污水處理廠多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建及經(jīng)濟(jì)性分析

孫振宇，沈明忠，陳北洋，王建華

（1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.華電水務(wù)控股有限公司，北京 100160）

污水處理廠多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建及經(jīng)濟(jì)性分析

孫振宇1，2，沈明忠1，陳北洋2，王建華2

（1.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.華電水務(wù)控股有限公司，北京 100160）

在節(jié)約能源、降低排放的壓力下，利用可再生能源成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效的重要手段。污水處理廠結(jié)合所在地太陽(yáng)能資源豐富、建構(gòu)筑物遮擋率低以及污水熱源豐富的優(yōu)勢(shì)，在廠內(nèi)建設(shè)分布式光伏，安裝污水源熱泵，構(gòu)建了多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中污水處理廠日均處理水量為4萬(wàn)m3，用電量巨大；光伏發(fā)電供污水處理及污水源熱泵使用，剩余電量上網(wǎng)出售，平均年發(fā)電量為1059018 kW·h，平均年等效利用小時(shí)數(shù)為1170，自用率達(dá)94%，每年節(jié)約電費(fèi)及余電上網(wǎng)收入為119萬(wàn)元；同時(shí)，污水源熱泵比空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)約電量150763 kW·h。多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤387.1 t，減排483.6 t二氧化碳以及其他大氣污染物，可提高資源利用率，促進(jìn)節(jié)能減排，有效降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

多能互補(bǔ)；綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)；污水處理廠；分布式光伏；污水源熱泵；節(jié)能環(huán)保

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)新能源、減少能源消耗勢(shì)在必行。作為新能源的水能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮芎臀鬯疅崮艿染哂匈Y源潛力大、環(huán)境污染低、可永久利用的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮新能源優(yōu)勢(shì)，提高利用效率，已成為行業(yè)共識(shí)［1－2］。國(guó)家出臺(tái)一系列優(yōu)惠政策鼓勵(lì)新能源的發(fā)展，具體包括加大資金支持力度、實(shí)行稅收扶持政策、改善金融服務(wù)等。污水源熱泵采用污水作為熱源，根據(jù)污水夏季溫度低于室外溫度，冬季高于室外溫度的特點(diǎn)，借助熱泵機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化，消耗少量的電能，從而達(dá)到制冷制暖效果的一種技術(shù)，具有零污染，穩(wěn)運(yùn)行，高效能，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和煙塵的特點(diǎn)。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?guó)家發(fā)改委于2013發(fā)布了《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，明確對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行全電量補(bǔ)貼政策，電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/（kW·h）［3］，這一政策的出臺(tái)刺激了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本文以某污水處理廠為背景，采用污水源熱泵采暖/制冷，分布式光伏發(fā)電－市電雙電源協(xié)同供電，整合污水熱能、太陽(yáng)能和電能，探索多能互補(bǔ)、能效最大的運(yùn)行模式，分析三者協(xié)同的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性問(wèn)題，為完善污水處理廠綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)

多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)整合了污水熱能、太陽(yáng)能和電能，實(shí)現(xiàn)污水處理廠能源利用最大化，該供應(yīng)系統(tǒng)分為污水處理、污水源熱泵和分布式光伏發(fā)電3個(gè)部分。污水處理廠日均處理水量為4萬(wàn)m3，電費(fèi)占日常運(yùn)行成本的一大部分。分布式光伏項(xiàng)目利用污水處理廠所在地太陽(yáng)能資源豐富、建構(gòu)筑物遮擋率低的優(yōu)勢(shì)，嵌套在污水處理廠內(nèi)，所發(fā)電量供應(yīng)污水處理、污水源熱泵及日常辦公，剩余少量電量上網(wǎng)出售，合理利用廠區(qū)空間，形成光伏發(fā)電、市電的雙供電模式，保障污水處理廠的日常運(yùn)行；同時(shí)，廠區(qū)常年污水資源豐富，再生水熱能通過(guò)污水源熱泵夏天制冷，冬天采暖，供應(yīng)辦公區(qū)域（約3000 m2）。該系統(tǒng)能源供應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

1.1 污水處理

污水處理采用A2/O底曝氧化溝－高效澄清池－變孔隙濾池工藝，污泥濃縮脫水后填埋處理。污水來(lái)源于生活污水，出水水質(zhì)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。再生水可用于電廠水處理系統(tǒng)、景觀河道、綠化園林等領(lǐng)域。

1.2 分布式光伏發(fā)電

根據(jù)廠區(qū)平面布置及設(shè)備用電量需求，光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繛?04.8 kW，共安裝3 480塊峰值功率為260 W的光伏組件，主陣列由20塊組件組成，部分陣列由10塊組件組成。

圖1 多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)示意

組件采用固定式支架朝正南放置，角度為31°。光伏板經(jīng)30臺(tái)30 kW組串式逆變器至4個(gè)交流匯流箱，出口電壓為0.4kV，經(jīng)電纜兩兩分別接至配電室低壓配電柜，實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電－市電協(xié)同供電體系，如圖2所示。

圖2 分布式光伏發(fā)電與市電雙重供電體系示意

依據(jù)污水處理廠所在區(qū)域太陽(yáng)能資源狀況和負(fù)荷特性，進(jìn)行光伏發(fā)電出力與負(fù)荷曲線的匹配分析，如圖3所示。曲線對(duì)時(shí)間的積分為電量，主要分為3部分：光伏發(fā)電上網(wǎng)電量，光伏發(fā)電作為電源時(shí)用戶的用電量，市網(wǎng)作為電源時(shí)用戶的用電量［4］。

圖3 光伏發(fā)電出力和用電負(fù)荷之間的關(guān)系曲線

1.3 污水源熱泵

市政污水是一種優(yōu)良的低溫?zé)嵩矗?0%生活中排放的廢熱，全年流量幾乎恒定。夏季水溫低于室外溫度，冬季水溫高于室外溫度，而且在整個(gè)供暖、供冷季水溫波動(dòng)不大。污水水溫與處理水量、所處地域、污水來(lái)源及季節(jié)等有關(guān)，華北地區(qū)一般冬季水溫不低于10℃，夏季不超過(guò)30℃［5－6］，處理后的再生水水溫常年為17～20℃。

系統(tǒng)中污水源熱泵以再生水為冷熱源，選用高溫型水源冷熱水機(jī)組，制冷供回水溫度為10℃，采暖供回水溫度為45℃，其采暖制冷系統(tǒng)由3個(gè)子循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即污水循環(huán)、中介循環(huán)和末端循環(huán)。污水經(jīng)污水換熱器將熱量傳遞給清潔水，清潔水進(jìn)入水源熱泵機(jī)組，在污水換熱器和熱泵機(jī)組之間形成中介循環(huán)，末端系統(tǒng)循環(huán)水在熱泵機(jī)組與末端散熱設(shè)備之間的循環(huán)為末端循環(huán)，如圖4所示。

圖4 污水源熱泵系統(tǒng)原理

2 多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行分析

污水處理廠為二級(jí)負(fù)荷，耗電量與處理水量變化趨勢(shì)一致。2016年上半年污水處理廠平均月用電量為352632 kW·h，2月用電量最少，5月最多。

光伏項(xiàng)目2016年2月投產(chǎn)，發(fā)電量統(tǒng)計(jì)到6月，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。光伏發(fā)電的平均自用率達(dá)到94%，外網(wǎng)電量消耗量約占總用電量的73%，大部分用電量仍然依靠外網(wǎng)。

表1 光伏項(xiàng)目第1年實(shí)際發(fā)電量

光伏全年發(fā)電量采用國(guó)際上使用較為廣泛的PVSYST軟件進(jìn)行計(jì)算，需要的參數(shù)有年各月總輻射量和氣象站多年平均氣溫，軟件所需的代表年逐小時(shí)輻射數(shù)據(jù)由軟件通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法生成。PVSYST軟件計(jì)算發(fā)電量時(shí)，部分發(fā)電量損失參數(shù)需人工設(shè)定，主要包括光伏組件功率偏差、直流匯集電纜長(zhǎng)度及截面和污穢損失等［7－8］。計(jì)算得出第1年的各月發(fā)電量見(jiàn)表2，實(shí)際發(fā)電量與模擬發(fā)電量存在偏差（如圖5所示），因?yàn)槟M發(fā)電量代表的是各月多年平均發(fā)電量，而實(shí)際生產(chǎn)中天氣復(fù)雜多變。

表2 光伏項(xiàng)目第1年模擬各月發(fā)電量kW·h

圖5 實(shí)際發(fā)電量與模擬發(fā)電量對(duì)比

光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，按首年衰減2%，次年起每年衰減0.8%，運(yùn)營(yíng)期20年進(jìn)行考慮，發(fā)電量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。光伏電站20年平均年發(fā)電量為1 059 018 kW·h，20年平均年等效利用小時(shí)數(shù)為1170。

表3 光伏電站20年各年發(fā)電量kW·h

與其他供暖方式相比，污水源熱泵采暖制冷系統(tǒng)投資少、運(yùn)營(yíng)成本低、便于維護(hù)。污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資、年運(yùn)行費(fèi)用、年運(yùn)行成本分別為地下水熱源系統(tǒng)的84.1%，85.0%，72.5%，為燃?xì)饪绽淇照{(diào)系統(tǒng)的77.1%，35.0%，46.2%［9］。

污水源熱泵制冷量為153 kW，制熱量為140 kW；夏季制冷能效比為5.5，冬季制熱能效比為3.5；夏季用電功率為27.8 kW，冬季用電功率為40.0 kW。按照夏季用電時(shí)長(zhǎng)720 h、冬季用電時(shí)長(zhǎng)2664 h計(jì)算，年耗電總量為126576 kW·h。電力空調(diào)采暖系統(tǒng)夏季制冷能效比為3.00，冬季制熱能效比為1.55，年耗電總量為277339 kW·h，年節(jié)約電量150763 kW·h。

3 多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

污水處理廠年均用電量為4 272 330 kW·h，其中污水源熱泵年耗電量為126 576 kW·h。光伏項(xiàng)目20年平均年發(fā)電量為1059018 kW·h，按照自用率94%計(jì)算，其中自用電量為995477 kW·h，上網(wǎng)電量為63541 kW·h。

分布式光伏自發(fā)自用，余電上網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式下所發(fā)電的綜合電價(jià)可以表示為

式中：P0為綜合電價(jià)；P1為外網(wǎng)電價(jià)；P2為燃煤機(jī)組標(biāo)桿電價(jià)；K為自用率。

污水處理廠屬于大工業(yè)用電，電價(jià)分時(shí)段計(jì)費(fèi)，而在日常運(yùn)營(yíng)中電量只統(tǒng)計(jì)到日，為了便于計(jì)算，通過(guò)總電費(fèi)/總用電量計(jì)算得出外網(wǎng)電價(jià)為0.72元/（kW·h）。當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿電價(jià)為0.419 6元/（kW·h），光伏發(fā)電補(bǔ)貼為0.42元/（kW·h），根據(jù)94%的自用率和6%的上網(wǎng)率，得出綜合電價(jià)為0.72×0.94＋0.419 6×0.06＋0.42＝1.122［元/（kW·h）］，20年平均每年節(jié)省電費(fèi)716 743.4元，余電上網(wǎng)收入為471449.4元，總計(jì)1188192.8元。

光伏項(xiàng)目動(dòng)態(tài)投資為806.61萬(wàn)元，7年左右可收回成本。因?yàn)楣夥?xiàng)目和水廠共用一套維護(hù)運(yùn)營(yíng)人員，在不考慮運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的情況下，減去光伏項(xiàng)目成本，20年共節(jié)約的電費(fèi)及售電收入共計(jì)1 569.78萬(wàn)元。

4 多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境效益分析

燃煤機(jī)組發(fā)電時(shí)向大氣排放大量的硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等，對(duì)大氣環(huán)境造成很大影響。近年來(lái)，新建燃煤機(jī)組全部配套建設(shè)脫硫裝置，二氧化硫排放量得到很好的控制，但是電力行業(yè)在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中排放的二氧化碳約占全國(guó)排放總量的50%，火電二氧化碳平均排放量約為0.4kg/（kW·h）［10］。

光伏發(fā)電是清潔、可再生能源，光伏發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量為900 kW（峰值功率），每年平均發(fā)電1059018 kW·h，與燃煤電廠相比，按每發(fā)1 kW·h電消耗標(biāo)準(zhǔn)煤320 g計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤338.9 t，減少二氧化碳排放423.6 t，同時(shí)還減少了其他大氣污染物以及大量灰渣的排放，改善了大氣環(huán)境質(zhì)量。污水源熱泵每年節(jié)約電量150763 kW·h，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤48.2 t，減排60.3 t二氧化碳。

本文污水處理廠采用的多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)每年共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤387.1t，減排483.9t二氧化碳以及其他大氣污染物，環(huán)境效益顯著。在大氣污染問(wèn)題嚴(yán)重的地區(qū)，該系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值和示范意義。

5 結(jié)論

多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)充分利用污水熱能、太陽(yáng)能，達(dá)到能源轉(zhuǎn)換以及節(jié)約的目的，使能源利用最大化。光伏發(fā)電供給污水處理廠以及污水源熱泵，剩余電量上網(wǎng)，自用率達(dá)到94%，絕大多數(shù)電量?jī)?nèi)部消耗，工業(yè)用電的平均價(jià)格高于燃煤脫硫標(biāo)桿電價(jià)，所以自用率越高，污水處理廠節(jié)約電費(fèi)越多。但由于污水處理廠用電量巨大且光伏項(xiàng)目只能白天發(fā)電，74%的用電量仍需依靠市電供給。

系統(tǒng)中光伏20年平均發(fā)電量達(dá)1 059 018 kW·h，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的運(yùn)行模式，平均每年節(jié)省電費(fèi)716743.4元，余電上網(wǎng)收入471449.4元，總計(jì)1188192.8元；同時(shí)，應(yīng)用污水源熱泵可比空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)約電量150763kW·h。多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤387.1 t，減排483.6 t二氧化碳以及其他大氣污染物，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，多能互補(bǔ)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)無(wú)論在新建污水處理廠還是技改水廠都具有較大的推廣價(jià)值，可有效促進(jìn)降本增效的實(shí)現(xiàn)。

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（本文責(zé)編：劉芳）

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A

1674－1951（2016）10－0073－04

孫振宇（1987—），女，江蘇東海人，工程師，理學(xué)博士，從事太陽(yáng)能發(fā)電方面的研究（E-mail：sunzy＠chec.com.cn）。

2016－09－07；

2016－09－20