“分布式能源站”在資源利用中的綜合應用

邱曉娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

“分布式能源站”在資源利用中的綜合應用

邱曉娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

節(jié)能、提高能源利用率是我國能源戰(zhàn)略的首要問題，是可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，近年來分布式能源系統(tǒng)被廣大企業(yè)用戶接受，并且應用越來越廣泛，國家也相應出臺了一系列有利于分布式能源的產(chǎn)業(yè)政策。風電、光伏、天然氣、沼氣等小型發(fā)電項目開始興起。西安某星級酒店配套天然氣能源站項目，在兩年的運行中出現(xiàn)各種問題，筆者對其進行研究并提供優(yōu)化改造建議。

天然氣能源站；三聯(lián)供；燃氣發(fā)電機組；分布式能源

西安某星級酒店積極響應國家的有關政策，決定新建“分布式能源綜合項目”，合理有效利用天然氣資源，減少環(huán)境污染，提高酒店綜合效益，在行業(yè)內(nèi)起到帶頭和示范作用。所謂是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)技術為基礎，并網(wǎng)運行，向一定區(qū)域內(nèi)用戶提供電力、蒸汽、熱水和空調(diào)制冷等能源服務的系統(tǒng)[1-2]?！胺植际侥茉淳C合項目”在我國還處于起步階段，與發(fā)達國家相比差得很遠。該系統(tǒng)應用廣泛，只要有冷、熱、電需求的行業(yè)均可以適用。該酒店選用1×400 kW+1×600 kW兩臺天然氣內(nèi)燃機組進行發(fā)電。由于前期經(jīng)驗不足，該分布式能源綜合項目投入運行后也產(chǎn)生一些問題，本文根據(jù)實際情況提出優(yōu)化設計建議。

1 項目概況

該酒店位于西安高新技術開發(fā)區(qū)的商業(yè)區(qū)核心位置，樓高24層，擁有381間潮流時尚的客房，擁有1個無柱式大宴會廳、5個多功能廳以及1個貴賓接待廳。該酒店用電也采用平谷峰不同時段計價，該酒店原設計能源配置情況大致如下：

現(xiàn)有用能模式是典型的分供系統(tǒng)，即用單一主機滿足單一需求，如圖1所示。

制冷：2臺直燃機，3臺空調(diào)水泵+3臺冷卻水泵。

供暖：2臺直燃機，3臺空調(diào)水泵。

熱水：3臺燃氣鍋爐產(chǎn)95℃的一次熱水，經(jīng)6個換熱器換熱后供55℃的生活熱水。24層樓頂設置90 t水箱一座，冷水管道與負一層換熱器相連，冷水下沉，熱水在連通管壓力作用下供應各樓層，無須水泵。

洗衣房：工作時間為8：00-17：00，需要用到蒸汽。

以酒店2012年運行統(tǒng)計：

供熱負荷：對于酒店現(xiàn)有供能系統(tǒng)來說，單臺直燃機的供熱負荷為1 853 kW（兩臺），在特別嚴寒時刻，會短暫超過此負荷（一年約幾小時）。

圖1 酒店現(xiàn)有分供系統(tǒng)流程

供冷負荷：對于供冷負荷，酒店現(xiàn)有的直燃機供冷負荷2 215 kW（兩臺），在特別炎熱時刻，會短暫超過此負荷（一年約幾小時）。熱水負荷基本恒定，按照熱水鍋爐燃氣消耗量確定，鍋爐效率取0.87，熱水需求為180 t/d。平均每月非谷用電負荷如圖2所示。

圖2 2012年月平均非谷用電負荷

2 能源站設置原則

天然氣分布式能源站供能，是相對于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言的。它利用先進的燃氣內(nèi)燃機燃燒潔凈的天然氣發(fā)電，經(jīng)過有效配置冷熱資源，通過能源的梯級利用，為該酒店供暖、供冷、供電以及解決能源需求。可以把燃氣資源能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到85%左右，大量節(jié)省了一次能源[3]。

分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)采用余熱來提供冬季用戶所需要的熱負荷和夏季用戶所需要的冷負荷，由此可大大減小使用空調(diào)而引起的用電負荷高峰值，從而優(yōu)化用電結(jié)構(gòu)，減少電機組設備超負荷運行的時間，保證電網(wǎng)的運行安全，同時起到削電峰填氣谷的作用。

電氣并網(wǎng)不上網(wǎng)，以基荷電力確定燃機發(fā)電功率，不足電力從電網(wǎng)補充，發(fā)電機不向電網(wǎng)供電。內(nèi)燃機排煙用于溴化鋰空調(diào)制冷供暖，空調(diào)不補燃。在冷熱負荷尖峰時刻，內(nèi)燃機煙氣不足以驅(qū)動溴化鋰空調(diào)時，投運風冷熱泵機組，將熱負荷轉(zhuǎn)化為電負荷。

由于峰谷電價的影響，本能源站只在白天運行，所發(fā)電力滿足酒店白天的用電負荷。在夜間（即谷峰電價期間23:30-7:00）不開機，酒店所需電力從電網(wǎng)獲得，幫助電網(wǎng)削峰填谷。因此，燃氣發(fā)電裝置的功率選擇，最好接近或小于酒店白天的負荷，并具有較大的調(diào)節(jié)靈活性。夜間的冷熱負荷由熱泵提供。

在非采暖、制冷期，沒有冷熱負荷的時候，動力機簡單循環(huán)發(fā)電運行經(jīng)濟性如何直接影響設備運行方式及投資經(jīng)濟可靠性。如果發(fā)電設備在不聯(lián)合循環(huán)的狀態(tài)下運行，其發(fā)電的燃料成本、運行成本能夠低于從電網(wǎng)購電的代價，并有利潤，其運行將是合理的[4]。如表1所示，在純發(fā)電工況，燃氣內(nèi)燃機的天然氣燃料成本，加之運行成本都將低于白天從電網(wǎng)購電的代價。此處天然氣的價格是2.3元/Nm3。

表1 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電成本核算

3 能源站方案擬定

本項目能源站復核燃氣發(fā)電成本后，采“自發(fā)自用、以基荷電力定容量”原則對能源站的設備進行選型。不足電力從電網(wǎng)補充，不足熱量補燃解決，和電力“并網(wǎng)不上網(wǎng)售電”。由于有網(wǎng)電的支持，燃氣發(fā)電機的功率選擇可以小于或接近大樓的實際電力負荷，且系統(tǒng)運行靈活、可靠。

能源站建設地點是現(xiàn)有地下二層（原車位）及室外空地。本工程建（構(gòu)）筑物主要包括燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組+1×870 kW煙氣型溴化鋰空調(diào)及煙道、循環(huán)水等附屬系統(tǒng)。

3.1 能源站設備選型情況

內(nèi)燃機：根據(jù)往年的酒店用電負荷，選擇發(fā)電功率為1 000 kW，考慮到負荷波動以及檢修時備用，選用1×400 kW+1×600 kW兩臺天然氣內(nèi)燃機組。

煙氣型溴化鋰空調(diào)：根據(jù)以電定熱原則，內(nèi)燃機煙氣量帶動煙氣型溴化鋰空調(diào)。在電負荷達到1 000 kW時，煙氣流量為5 300 kg/h，匹配制冷量為870 kW的溴化鋰空調(diào)。

風冷熱泵機組：空調(diào)系統(tǒng)冷熱源合一，更適用于同時具有采暖和制冷需求的用戶。機組戶外安裝，省去了機房，節(jié)約了建筑投資。無須冷卻塔，同時省去了冷卻水泵和管路，減少了附加設備的投資。在本項目中，當溴化鋰空調(diào)不能滿足尖峰冷熱負荷的時候，投運風冷熱泵機組。

3.2 能源利用效率

該能源站建立以后，能源利用效率提高將超過現(xiàn)有用能模式，表現(xiàn)在如下方面：

（1）電負荷。白天將由自發(fā)電承擔，單位千瓦時發(fā)電成本為0.75元，低于峰電價和平電價。谷電時從電網(wǎng)取電。根據(jù)2012年度數(shù)據(jù)，白天總負荷為399萬kW·h，為了滿足該負荷，須耗氣114萬m3。

（2）冷負荷。原先制冷使用直燃機消耗天然氣制取，年消耗天然氣21.6萬m3?，F(xiàn)在全年59%冷負荷由內(nèi)燃機尾氣帶動，不消耗一次能源；剩余41%冷負荷由風冷熱泵機組承擔，該機組制冷COP達到3.2，遠超直燃機的1.31。

（3）熱負荷。原先供暖使用直燃機消耗天然氣制取，年消耗天然氣35萬m3?，F(xiàn)在全年90%熱負荷由太陽能和內(nèi)燃機余熱帶動，不消耗一次能源；全年10%熱負荷由風冷熱泵機組承擔，該機組供暖COP達到3.8，遠超直燃機的0.9。

（4）熱水負荷。原先使用燃氣鍋爐消耗天然氣制取熱水，現(xiàn)在可利用太陽能、內(nèi)燃氣缸套水、溴化鋰空調(diào)、煙氣換熱器、風冷熱泵機組等多渠道制取，天然氣消耗量為零，不消耗或者消耗少量電能。

（5）洗衣房蒸汽負荷。保留原來蒸汽鍋爐，年耗氣量與原來一致，均為212 977 m3天然氣，費用49萬元。

3.3 電氣系統(tǒng)

本項目能源中心內(nèi)共設2臺燃氣發(fā)電機組，發(fā)電機組出口電壓為400 V，每臺發(fā)電機組所發(fā)電量通過1臺低壓機組斷路器柜輸送及控制，配備2臺低壓機組斷路器柜，兩臺內(nèi)燃機通過發(fā)電機出口斷路器柜直接并網(wǎng)至業(yè)主總低壓配電室總變壓器低壓側(cè)母線上。為確保內(nèi)燃機輔助設備供電可靠性，輔助用電設備電源采用雙電源自動切換，兩回電源引自業(yè)主原配電柜不同段的備用回路。

該項目所發(fā)電量供酒店使用，正常情況下電力全部由能源站供給，不足部分由外網(wǎng)市電提供。酒店用電負荷采用雙回路供電，既保證了用戶端供電系統(tǒng)的安全，又能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟和社會效益。

3.4 控制系統(tǒng)

每臺發(fā)電機組配備1臺就地控制柜及1臺機組斷路器柜，2臺發(fā)電機組還需設置1臺遠程控制柜，遠程控制柜設置在配電控制室內(nèi)。就地控制柜、機組斷路器柜及遠程控制柜由設備廠家提供。發(fā)電機組運行狀態(tài)采用在就地控制柜及遠程控制柜上監(jiān)測，其中包括發(fā)動機的水溫、油溫、油壓、轉(zhuǎn)速；發(fā)電機的電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、有功電能及運行時間的顯示，內(nèi)燃機的參數(shù)及發(fā)電機的報警及保護停車功能。

4 運行中發(fā)現(xiàn)的一些問題

4.1 內(nèi)燃機組選型偏大

根據(jù)2012年酒店整體用電情況，該能源電站發(fā)電機選型應在600～700 kW，機組可以確保長期在80%負荷運行，而選型在1 000 kW，分為兩個機組，由于冷熱負荷問題、燃氣價格問題、三相不平衡等因素，長期以來僅600 kW燃氣發(fā)電機組運行，輸出功率也僅在470 kW左右。

4.2 燃氣電價調(diào)整后運行不經(jīng)濟

2015年6月，非居民用氣價格由原2.30元/m3提高到3.09元/m3，天然氣價格上調(diào)34%，導致能源站運行變?yōu)樘潛p狀態(tài)。

4.2.1 三相電流不平衡問題

實際運行中三相電流不平衡的問題特別嚴重，而發(fā)電機設備容量設計是按三相負荷條件來確定的，如果三相負荷不平衡，設備容量只能以三相負荷中最大一相為限，因此內(nèi)燃機出力降低。

4.2.2 內(nèi)燃機發(fā)電量達不到原定額定發(fā)電出力

內(nèi)燃機組訂貨時按照常規(guī)發(fā)電廠配套發(fā)電機進行訂貨，招標要求發(fā)電機額定出力為600 kW+400 kW，內(nèi)燃機組廠家都應標，但是燃機安裝調(diào)試時，廠家指導發(fā)電機長期運行容量不超過標定容量的80%，即480 kW+320 kW。因為內(nèi)燃機行業(yè)的訂貨功率默認是最大功率，而不是持續(xù)功率。

4 結(jié)論

本文依托西安某星級酒店的天然氣能源站項目，介紹了分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)的主要動力設備和余熱利用的主要設備。此類負荷穩(wěn)定系統(tǒng)能源站宜采用以電定熱的運行策略。但是，實際工作中能源價格（特別是峰谷價格）會對三聯(lián)供的配置產(chǎn)生較大的影響，應考慮能源價格因素。

內(nèi)燃機組的容量是離散型的，機組所能提供的負荷，不一定能與需求負荷完全相匹配；機組的調(diào)節(jié)也應考慮其延遲時間；需求負荷相差太大時，還應考慮機組調(diào)節(jié)的可行性。內(nèi)燃機訂貨時明確機組的功率類型，讓投標廠家的無漏洞可鉆。

1 周 萍.分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣負荷分析[D].北京：北京建筑工程學院，2012.

2 任華華，王淼森.燃氣內(nèi)燃發(fā)電機在“三聯(lián)供”系統(tǒng)中的應用和分析[J].潔凈與空調(diào)技術，2009，（1）：5-8.

3 忻奇峰.天然氣燃氣輪機在上海浦東國際機場“三聯(lián)供”的應用[J].能源技術，2001，（5）：201-203.205.

4 安英會.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)三相不平衡性的研究[D].南寧：廣西大學，2013.

The Application of quot;Distributed Energy Stationquot; in Resource Utilization

Qiu Xiaona
(Si'an New Energy Co., Ltd., Xi'an 710000, China)

Energy saving and energy efficiency are the most important problems in China's energy strategy.It is the only way for sustainable development.In recent years, the distributed energy system has been accepted by the majority of enterprise users, and the application is more and more widely.A series of industrial policies conducive to distributed energy.Wind power, photovoltaic, natural gas, biogas and other small power generation projects began to rise.Xi'an, a star hotel supporting natural gas energy station project, in the two years of operation in a variety of problems, the author of its research,and provide suggestions for optimization.

natural gas energy station; triple supply; gas generator; distributed energy

F426.2 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2017)08-0099-04

2017-06-09

邱曉娜（1983-），女，陜西西安人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。