天然氣分布式能源站系統集成設計的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

據調查分析，在國內已投入運行的部分分布式能源站項目中，分布式能源的優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有得到充分體現，有些項目因裝機容量過(guò)大，出現“大馬拉小車(chē)”的現象，致使冷熱電三聯(lián)供系統運轉不良，甚至長(cháng)期停運，從而導致整個(gè)項目經(jīng)濟效益較差。分析原因，主要有以下幾點(diǎn):

（1）負荷的冷熱指標取值不太合理或負荷的動(dòng)態(tài)分析不足;

（2）同時(shí)使用系數取值不合理;

（3）項目總裝機容量選擇不合理;

（4）冷熱電三聯(lián)供部分與調峰供能部分比例設計不合理;

（5）沒(méi)有充分考慮電力并網(wǎng)、上網(wǎng)因素的影響。

為了避免在今后設計中出現類(lèi)似情況，本文對分布式能源站設計過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行總結和分析。

1 負荷的統計與分析

負荷的統計與分析是分布式能源站系統集成的基礎，天然氣冷熱電三聯(lián)供系統集成設計必須根據用戶(hù)負荷的冷熱電比例選擇相應的設備，以實(shí)現系統的合理配置及高效運行。冷熱電負荷的統計與分析對冷熱電三聯(lián)供系統的初投資及運行經(jīng)濟性往往會(huì )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(hù)，如單獨建筑、建筑群、商務(wù)園區和工業(yè)用戶(hù)等。

分布式冷熱電三聯(lián)供系統很大一部分是用于建筑供能。建筑可分為民用、工業(yè)、農業(yè)建筑，建筑功能不同，負荷指標和負荷動(dòng)態(tài)變化規律會(huì )有很大差異，相應的三聯(lián)供系統構建形式和運行策略也會(huì )有很大差異。

由于諸多復雜因素的影響，建筑能耗負荷精確測量通常不易做到，因此，計算建筑能耗的指標法仍在世界范圍內被廣泛應用，尤其是在冷熱電三聯(lián)供項目前期規劃、預可研、可研，甚至初步設計階段，往往還沒(méi)有建筑物的設計圖紙，無(wú)法詳細計算建筑物的冷熱電負荷，指標法是最簡(jiǎn)潔有效的建筑能耗估算方法。

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

以上方法均涉及單位指標如何選取的問(wèn)題，通常情況下設計者會(huì )根據相關(guān)設計手冊及實(shí)際經(jīng)驗選取指標。設計手冊上給出的指標通常是一個(gè)范圍值，指標選取是否合適，直接關(guān)系到項目裝機容量的選擇，并對能源站的運行經(jīng)濟性起著(zhù)決定性作用。根據以往項目的實(shí)際設計及運行經(jīng)驗，負荷指標的選取可參照以下原則:

（1） 對于建筑面積大、圍護結構絕熱性能好、窗戶(hù)面積較小的情況，冷熱指標宜取較小值;

（2）若項目在較冷地區( 如我國的北方地區) ，熱負荷指標宜取較大值，冷指標宜取較小值;

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

反之亦然。

除了冷熱指標的選取需要合理外，使用系數的合理選擇也很重要。如對于一個(gè)以辦公、商業(yè)為主的建筑群，通常設計手冊上空調系統( 包括制冷和采暖) 同時(shí)使用系數給定的是一個(gè)范圍值，即0.70～1.00。設計時(shí)，究竟取其中的哪個(gè)數值較為合理，要具體問(wèn)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(huì )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(kāi)會(huì )或進(jìn)行其他活動(dòng)時(shí)，辦公室的負荷會(huì )相應地減少，不開(kāi)會(huì )時(shí)，會(huì )議室的空調關(guān)閉，負荷為0。另外，如果分布式供能系統的負荷是一個(gè)大型的建筑群，且負荷性質(zhì)不同、高峰時(shí)段不同，則同時(shí)使用系數宜取較小值( 或將各建筑的負荷逐時(shí)疊加) ，如果只是單獨建筑或建筑供能面積較小，則同時(shí)使用系數宜取較大值。

工業(yè)用戶(hù)一般以工業(yè)用汽為主要負荷，通常有少量的制冷采暖負荷，有的項目還有除濕等特殊負荷。對于工業(yè)用汽負荷，需要詳細調查核實(shí)小時(shí)用汽量、用汽參數、用汽性質(zhì)及用汽隨時(shí)間的變化規律等。當用汽負荷為多個(gè)用戶(hù)或同一個(gè)用戶(hù)有多種不同的工藝時(shí)，也要根據實(shí)際情況選用合理的同時(shí)使用系數，取值范圍通常為0.70～1.00。當各用戶(hù)或各工藝車(chē)間的用汽時(shí)間為錯峰運行時(shí)，同時(shí)使用系數宜取較小值，如0.70～0.80( 或各負荷逐時(shí)疊加) ; 當各用戶(hù)用汽性質(zhì)相同，用汽時(shí)間也基本相同時(shí)，宜取較大值，如0.85～0.95。

總之，負荷的統計與分析是分布式能源站系統集成的基礎，冷熱指標及同時(shí)使用系數的合理選取是保障能源站經(jīng)濟效益的重要因素。

2 合理選擇總裝機容量及主機設備

2.1 項目總裝機容量的選擇

在實(shí)際系統集成設計中，參考之前的類(lèi)似項目經(jīng)驗并進(jìn)行合理修正是非常必要的。過(guò)去有些項目在設計過(guò)程中只考慮了滿(mǎn)足項目最大負荷工況的需求，沒(méi)有重視項目的經(jīng)濟效益，導致所設計的項目總裝機容量過(guò)大，設備閑置無(wú)法利用。

表1 某項目冷負荷全年累計小時(shí)數

表1為某項目冷負荷全年累計小時(shí)數，從表1可以看出，負荷在峰值附近持續的時(shí)間非常短，而峰值附近的一定范圍內負荷接續時(shí)間也較短，全年累計只出現幾個(gè)小時(shí)。如果按負荷峰值來(lái)選取設備的總裝機容量，勢必會(huì )導致部分機組在相當長(cháng)的時(shí)間里基本處于閑置狀態(tài)。

如按全年累計不保證50 h 的原則選擇項目的總裝機容量，則取最大負荷的80% 左右作為總裝機容量的最大值較為合適。

2.2項目主機及主要輔機的選擇

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

所謂“以冷熱定電”，就是以?xún)?yōu)先滿(mǎn)足供冷供熱的原則確定主機及主要輔機的裝機容量及臺數，電負荷作為參考。

主機及主要輔機的裝機形式，主要根據負荷的性質(zhì)及各種負荷大小情況來(lái)定。例如，項目的負荷主要以工業(yè)類(lèi)的工業(yè)蒸汽為主，制冷、采暖及生活熱水負荷為輔，則宜采用燃氣輪機+ 余熱鍋爐+ 汽輪機作為主機及主要輔機，并根據制冷、采暖及生活熱水負荷的情況選配余熱溴化鋰機、換熱器等作為余熱利用設備，選配電制冷機或直燃機、冰蓄冷設備、熱泵等作為調峰設備( 可以選擇其中的1 種或多種設備相結合) ; 如果項目的負荷是以建筑類(lèi)的制冷、采暖及生活熱水為主，則宜采用內燃機+ 余熱溴化鋰機+ 換熱器為主機及主要輔助設備，并輔以直燃機或電制冷機、燃氣熱水鍋爐、冰蓄冷設備及熱泵等作為調峰設備。

另外，主機的選擇通常還受建廠(chǎng)條件的限制，對于有地上建廠(chǎng)條件且主要負荷為工業(yè)用汽的工業(yè)園區，可考慮選擇燃氣輪機作為主機; 但對于以商業(yè)、辦公、酒店、醫院等商務(wù)園區負荷為主，沒(méi)有地上建廠(chǎng)條件且負荷又以制冷、制熱及生活熱水為主的，宜選擇內燃機作為能源站的主機。

所謂“主機裝機欠匹配”，是指在選擇主機裝機時(shí)，使主機所能提供的冷熱能力可滿(mǎn)足項目的基本負荷即可，不足部分由調峰設備補足。這種確定主機裝機的方式，可以實(shí)現項目的綜合經(jīng)濟效益最大化。

目前，主機發(fā)電機如內燃機發(fā)電機、燃氣輪機發(fā)電機多為國外進(jìn)口，國內雖然也有少數廠(chǎng)家生產(chǎn)，但價(jià)格非常昂貴。與主機配套的主要輔機如余熱溴化鋰機、余熱鍋爐和汽輪機等，目前雖已實(shí)現國產(chǎn)化，但主機發(fā)電機的投資加上余熱設備的總投資，在整個(gè)項目中所占比例相當大，通常為總投資的50% ～75%。因此，主機發(fā)電機及余熱設備的投資是影響項目收益的主要因素，會(huì )直接影響整個(gè)項目的投資經(jīng)濟收益及投資的回收年限。如果主機發(fā)電機的容量及臺數選擇不合理，無(wú)論是偏大還是偏小，都會(huì )降低項目的投資收益率并延長(cháng)投資的回收年限。

也就是說(shuō)，一個(gè)項目經(jīng)濟效益的好壞，主要看該項目的冷熱電三聯(lián)供部分能否充分發(fā)揮作用。如果一個(gè)項目主機發(fā)電機的總裝機容量偏大，會(huì )因實(shí)際運行中沒(méi)有足夠的負荷導致主機長(cháng)期在低負荷、低效率下運行，或停運的時(shí)間較長(cháng)，使部分主機處于閑置狀態(tài)。投資大收益小，勢必會(huì )降低項目的經(jīng)濟收益，延長(cháng)投資回收期。

當然，“主機裝機欠匹配”必須在一個(gè)合理的范圍內，并不是欠得越多越好。如果一個(gè)項目主機發(fā)電機的總裝機容量低于合理的范圍，也會(huì )降低項目的經(jīng)濟收益，并延長(cháng)投資回收期。這主要是由于分布式能源站項目的主要收益來(lái)源是冷熱電三聯(lián)供部分，調峰設備部分的收益非常低。當主機發(fā)電機的總裝機容量偏小時(shí)，冷熱電三聯(lián)供的供能能力將會(huì )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峰機組來(lái)提供，勢必會(huì )導致整個(gè)項目的收益欠佳，投資回收期延長(cháng)，經(jīng)濟效益較差。

綜上所述，只有項目的總裝機容量及主機裝機容量選擇合理，才能保證項目總的經(jīng)濟效益達到最佳。

3 調峰設備的選擇

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設備外，還要配置合適的調峰設備，以滿(mǎn)足項目負荷的總量需求。

調峰設備有多種，常規的可以選擇電制冷機、燃氣鍋爐、直燃機作為調峰設備，還可以采用冰蓄冷、熱泵( 風(fēng)源、水源、地熱源) 等調峰方式，每種方式都各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。如電制冷機、燃氣鍋爐調峰系統較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品較為成熟，設備價(jià)格相對較便宜，控制調節也較簡(jiǎn)單，但電制冷機耗電較多，燃氣鍋爐也

需要直接消耗天然氣，且這2 種設備只能在夏季或冬季單個(gè)季節使用，為了保證項目的供冷供熱，需要電制冷機與燃氣鍋爐配合使用，占地面積較大; 直燃機可以同時(shí)具備制冷制熱功能，甚至還可同時(shí)提供生活熱水，即實(shí)現一機多用，占地面積較小，但設備價(jià)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)電設備多余的電量及夜間的低谷電進(jìn)行蓄冰，制冷負荷高峰時(shí)再將冷量釋放出來(lái)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備的價(jià)格相對較為昂貴，在蓄冰和融冰的轉化過(guò)程中能量轉換效率較低，且只能運行在制冷季節，一年中可利用的時(shí)間較短，對經(jīng)濟性會(huì )有較大影響; 熱泵方式，無(wú)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熱源進(jìn)行供冷供熱，能將在其他地方無(wú)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，因其用于調峰，調峰時(shí)段空氣溫度接近最低或最高，在此情況下，空氣源熱泵的運行效果并不理想，經(jīng)濟性也較差; 地下水熱源雖不太受環(huán)境溫度的影響，溫度較為恒定，是較好的熱泵低溫熱源，但因受項目所在地的地質(zhì)情況及場(chǎng)地大小的限制，往往不容易實(shí)現;其他水源熱泵及地源熱泵，也只有找到相應的合適水源或地熱源才可使用。

因此，分布式能源系統調峰設備的選擇需根據項目的具體情況進(jìn)行分析，可以選擇1種或2種設備，也可以幾種調峰設備配合使用，但無(wú)論如何選配，均應從系統的簡(jiǎn)單、安全、可靠、經(jīng)濟等角度進(jìn)行綜合分析論證。

4 系統排煙溫度的確定

排煙溫度是影響項目經(jīng)濟效益的又一個(gè)主要因素。確定以天然氣為燃料的分布式能源站系統排煙溫度時(shí)，一方面要考慮其對能源綜合利用率及經(jīng)濟性的影響，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，設備初投資越大，投資回收期要延長(cháng)。排煙溫度低至一定程度時(shí)，還會(huì )引起尾部煙道腐蝕。導致煙道發(fā)生腐蝕的排煙溫度值，需通過(guò)計算并結合實(shí)際的工程經(jīng)驗來(lái)確定。

通常情況下，由于考慮尾部煙道的腐蝕，設備的排煙溫度一般設計得較高，余熱鍋爐的排煙溫度一般設計在120 ℃以上，煙氣余熱溴化鋰機組的排煙溫度通常設計在145 ～ 170 ℃，如此高的排煙溫度，對項目經(jīng)濟性的影響較大。

從天然氣供應公司提供的燃料成分看，天然氣中硫元素的體積分數為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(guò)計算，每標準立方米的煙氣中僅含有約5.9 ×10-8 m3(0.1700 mg) 的SO2，轉化為SO3后( 如按3% 比例考慮) ，每標準立方米的煙氣中SO3的含量約為1.8 × 10 -9m3 ( 0.0063 mg) 。根據已投入使用項目的運行數據，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(chǎng)的排煙酸露點(diǎn)低得多。因此，完全可以繼續降低排煙溫度，如在設備的尾部或煙道上加煙氣熱水換熱設備，將煙氣溫度降到一個(gè)相對合理的范圍內，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排煙溫度的變化對能源站綜合效率影響的計算數據。

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，當排煙溫度由145 ℃降到70℃時(shí)，能源綜合利用率可提高約5.0%，提高幅度較大，對項目經(jīng)濟效益的影響也較大。

5 電力接入與送出形式的選擇

一個(gè)項目通常根據電負荷的大小及主機的裝機情況來(lái)確定電力的接入、送出形式。

5.1 電力上網(wǎng)形式

當項目的電負荷較小、分布式能源站所發(fā)出的電量不能完全被廠(chǎng)用電及項目范圍內的其他用戶(hù)所消化時(shí)，需將能源站所發(fā)出的多余電量進(jìn)行上網(wǎng)銷(xiāo)售，即電力送出。此情況多用于工業(yè)園區內以工業(yè)用汽負荷為主的項目。

5.2電力并網(wǎng)不上網(wǎng)形式

當項目的電負荷較大、分布式能源站所發(fā)出的電量不能滿(mǎn)足廠(chǎng)用電及項目?jì)炔康钠渌脩?hù)的總需求時(shí)，需要從電網(wǎng)下電對不足的電量進(jìn)行補充。此時(shí)，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)上輸入補充，即電力接入。此形式多用于建筑類(lèi)園區以制冷制熱負荷為主的項目。

5.3電力孤網(wǎng)運行形式

此形式通常又被稱(chēng)為“微網(wǎng)運行”“孤島運行”，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)現的特殊時(shí)期或特殊地點(diǎn)等情況下采用。但從幾個(gè)建成的項目( 如燃氣大廈項目、北京南站項目等) 看，此類(lèi)項目因電力無(wú)法并網(wǎng)或上網(wǎng)，運行情況并不理想，且經(jīng)濟效益也較差。

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

6 結束語(yǔ)

以上是對以天然氣為燃料的分布式能源站系統集成設計過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的分析和總結，為分布式能源站系統集成設計提供一點(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) 有限公司】