燃气分布式供能节能率计算标准研究

虞正发 冯云岗

1 背景

随着城市化进程的不断发展，能源、环境问题不断突出，工业和建筑用户冷热电需求不断增长，现有的供能负荷变化范围将不断扩大，供能模式将随之改善。常规的单一功能模式——冷、热、电分别独立生产与供应存在着较多的不足；集中大规模单一发电，难以实现梯级利用；高品位电制低品位冷；高品位燃料制低品位热，能源利用效率比较低。因此，为了满足区域能源的不规律增长，增强能源从高品位能到低品位能的梯级利用以及提高供能利用效率，发展新型的节能减排新的功能模式势在必行。分布式供能系统是典型的小型、临近用户、冷热电联产的供能系统，其过程为：燃料化学能首先进入原动机发电，产生的烟气进入余热回收装置，产生的冷和热提供给工业与建筑用户。这个概念早在1978年美国公共事业管理政策法公布后就正式在美国推广，然后被其它先进国家接受的。该系统有很高的环保优势，相对于大电网来说，供能的可靠性比较高，可以应对大电网突发事件，实现电力调峰，形成互补的作用；其次，对能源进行了有效的梯级利用，系统先产生高品位电能，随之利用余热废热生产低品位冷与热，实现冷热电三联供；烟气余热充分利用，能源利用效率显著提高，既控制了排烟温度，又实现了低温废热利用，所以分布式功能和大规模集中功能的有机结合，被称为未来能源系统的发展方向。

分布式供能对燃料的化学能，释放的高温、中温、低温不同品位的能源持续梯级利用模式，相对于分产利用实现了能的综合梯级利用，节能效果明显。当前分布式供能系统在国家科技发展规划中也是处于很重要的地位，并且各地方政府也都在制定相关发展规划，包括国家能源局绿色能源县分布式供能计划。

目前，上海市已有十多个分布式供能系统投入运行，其中不乏运行良好的例子，尤其是在节能减排方面均有比较好的成效。但由于分布式供能系统与分散供电、供热之间目前还没有统一的能耗差值计算方法，使得用不同计算方法得出的节能率相差较大，不能很好的体现分布式供能系统在节能方面的优越性。因此通过本课题研究，以达到统一的节能率计算标准。

2 国内节能计算

2.1 一次能源节约率

参政文献[1]提到一次能源节约率是指分产所得冷热电所耗一次能源与联产所得冷热电所耗一次能源的差值与分产所得冷热电所耗一次能源的比值。以冷热电联供系统和分产系统都产生等量的热量、冷量、电量为前提，求出它们消耗的总的一次能源，进而求出一次能源节约率PES(primaryenergysaving)。

式中，QCCHP——三联供总的一次能源消耗量，J；

HSUP——分产系统和联供系统等量的可用热能，J；

CCUP——分产系统和联供系统等量的可用冷量，J；

ESUP——分产系统和联供系统等量的可用电量，J；

PERe(CCHP）——可用电量占联供系统总一次能源消耗的比例，%；

PERC(CCHP）——可用冷量占联供系统总一次能源消耗的比例，%；

PERH(CCHP）——可用热量占联供系统总一次能源消耗的比例，%；

ηe——电网发电效率，%；

ηb——锅炉效率，%；

COPCRSηb——制冷性能系数。

若PES＞0，表示冷热电联供系统比分产系统节能；若PES＜0则表示冷热电联供不节能。同时PES值的大小可以反映出节能的程度。该方法从热力学第一定律建立数学模型，对冷热电联供系统的节能性进行分析研究，分析分布式冷热电联供的节能条件和节能率的特点，反映了冷热电联供系统相对于压缩式制冷的分产系统的节能效果。

2.2 节煤量

参政文献[2～4]采用节煤量来衡量分布式三联供系统相对于分产系统的节能特性。节煤量表示联产系统所耗一次能源煤量与分产系统所耗一次能源煤量的差值。该系统比较模型为：分布式能源冷热电联产系统与区域锅炉房供热、凝汽式电厂发电及压缩式制冷机组合的系统相比较。在供热量、制冷量及供电量相同的条件下，节煤量的表达式为：

式中，△B——节煤量，kgce/h；

Qc——制冷量，kW；

nL——压缩式制冷机的制冷电耗，kW电耗/kW制冷量； ，

nx——溴化锂吸收式制冷机的电耗，kW电耗/kW制冷量；

W——供热式机组的发电量，kW；

ε——热电厂用电率；

b——电网供电煤耗，kgce/kWh；

Qha——供热式机组的供热量，GJ/h；

ηb（d）——区域锅炉房锅炉效率；

ηp（d）——供热管道效率；

B——供热式机组的耗煤量，kgce/h；

节煤量建立在热力学第一定律的基础之上，其实质是按热量法来分配总热耗量，计算简单、直观、明确。

3 国外节能计算

3.1 日本计算方法

日本从1980年开始推广热电联产项目，迄2004年底，共建9710个项目，合计发电功率7782MW(包括燃油、燃气项目)，约占日本发电设备总容量的2.5%；其中燃气的4651项、发电功率3065MW，分别占47.9%和39.4%。包括工业项目1087项、发电功率2238MW和民用商业项目3564项、发电功率827MW，分别占总量的23.4%、73.0%及76.6%、27.0%。按原动机类型进行分类，燃气轮机共1228台，发电容量3617MW，占12.6%、46.5%；柴油机4212台，发电容量3048MW占43.4%、39.2%；燃气内燃机4262台，发电容量1187MW，占43.4%、15.3%；其他8台，发电容量31MW。从上可见，日本燃油柴油机的数量还不少，但大多是早期投产的，目前已经陆续进入退役期，也有部分作为备用，年运行小时逐步下降。从发展趋势看，分布式供能系统的主力原动机是燃气轮机和燃气内燃机[5]。

新时代完善企业干部考核评价体系的研究——以广西电网有限责任公司为例 …………………………………… 杨 威（5/32）

《日本三联供设计手册》通过比较年常规和热电联产系统的主要能源消费量来评价节能效果，可以认为是热电联产的整体效果在一个单一的建筑节能和余热回收装置的指标。典型的节能指标显示如下：

热电联产装置评价效率

发电机负荷因子

节能率

热电联产装置评价效率，输出的发电量与余热利用量除以输入的燃料热量，设计效率应大于60%。热电联产依存度（电力）该指标显示了热电联产在建筑物年电力需求量中所占比重。

同样，热电联产依存度（热）也是如此，该指标显示了热电联产余热回收量在热需求量中所占比重。热电联产的依存度要大于各单个设备的值，不牺牲余热以提高设备利用率是设计的重点。

发电机负荷因子，是发电装置在一个时间段内的平均运行指标，要避免在低负荷运行引起的效率下降，要合理设计运行制度以增加发电机的负荷因子。

发电机效率、余热回收效率来评价年平均能效，长时间的低负荷运行，发电机组的效率比额定值低。

余热利用效率，热电联产系统的余热回收比率是用来衡量次级余热利用的状况，该指标应尽可能的高，以提高节能效果和经济性，台数和运行策略是设计的重点。

表3-1 日本计算案例

节能效率用来比对一次能源利用的状况，考虑到电厂的发电效率和电力公司的传输效率，到用户端的综合效率为36.6%（HHV——高热值）（供电煤耗为9830kJ/kWh）。但是为了进行有区别的评估划分为日间和夜间，日间（8点～22点）用电端的受电效率为35.8%（HHV——高热值）（供电煤耗为10050kJ/kWh）；夜间（22点～8点）为38.7%（供电煤耗为9310kJ/kWh）。应该指出，如果多余电力反向供给公共电网。

该方法依赖于日本对不同用能系统的统计资料，对中国的适应性较差。

3.2 欧洲计算方法

在欧洲，自1973年能源危机之后，企业就积极进行各种活动，希望在节能方面为自己的传统产品找到替代市场。在1978至1984年间，市场的巨大动力推动着热电联产技术在住宅和服务行业的应用。英国第一次尝试区域供热是1742年，至今英国有500处以上小型热电站(小于1MWe)，目前主要应用于娱乐中心、游泳池、医院、宾馆、收容所、机场、学校和小型工业等场所。除了小型热电站以外，英国还不断利用容量在1—10MWe的中型热电联产系统。在Cyanamid，采用往复式发动机供电3.5MWe，同时供应蒸汽。在医院和小型工厂是适合于安装燃气轮机热电联产系统的，1992年3月，在cornwall安装了由两个燃气轮机组成的热电站。最近在曼切斯特机场建成了10MWe的热电站，据预测运行成本可降低150万英磅。伦敦一家医院的热电站安装了两台1.5MWe汽轮机，汽机废热用于供给吸收式制冷机，空调加湿系统，机械通风系统。德国集中供热很发达，尤其是在前东德地区。在实行集中供热的地区，热电联产占60%。1991年为促进分散的热电联产发展，成立了成套热电设备协会。成套热电设备主要在三个领域使用：工业与商业(34%)、废料管理(33%)和医院与游泳池在内的公共场所(33%)。

对于整个分布式能源冷热电联产系统的评估，需要计算一些能源相关的指标：PES（一次能源节约率）及PRF（一次资源指数）。PES表示由联合生产相对独立生产相同冷热能和电能时获得的一次能源能源节约。PRF定义为一次能源消耗与输出能源的比值，表示了冷热电三联供冷热传输分配时平均燃料消耗，热损失及电消耗。一次能源消耗需考虑提取，加工，储存，运输，生产，转化，传输及分配等任何传递到用户过程中使用到的能源。

一次能源节约率PES（PrimaryEnergySaving）：

其中ηe为电网效率，

ηb为常规锅炉效率，

PHR为电热比，

ηcg为产电效率。计算式为：

式中，LHV为低热值，

mf为燃料流量，

Ecg为热电联产发电量。

一次资源指数PRF（PrimaryResourceFactor）：

其中：fp,DH表示区域供热系统的一次资源指数，

fp,DC表示用户转换端一次资源指数，

fp,DH表示区域供热系统的一次资源指数，

fP,F,i表示输入燃料的一次资源指数，

fp,elt表示电能一次资源指数，

QF,i表示区域供热供冷和热电联产产电所需的总输入燃料，

QF,DH表示区域供热系统所需燃料，

WCHP表示热电联产产出电能，

QDC,k表示用户转换端一次能源侧所消耗的冷能，

QDH,j表示区域供热系统用户转换端一次能源侧所消耗的热能。

上述计算公式表明，一次资源指数越小则表示越节能，使用化石燃料单一锅炉生产冷热电的一次资源指数较大，而使用余热废热、生物质燃料、热电联产等生产冷热电时一次资源指数较小。该方法更偏向于热电联产的节能率计算，针对冷热电三联供中的冷，没有给出具体的处理方式。

4 适合上海市的节能计算

综合现有计算分布式供能节能率方法，并结合上海市已建成项目的运行效果提出适合上海市的节能计算。

4.1 计算方法

1）三联供一次能源消耗量：

其中，QCCHP,T——三联供总供能量，GJ；

QCCHP，C——三联供总供冷量，GJ；

QCCHP,H——三联供总供热量，GJ；

QCCHP,E——三联供总供电量，GJ。

其中，QCCHP,1——三联供一次能源消耗量，ect；

QCCHP,1,NG——三联供燃气耗量，ect；

QCCHP,1,E三联供用电量，根据当年供电煤耗（mS,E，g/kWh）和电网损耗（ηNET,E）率折算，ect；

2）分产年耗煤量计算公式：

其中，QC,E——分产制冷用电量，GJ；

COP——分产制冷系数；

其中，QH,1——分产供热一次供热能耗，ect；

ηB、1-ηNET，H——分产锅炉效率，热网损耗；

其中，QE,T，1——分产用电量，根据当年供电煤耗（mS,E，g/kWh）和电网损耗（ηNET，E）率折算，ect；

总一次能源消耗量：

其中，QH，1——分产一次供热能耗，ect；

3）节能率计算：

其中，△B——节煤量，ect；

η——节能率。

4.2 计算案例

4-2分布式供能系统设备特性表

上海世博会B片区央企总部能源中心项目根据上海世博园会展及其商务区的冷、热负荷容量及特点，拟在该区域内建设天然气分布式能源站，满足该地区热、冷负荷需求。B片区规划用地面积25.11hm2，地上总建筑面积约76.44万m2，平均容积率约为3.13，单体建筑高度不超过120m。规划用地性质为商务办公（含商业文化娱乐设施）和洒店，商务办公（含商业文化娱乐设施）建筑面积约为59.7万m2，酒店建筑面积约为16.74m2，客房约为1300间。本次建筑的天然气分布式能源站只考虑商务办公（含商业文化娱乐设施），不考虑给酒店供能。

能源中心年供电量1726kWh，供热89759GJ，供冷213535GJ，系统综合能源利用率128%，原动机供能量占总供能量的42%，相对于分产供能节能率30%。

还对原动机供能量相对于总供能量的占比对节能率的影响进行了分析，原动机供能量超过27%时分布式供能的优越性才能体现出来，分布式供能节能率的极限值为70%左右（见图4-1）。

图4-1 敏感性分析

5 结论

1）综合多方研究成果，本文提出了适合上海市的分布式供能节能率计算方法。

2）为体现分布式供能系统在节能方面的优越性确立了统一标杆。

3）以上海世博会B片区央企总部能源中心为例，分布式与分产式相比，节能率约在30%左右。同时发现，原动机供能量占总供能量的27%以上时节能率才大于0，并且节能率的极限值为70%。

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