3分布式能源的主要優(yōu)點

1.3.1節(jié)能減排

傳統(tǒng)火電的綜合能源利用效率只有40%～50%，分布式供能系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達到70%～80%。燃氣鍋爐直接供熱的效率雖然較高，但是它的最終產(chǎn)出能量形式為低品位的熱能，而分布式供能系統(tǒng)中有45%左右的高品位電能產(chǎn)出。因此分布式供能系統(tǒng)的能源綜合利用效率比傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電和燃氣鍋爐直接供熱的傳統(tǒng)供能方式有大幅度提高。同時與傳統(tǒng)熱電分供方式相比，粉塵、SO2、NOx等污染物排放量接近于零，CO2排放量下降40%，具有顯著的環(huán)保效益，將進一步推進建設區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)區(qū)節(jié)能減排和環(huán)境保護工作。

1.3.2有利于電力和燃氣削峰填谷

分布式能源項目可實現(xiàn)燃氣和電力雙重“削峰填谷”。一般而言，電力高峰和燃氣低谷同時出現(xiàn)在夏季，采用分布式能源系統(tǒng)，燃燒天然氣發(fā)電，增加夏季的燃氣使用量，同時利用余熱供冷，降低了夏季電制冷機組用電量，實現(xiàn)了燃氣和電力的雙重“削峰填谷”。

1.3.3提高供能安全性

分布式能源站可以靈活分布，就近建設，直接面對能源用戶，在提高能源利用率的同時，也相當于為用戶增加了一路供電、供冷和供熱的途徑，特別是針對一些經(jīng)濟開發(fā)區(qū)這類重點用能區(qū)域，在出現(xiàn)突發(fā)事件時可以確保安全供電，減緩了電力供應對集中供能系統(tǒng)的過分依賴，提高了用戶用能的安全性，可作為城市大電網(wǎng)的有益補充。

1.3.4有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

我國是以煤為主的能源生產(chǎn)和消費大國，在一次能源中煤炭占70%左右。過度依賴煤炭的能源結(jié)構(gòu)，造成我國能效水平不高、污染嚴重、鐵路公路運輸不堪重負、安全事故多發(fā)，而且承受越來越大減排CO2的國際壓力。加快非煤能源發(fā)展、努力降低煤炭占一次能源的比例，是當前和今后一個時期國家能源戰(zhàn)略的重要目標。從我國目前非煤能源資源條件看，天然氣具有的資源量不斷提高、輸送損耗低、清潔環(huán)保、經(jīng)濟性逐步提高等特點，決定了天然氣分布式能源站具備大發(fā)展條件，是規(guī)模化替代煤炭、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)最為現(xiàn)實的選擇。

1.3.5具有較好的經(jīng)濟效益

分布式能源站規(guī)模小、建設快、運行維護較簡單；在實現(xiàn)供冷供熱的同時還能產(chǎn)生高品位的電能，能源利用效率高且能源產(chǎn)品多樣，而且靠近用戶端，減少了管道線路投資和能源損耗；在管理體系上，可依托智能信息化技術(shù)實現(xiàn)智能化管理，通過社會化服務體系提供設計、安裝、運行、維護一體化保障；使得分布式能源站具有較好的經(jīng)濟性。

2　工程項目的案例分析

區(qū)域型項目屬于大型項目，需要做詳細的方案說明，本案例工程供能對象為新建設加氣站和相鄰的新建酒店為對象的樓宇型項目。加氣站與酒店僅一墻之隔，酒店總建筑面積為1.5萬m2，加氣站有全年穩(wěn)定的電負荷需求，而酒店有全年穩(wěn)定的熱水負荷需求。

2.1負荷分析

按照《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145—2010)中3.2～3.4條的規(guī)定：對新建建筑或不能獲得實測運行數(shù)據(jù)的既有建筑進行聯(lián)供系統(tǒng)設計時，應根據(jù)本建筑設計負荷資料，參考相似建筑實測數(shù)據(jù)進行估算，并應繪制不同季節(jié)典型日注釋負荷曲線和年負荷曲線。進行聯(lián)供系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析時，應根據(jù)逐時負荷曲線進行計算聯(lián)供系統(tǒng)全年供冷量、供熱量、供電量。

加氣站內(nèi)的主要動力設備是1臺往復式壓縮機，壓縮機額定電機功率為200 kW。壓縮機每天運行13～15 h，啟停3～4次。根據(jù)加氣站總耗電量和加氣站壓縮機每天運行時間，可知加氣站平均穩(wěn)定用電負荷約136 kW。酒店有220個房間，其中55%大床房、40%標準間和5%套房，其總床位為308張(暫按大床房和套房各為一張床位，標準間為兩張床位考慮)。參考《建筑給水排水設計規(guī)范》(GB 50015—2003)，熱水負荷指標取每床160 L/d，則熱水負荷為50 t/d，平均熱水負荷為2.1 t/h?？紤]小時變化系數(shù)(取2.6)，則最大熱水負荷為5.46 t/h(折合熱量444 kW)。

根據(jù)現(xiàn)場資料信息及酒店建筑類型的特點，得到本項目加氣站典型日逐時電負荷情況和酒店生活熱水負荷變化規(guī)律，如圖3、圖4所示；逐月電負荷和酒店熱水負荷變化曲線圖，如圖5、圖6所示。

圖3　典型日電負荷變化曲線

圖4　典型日生活熱水負荷變化曲線

圖5　月電負荷變化曲線

圖6　逐月熱水負荷變化曲線

從以上典型日、逐月負荷變化規(guī)律可以看出，酒店生活熱水的耗量主要集中在早、中、晚時段，該三個時段內(nèi)的生活熱水負荷用量較大，特別是在酒店早晚時段，因為這兩個時段是酒店旅客洗漱和洗澡的高峰期。

儲配站用電負荷主要在日間，加氣站每天加氣車輛比較穩(wěn)定，每天壓縮機運行時間為 13～15小時左右，每天啟停3～4次，停機時間主要在夜間23：00～5：00；加氣站典型日電負荷中最大值出現(xiàn)在早上5：00～7：00和晚上19：00～21：00，這段時間屬于車輛加氣的高峰。

經(jīng)上圖數(shù)據(jù)統(tǒng)計，儲配站和加氣站年總耗電量約83.6萬kWh；酒店全年耗熱水量約2萬噸。

2.2設備選型及配置

2.2.1設備配置

根據(jù)根據(jù)上面的負荷分析，為保障分布式能源系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟和節(jié)能運行，本項目適用的發(fā)電機組容量范圍應120kW左右。根據(jù)項目需求，本工程考慮選用微燃機熱電聯(lián)供一體機+燃氣熱水鍋爐。

主要設備選型如下表2所示：

表2　分布式能源系統(tǒng)主要設備及技術(shù)參數(shù)

本方案配置2套微燃機熱電聯(lián)供一體機，總裝機規(guī)模為130 kW，余熱產(chǎn)生總熱水量約2.85 t(80℃熱水)，另設1臺700 kW的燃氣熱水鍋爐。

微燃機系統(tǒng)的優(yōu)點是操作簡單(一鍵式啟停)、維護工作量少、占地面積小、無振動和布置比較方便(可露天布置、室外屋頂布置等)，噪聲小且具有方向性，污染物排放低，無輔助設備，最重要的是可實現(xiàn)無人值守，減少人工費用；缺點是發(fā)電效率較低(29%左右)，燃氣進氣壓力高(0.5 MPa)。

2.2.2工藝流程

本方案的工藝流程示意圖如圖7所示：

圖7　工藝流程示意

供電：微燃機所發(fā)電力除少部分能源站自用外，其余電力主要滿足加氣站壓縮機用電需求。兩臺發(fā)電機每天運行約13～14 h，每年運行335 d，在其余時間機組可根據(jù)需求停機檢修和保養(yǎng)，不足電負荷由市電提供。

供熱：微燃機的高溫煙氣通過與熱電聯(lián)供一體機進行換熱出80℃熱水，供酒店生活熱水，多余的熱水可通過蓄熱罐儲存。當余熱量不夠時，可以通過燃氣熱水鍋爐進行調(diào)峰補充。

2.3三聯(lián)供利用效率分析

根據(jù)按照《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 145—2010)中1.0.5條的規(guī)定：聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應大于70%。

按照《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》中3.3.5條的規(guī)定：聯(lián)供系統(tǒng)年平均能源綜合利用率應按下式計算：

式中：ν——年平均能源綜合利用率，%；

w——年凈輸出電量，kW·h；

Q1——年有效余熱供熱總量，MJ；

Q2——年有效余熱供冷總量，MJ；

B—年燃氣總耗量，m3；

QL—燃氣低位發(fā)熱量，MJ/m3。

2.4三聯(lián)供經(jīng)濟費用分析

本分布式能源方案投資估算的內(nèi)容主要包括能源站內(nèi)系統(tǒng)主設備費用(發(fā)電機、余熱利用設備和調(diào)峰設備)和配套對應的電氣、燃氣、控制和水處理系統(tǒng)等附屬設備費用以及相應安裝工程費，見表3。

表3　項目投資估算表

本項目的財務分析編制依據(jù)：《建設項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》（第三版）。經(jīng)初步估算，本項目微燃機系統(tǒng)靜態(tài)投資約為255萬元。微燃機發(fā)電系統(tǒng)所需燃氣供氣壓力為0.5 MPa，系統(tǒng)每小時最大用氣量約100 m3/h，年燃氣用量在26.9萬m3左右。

資金來源：建設投資100%按自籌考慮，無需考慮商業(yè)貸款。按照工程的施工進度安排，方案各年度資金使用比例如下：第一年投入100%。項目的經(jīng)營期達產(chǎn)進度為（開始建設后一年）第一年即達產(chǎn)100%。其財務分析數(shù)據(jù)見表4：

表4　財務分析技術(shù)參數(shù)表

本方案參考業(yè)主給出的水電氣價進行初步測算，而熱水價格都是按照常規(guī)系統(tǒng)進行折算，需要進一步與酒店進行溝通確認。陜西省電力公司給出的2014年2月份場站電費清單知，加氣站電費的結(jié)算價格：95%電量電價為大工業(yè)電價，5%電量電價為工商業(yè)電價，另外附加基本容量電費，見表5。

表5　能源價格表

能源站不僅滿足加氣站的用電需求，同時還滿足酒店的生活熱水需求。分布式能源系統(tǒng)在財務基準收益率為8%的基礎(chǔ)上進行了全部投資現(xiàn)金流量分析，在以上能源價格的基礎(chǔ)上測算項目的收益率。項目的主要財務評價指標匯總見表6：

表6　項目財務評價主要指標

由上分析可知，在以上能源價格的基礎(chǔ)上，按氣價1.98元/m3和熱水價格29.6元/t進行測算，微燃機系統(tǒng)全投資內(nèi)部收益率(稅后)為8.73%。

3　結(jié)語

通過對燃氣分布式能源系統(tǒng)的應用分析，通過案例分析及對比計算得出以下結(jié)論：

(1)建設三聯(lián)供系統(tǒng)是綜合能源利用率較高、經(jīng)濟效益明顯的能源供應方式，采用天然氣分布式能源供應方式，符合國家新型能源發(fā)展方向，技術(shù)成熟可行。

(2)以該項目為例，系統(tǒng)靜態(tài)投資約為255萬元。按氣價1.98元/m3和熱水價格29.6元/t進行測算，微燃機系統(tǒng)全投資內(nèi)部收益率(稅后)為8.73%，盈利能力良好，并且具有較強的抗風險能力。目前對發(fā)電機余熱的利用是通過系統(tǒng)一體機出熱水供酒店的生活熱水，遠期可根據(jù)需要預留余熱溴化鋰的位置來提供項目的制冷需求。

(3)采用三聯(lián)供系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能、減排優(yōu)勢。以該項目為例其與常規(guī)系統(tǒng)相比，全系統(tǒng)節(jié)能率在28%以上，每年可以減少一次能源消耗折標煤約421 t以上，減少CO2排放在1 137 t以上。

因此，采用分布式能源系統(tǒng)對一次能源的消耗更少，NOx的排放量大幅度減少，同時結(jié)合工程案例分析，天然氣分布式能源具有一定的可操作性，比常規(guī)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，近年勢必將得到較大推廣。

Application Analysis of Distributed Energy System

Baoji Tongchang Gas Engineering Design Co., LtdFeng Fenli

The theory of natural gas distributed energy system is elaborated, and the working principles of the system applied in the buildings and the districts, advantages and meanings of the system are introduced too. By the analysis of the projects implemented, it has verified that it has obvious advantages of popularization and application.

distributed energy, natural gas CHP system, energy saving and emission reduction, popularization