天然氣分布式能源站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的幾個關(guān)鍵問題

據(jù)調(diào)查分析，在國內(nèi)已投入運(yùn)行的部分分布式能源站項(xiàng)目中，分布式能源的優(yōu)點(diǎn)并沒有得到充分體現(xiàn)，有些項(xiàng)目因裝機(jī)容量過大，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，致使冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不良，甚至長期停運(yùn)，從而導(dǎo)致整個項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益較差。分析原因，主要有以下幾點(diǎn):

（1）負(fù)荷的冷熱指標(biāo)取值不太合理或負(fù)荷的動態(tài)分析不足;

（2）同時使用系數(shù)取值不合理;

（3）項(xiàng)目總裝機(jī)容量選擇不合理;

（4）冷熱電三聯(lián)供部分與調(diào)峰供能部分比例設(shè)計(jì)不合理;

（5）沒有充分考慮電力并網(wǎng)、上網(wǎng)因素的影響。

為了避免在今后設(shè)計(jì)中出現(xiàn)類似情況，本文對分布式能源站設(shè)計(jì)過程中的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與分析

負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與分析是分布式能源站系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)必須根據(jù)用戶負(fù)荷的冷熱電比例選擇相應(yīng)的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的合理配置及高效運(yùn)行。冷熱電負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與分析對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性往往會產(chǎn)生決定性的影響。

天然氣分布式能源站服務(wù)對象是中小型能源用戶，如單獨(dú)建筑、建筑群、商務(wù)園區(qū)和工業(yè)用戶等。

分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)很大一部分是用于建筑供能。建筑可分為民用、工業(yè)、農(nóng)業(yè)建筑，建筑功能不同，負(fù)荷指標(biāo)和負(fù)荷動態(tài)變化規(guī)律會有很大差異，相應(yīng)的三聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)建形式和運(yùn)行策略也會有很大差異。

由于諸多復(fù)雜因素的影響，建筑能耗負(fù)荷精確測量通常不易做到，因此，計(jì)算建筑能耗的指標(biāo)法仍在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，尤其是在冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目前期規(guī)劃、預(yù)可研、可研，甚至初步設(shè)計(jì)階段，往往還沒有建筑物的設(shè)計(jì)圖紙，無法詳細(xì)計(jì)算建筑物的冷熱電負(fù)荷，指標(biāo)法是最簡潔有效的建筑能耗估算方法。

指標(biāo)法包括電力負(fù)荷指標(biāo)法和冷熱負(fù)荷指標(biāo)法。電力負(fù)荷常用的指標(biāo)法有單位面積功率法和單位指標(biāo)法; 冷熱負(fù)荷指標(biāo)法有單位面積指標(biāo)法和單位溫差指標(biāo)法。

以上方法均涉及單位指標(biāo)如何選取的問題，通常情況下設(shè)計(jì)者會根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取指標(biāo)。設(shè)計(jì)手冊上給出的指標(biāo)通常是一個范圍值，指標(biāo)選取是否合適，直接關(guān)系到項(xiàng)目裝機(jī)容量的選擇，并對能源站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用。根據(jù)以往項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，負(fù)荷指標(biāo)的選取可參照以下原則:

（1） 對于建筑面積大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能好、窗戶面積較小的情況，冷熱指標(biāo)宜取較小值;

（2）若項(xiàng)目在較冷地區(qū)( 如我國的北方地區(qū)) ，熱負(fù)荷指標(biāo)宜取較大值，冷指標(biāo)宜取較小值;

（3）對于室內(nèi)人員活動密集的建筑，冷指標(biāo)宜取較大值，熱指標(biāo)宜取較小值。

反之亦然。

除了冷熱指標(biāo)的選取需要合理外，使用系數(shù)的合理選擇也很重要。如對于一個以辦公、商業(yè)為主的建筑群，通常設(shè)計(jì)手冊上空調(diào)系統(tǒng)( 包括制冷和采暖) 同時使用系數(shù)給定的是一個范圍值，即0.70～1.00。設(shè)計(jì)時，究竟取其中的哪個數(shù)值較為合理，要具體問題具體分析。若該建筑群大部分房間為辦公室，公用部分面積( 如會議室、大廳、大堂等) 很少，則宜取較大值，如0.85～0.95; 若該建筑群公用部分建筑面積所占比例較大，則宜取較小值，如0. 70～ 0.80。這主要是考慮辦公人員在公用部分開會或進(jìn)行其他活動時，辦公室的負(fù)荷會相應(yīng)地減少，不開會時，會議室的空調(diào)關(guān)閉，負(fù)荷為0。另外，如果分布式供能系統(tǒng)的負(fù)荷是一個大型的建筑群，且負(fù)荷性質(zhì)不同、高峰時段不同，則同時使用系數(shù)宜取較小值( 或?qū)⒏鹘ㄖ呢?fù)荷逐時疊加) ，如果只是單獨(dú)建筑或建筑供能面積較小，則同時使用系數(shù)宜取較大值。

工業(yè)用戶一般以工業(yè)用汽為主要負(fù)荷，通常有少量的制冷采暖負(fù)荷，有的項(xiàng)目還有除濕等特殊負(fù)荷。對于工業(yè)用汽負(fù)荷，需要詳細(xì)調(diào)查核實(shí)小時用汽量、用汽參數(shù)、用汽性質(zhì)及用汽隨時間的變化規(guī)律等。當(dāng)用汽負(fù)荷為多個用戶或同一個用戶有多種不同的工藝時，也要根據(jù)實(shí)際情況選用合理的同時使用系數(shù)，取值范圍通常為0.70～1.00。當(dāng)各用戶或各工藝車間的用汽時間為錯峰運(yùn)行時，同時使用系數(shù)宜取較小值，如0.70～0.80( 或各負(fù)荷逐時疊加) ; 當(dāng)各用戶用汽性質(zhì)相同，用汽時間也基本相同時，宜取較大值，如0.85～0.95。

總之，負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)與分析是分布式能源站系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)，冷熱指標(biāo)及同時使用系數(shù)的合理選取是保障能源站經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。

2 合理選擇總裝機(jī)容量及主機(jī)設(shè)備

2.1 項(xiàng)目總裝機(jī)容量的選擇

在實(shí)際系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，參考之前的類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行合理修正是非常必要的。過去有些項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中只考慮了滿足項(xiàng)目最大負(fù)荷工況的需求，沒有重視項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目總裝機(jī)容量過大，設(shè)備閑置無法利用。

表1 某項(xiàng)目冷負(fù)荷全年累計(jì)小時數(shù)

表1為某項(xiàng)目冷負(fù)荷全年累計(jì)小時數(shù)，從表1可以看出，負(fù)荷在峰值附近持續(xù)的時間非常短，而峰值附近的一定范圍內(nèi)負(fù)荷接續(xù)時間也較短，全年累計(jì)只出現(xiàn)幾個小時。如果按負(fù)荷峰值來選取設(shè)備的總裝機(jī)容量，勢必會導(dǎo)致部分機(jī)組在相當(dāng)長的時間里基本處于閑置狀態(tài)。

如按全年累計(jì)不保證50 h 的原則選擇項(xiàng)目的總裝機(jī)容量，則取最大負(fù)荷的80% 左右作為總裝機(jī)容量的最大值較為合適。

2.2項(xiàng)目主機(jī)及主要輔機(jī)的選擇

以天然氣為燃料的分布式能源站的主機(jī)通常按“以冷熱定電、主機(jī)裝機(jī)欠匹配”的原則選型，以保證經(jīng)濟(jì)效益最大化。

所謂“以冷熱定電”，就是以優(yōu)先滿足供冷供熱的原則確定主機(jī)及主要輔機(jī)的裝機(jī)容量及臺數(shù)，電負(fù)荷作為參考。

主機(jī)及主要輔機(jī)的裝機(jī)形式，主要根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)及各種負(fù)荷大小情況來定。例如，項(xiàng)目的負(fù)荷主要以工業(yè)類的工業(yè)蒸汽為主，制冷、采暖及生活熱水負(fù)荷為輔，則宜采用燃?xì)廨啓C(jī)+ 余熱鍋爐+ 汽輪機(jī)作為主機(jī)及主要輔機(jī)，并根據(jù)制冷、采暖及生活熱水負(fù)荷的情況選配余熱溴化鋰機(jī)、換熱器等作為余熱利用設(shè)備，選配電制冷機(jī)或直燃機(jī)、冰蓄冷設(shè)備、熱泵等作為調(diào)峰設(shè)備( 可以選擇其中的1 種或多種設(shè)備相結(jié)合) ; 如果項(xiàng)目的負(fù)荷是以建筑類的制冷、采暖及生活熱水為主，則宜采用內(nèi)燃機(jī)+ 余熱溴化鋰機(jī)+ 換熱器為主機(jī)及主要輔助設(shè)備，并輔以直燃機(jī)或電制冷機(jī)、燃?xì)鉄崴仩t、冰蓄冷設(shè)備及熱泵等作為調(diào)峰設(shè)備。

另外，主機(jī)的選擇通常還受建廠條件的限制，對于有地上建廠條件且主要負(fù)荷為工業(yè)用汽的工業(yè)園區(qū)，可考慮選擇燃?xì)廨啓C(jī)作為主機(jī); 但對于以商業(yè)、辦公、酒店、醫(yī)院等商務(wù)園區(qū)負(fù)荷為主，沒有地上建廠條件且負(fù)荷又以制冷、制熱及生活熱水為主的，宜選擇內(nèi)燃機(jī)作為能源站的主機(jī)。

所謂“主機(jī)裝機(jī)欠匹配”，是指在選擇主機(jī)裝機(jī)時，使主機(jī)所能提供的冷熱能力可滿足項(xiàng)目的基本負(fù)荷即可，不足部分由調(diào)峰設(shè)備補(bǔ)足。這種確定主機(jī)裝機(jī)的方式，可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的綜合經(jīng)濟(jì)效益最大化。

目前，主機(jī)發(fā)電機(jī)如內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)多為國外進(jìn)口，國內(nèi)雖然也有少數(shù)廠家生產(chǎn)，但價格非常昂貴。與主機(jī)配套的主要輔機(jī)如余熱溴化鋰機(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)等，目前雖已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但主機(jī)發(fā)電機(jī)的投資加上余熱設(shè)備的總投資，在整個項(xiàng)目中所占比例相當(dāng)大，通常為總投資的50% ～75%。因此，主機(jī)發(fā)電機(jī)及余熱設(shè)備的投資是影響項(xiàng)目收益的主要因素，會直接影響整個項(xiàng)目的投資經(jīng)濟(jì)收益及投資的回收年限。如果主機(jī)發(fā)電機(jī)的容量及臺數(shù)選擇不合理，無論是偏大還是偏小，都會降低項(xiàng)目的投資收益率并延長投資的回收年限。

也就是說，一個項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的好壞，主要看該項(xiàng)目的冷熱電三聯(lián)供部分能否充分發(fā)揮作用。如果一個項(xiàng)目主機(jī)發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)容量偏大，會因?qū)嶋H運(yùn)行中沒有足夠的負(fù)荷導(dǎo)致主機(jī)長期在低負(fù)荷、低效率下運(yùn)行，或停運(yùn)的時間較長，使部分主機(jī)處于閑置狀態(tài)。投資大收益小，勢必會降低項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益，延長投資回收期。

當(dāng)然，“主機(jī)裝機(jī)欠匹配”必須在一個合理的范圍內(nèi)，并不是欠得越多越好。如果一個項(xiàng)目主機(jī)發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)容量低于合理的范圍，也會降低項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益，并延長投資回收期。這主要是由于分布式能源站項(xiàng)目的主要收益來源是冷熱電三聯(lián)供部分，調(diào)峰設(shè)備部分的收益非常低。當(dāng)主機(jī)發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)容量偏小時，冷熱電三聯(lián)供的供能能力將會發(fā)揮不足，不足部分靠直接消耗天然氣及電能的收益極低的調(diào)峰機(jī)組來提供，勢必會導(dǎo)致整個項(xiàng)目的收益欠佳，投資回收期延長，經(jīng)濟(jì)效益較差。

綜上所述，只有項(xiàng)目的總裝機(jī)容量及主機(jī)裝機(jī)容量選擇合理，才能保證項(xiàng)目總的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最佳。

3 調(diào)峰設(shè)備的選擇

由以上分析可知，以天然氣為燃料的分布式能源站除了需要配置合適容量的主機(jī)設(shè)備外，還要配置合適的調(diào)峰設(shè)備，以滿足項(xiàng)目負(fù)荷的總量需求。

調(diào)峰設(shè)備有多種，常規(guī)的可以選擇電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、直燃機(jī)作為調(diào)峰設(shè)備，還可以采用冰蓄冷、熱泵( 風(fēng)源、水源、地?zé)嵩? 等調(diào)峰方式，每種方式都各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。如電制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t調(diào)峰系統(tǒng)較簡單，產(chǎn)品較為成熟，設(shè)備價格相對較便宜，控制調(diào)節(jié)也較簡單，但電制冷機(jī)耗電較多，燃?xì)忮仩t也

需要直接消耗天然氣，且這2 種設(shè)備只能在夏季或冬季單個季節(jié)使用，為了保證項(xiàng)目的供冷供熱，需要電制冷機(jī)與燃?xì)忮仩t配合使用，占地面積較大; 直燃機(jī)可以同時具備制冷制熱功能，甚至還可同時提供生活熱水，即實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，占地面積較小，但設(shè)備價格相對較高，且需要直接消耗天然氣; 冰蓄冷方式在夏季可以利用發(fā)電設(shè)備多余的電量及夜間的低谷電進(jìn)行蓄冰，制冷負(fù)荷高峰時再將冷量釋放出來用于制冷，對電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，但冰蓄冷方式由于蓄冰設(shè)備的價格相對較為昂貴，在蓄冰和融冰的轉(zhuǎn)化過程中能量轉(zhuǎn)換效率較低，且只能運(yùn)行在制冷季節(jié)，一年中可利用的時間較短，對經(jīng)濟(jì)性會有較大影響; 熱泵方式，無論是空氣源熱泵、水源熱泵，還是地源熱泵，因可以利用室外空氣、地下水、工業(yè)廢水或地下土層等的低溫?zé)嵩催M(jìn)行供冷供熱，能將在其他地方無法利用的低品位熱量用于供冷供熱，但其同樣受到一些條件的限制，如對于空氣源熱泵，因其用于調(diào)峰，調(diào)峰時段空氣溫度接近最低或最高，在此情況下，空氣源熱泵的運(yùn)行效果并不理想，經(jīng)濟(jì)性也較差; 地下水熱源雖不太受環(huán)境溫度的影響，溫度較為恒定，是較好的熱泵低溫?zé)嵩?，但因受?xiàng)目所在地的地質(zhì)情況及場地大小的限制，往往不容易實(shí)現(xiàn);其他水源熱泵及地源熱泵，也只有找到相應(yīng)的合適水源或地?zé)嵩床趴墒褂谩?/p>

因此，分布式能源系統(tǒng)調(diào)峰設(shè)備的選擇需根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行分析，可以選擇1種或2種設(shè)備，也可以幾種調(diào)峰設(shè)備配合使用，但無論如何選配，均應(yīng)從系統(tǒng)的簡單、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等角度進(jìn)行綜合分析論證。

4 系統(tǒng)排煙溫度的確定

排煙溫度是影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的又一個主要因素。確定以天然氣為燃料的分布式能源站系統(tǒng)排煙溫度時，一方面要考慮其對能源綜合利用率及經(jīng)濟(jì)性的影響，另一方面還要考慮其對尾部煙道的腐蝕。

從能源綜合利用率方面考慮，排煙溫度越低越好，但排煙溫度越低，需要的尾部換熱面積越大，設(shè)備初投資越大，投資回收期要延長。排煙溫度低至一定程度時，還會引起尾部煙道腐蝕。導(dǎo)致煙道發(fā)生腐蝕的排煙溫度值，需通過計(jì)算并結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)來確定。

通常情況下，由于考慮尾部煙道的腐蝕，設(shè)備的排煙溫度一般設(shè)計(jì)得較高，余熱鍋爐的排煙溫度一般設(shè)計(jì)在120 ℃以上，煙氣余熱溴化鋰機(jī)組的排煙溫度通常設(shè)計(jì)在145 ～ 170 ℃，如此高的排煙溫度，對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響較大。

從天然氣供應(yīng)公司提供的燃料成分看，天然氣中硫元素的體積分?jǐn)?shù)為0.000 2% 左右，且通常以H2S 的形式存在于天然氣中，低含硫量的天然氣燃燒后所產(chǎn)生的煙氣中SO2的含量也非常低。通過計(jì)算，每標(biāo)準(zhǔn)立方米的煙氣中僅含有約5.9 ×10-8 m3(0.1700 mg) 的SO2，轉(zhuǎn)化為SO3后( 如按3% 比例考慮) ，每標(biāo)準(zhǔn)立方米的煙氣中SO3的含量約為1.8 × 10 -9m3 ( 0.0063 mg) 。根據(jù)已投入使用項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù)，天然氣燃燒后所產(chǎn)生煙氣的酸露點(diǎn)為60 ～ 70 ℃，比燃煤電廠的排煙酸露點(diǎn)低得多。因此，完全可以繼續(xù)降低排煙溫度，如在設(shè)備的尾部或煙道上加煙氣熱水換熱設(shè)備，將煙氣溫度降到一個相對合理的范圍內(nèi)，在保證煙氣順利排出的情況下，使煙氣中的熱量得到最大程度的回收利用，以提高能源站的綜合能源利用率。

表2 是以天然氣為燃料的分布式能源站系統(tǒng)排煙溫度的變化對能源站綜合效率影響的計(jì)算數(shù)據(jù)。

表2 排煙溫度對能源站綜合效率的影響

由表2 可知，對于以天然氣為燃料的冷熱電三聯(lián)供的分布式能源系統(tǒng)，當(dāng)排煙溫度由145 ℃降到70℃時，能源綜合利用率可提高約5.0%，提高幅度較大，對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的影響也較大。

5 電力接入與送出形式的選擇

一個項(xiàng)目通常根據(jù)電負(fù)荷的大小及主機(jī)的裝機(jī)情況來確定電力的接入、送出形式。

5.1 電力上網(wǎng)形式

當(dāng)項(xiàng)目的電負(fù)荷較小、分布式能源站所發(fā)出的電量不能完全被廠用電及項(xiàng)目范圍內(nèi)的其他用戶所消化時，需將能源站所發(fā)出的多余電量進(jìn)行上網(wǎng)銷售，即電力送出。此情況多用于工業(yè)園區(qū)內(nèi)以工業(yè)用汽負(fù)荷為主的項(xiàng)目。

5.2電力并網(wǎng)不上網(wǎng)形式

當(dāng)項(xiàng)目的電負(fù)荷較大、分布式能源站所發(fā)出的電量不能滿足廠用電及項(xiàng)目內(nèi)部的其他用戶的總需求時，需要從電網(wǎng)下電對不足的電量進(jìn)行補(bǔ)充。此時，可考慮采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的形式，優(yōu)先使用本能源站發(fā)出的電，不足部分從網(wǎng)上輸入補(bǔ)充，即電力接入。此形式多用于建筑類園區(qū)以制冷制熱負(fù)荷為主的項(xiàng)目。

5.3電力孤網(wǎng)運(yùn)行形式

此形式通常又被稱為“微網(wǎng)運(yùn)行”“孤島運(yùn)行”，即電力既不并網(wǎng)，也不上網(wǎng)，此形式通常在上網(wǎng)或并網(wǎng)較難實(shí)現(xiàn)的特殊時期或特殊地點(diǎn)等情況下采用。但從幾個建成的項(xiàng)目( 如燃?xì)獯髲B項(xiàng)目、北京南站項(xiàng)目等) 看，此類項(xiàng)目因電力無法并網(wǎng)或上網(wǎng)，運(yùn)行情況并不理想，且經(jīng)濟(jì)效益也較差。

由上述分析可知，即使項(xiàng)目的負(fù)荷基本與分布式能源站所發(fā)出的電量相匹配，但由于電負(fù)荷是動態(tài)變化的，在考慮主機(jī)裝機(jī)容量時，還是應(yīng)綜合考慮冷熱電3 種負(fù)荷的匹配情況，并盡量采取電力并網(wǎng)或上網(wǎng)的形式。

6 結(jié)束語

以上是對以天然氣為燃料的分布式能源站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)過程中幾個關(guān)鍵問題的分析和總結(jié)，為分布式能源站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)參考，以促進(jìn)分布式能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

【本文作者中國華電工程( 集團(tuán)) 有限公司】