武汉东湖高新区应用热电冷联产的可行性分析

张巍巍，黄敏轩，马宏权，张志鹏，杨 涛，赵洪海

（南京丰盛新能源科技股份有限公司，南京 210012）

武汉东湖高新区应用热电冷联产的可行性分析

张巍巍，黄敏轩，马宏权，张志鹏，杨 涛，赵洪海

（南京丰盛新能源科技股份有限公司，南京 210012）

针对冷热电三联供技术在武汉东湖高新区中的应用进行了分析与研究，并重点针对九龙生物产业园周边的热电厂的分布，来划分园区不同的供能区域以形成分布式能源。同时分析了蒸汽供给参数以及影响项目经济指标的敏感性因素,并提出了改善项目经济性的参考建议。

冷热电三联供；蒸汽；管网；生物产业园

随着“中部崛起”等国家战略的实施，武汉成为中部崛起的重要战略支点。武汉在“两型社会”建设中率先试验和发展东湖新技术开发区成为全国第二个国家自主创新示范区，经济的迅速发展必将导致能源的加速消耗，武汉市的能源供应也将面临着严峻考验。在”十二五”期间节能减排任务促使下，分布式热电冷三联供（CCHP）系统发电和供热供冷，具有良好的发展前景。另外，目前CCHP技术也相对成熟，被证明是一种有效解决能源发展矛盾的方法，并被各国所应用，比如：美国奥斯汀新城、英国曼彻斯特机场、北京燃气集团控制中心大楼、上海国际浦东机场等都是国内外较为典型的工程案例。

东湖国家自主创新示范区以光电子信息产业为主导，能源环保、生物工程与新医药、新材料、机电一体化和高科技农业竞相发展，并具有能源需求量大、需求形式多元化等特点。从高新区长远发展规划来看，整个园区用电将日趋紧张，尽管武汉市电力供应有葛洲坝与三峡大坝的水电支撑，但由于水电比例在总用电比例中的基数较小，并不能完全解决用电紧张的问题，在用电负荷较大的夏季，这个问题更为明显。随着我国天然气“西气东输”二期工程的启动，将大大缓解天然气紧张的局面，CCHP系统消耗夏季较为富裕的天然气而为园区提供部分电力，解决夏季供电紧张，保证了园区电力的自给率与自我调节能力，降低了大电网在拉闸限电的情况下对园区供电的影响。CCHP系统可以使能源梯级利用，在提供电力的同时，利用余热输出如：空调、采暖、生活热水以及工业蒸汽等多能互补型能源来满足不同的末端需求。CCHP消耗天然气，其产物为CO2与水，因此相对烧煤来说较为清洁。

九龙生物产业基地作为东湖高新区内经济与各个产业分布较为集中的区域，其用能量大，在能源需求上可以侧面反应整个东湖高新区能源需求状况。园区内的许多高新制药企业需要不间断供电，因此不能出现拉闸断电的情况，所以九龙生物产业园采用CCHP系统来集中供电恰好可以补充电网在拉闸限电的情况下的电力供应。另外，CCHP还可以供应蒸汽，满足了制药企业的蒸汽需求，避免了用汽企业自建锅炉分供所造成的资源浪费。

1 项目概述

九龙生物产业基地作为东湖高新区内的生物医药产业集中营，位于高新区东部，占地面积约11.92 km2，其功能定位为：国家级以生物产业生产制造及物流为主的生物产业基地。基地有大量的工业蒸汽需求，主要是用于中试车间、消毒、研发等。

本项目的设计思路是：以汽定电，以燃气轮机为主，以燃气锅炉进行备用调峰，CCHP能源中心与能源站结合。由于建筑中传统的CCHP系统是“以电定热”，系统投资较高，在满足电力需求的情况下，所产的热量往往会有盈余而造成浪费。“以汽定电”则是首先满足园区的蒸汽需求，CCHP所发的电力进行自我供应，如有不足使用电网进行补充。图1为九龙生物园区位图。

图1 九龙生物产业园区位图

参照国土资源部发布的《工业项目建设用地控制指标（试行）》中的容积率标准，九龙生物产业基地容积率取0.8，建筑面积约为800万m2。

根据园区发展形势以及通过前期的能源调研数据，本文预测了2015年的近期需求与2020年的远期需求。园区内以工业蒸汽需求与电需求为主，空调、采暖的需求考虑到吸收式溴化锂系统效率较低，因此这部分需求都通过电空调与蒸汽锅炉提供，如何解决“汽-电平衡”问题成了需求分析中的关键。表1反映了冷、热、电、热水、蒸汽的负荷需求。

表1 区域负荷估算结果统计表

2 可选方案

本项目整体规划思路是CCHP能源中心与能源站结合。若本项目能源输出只集中在一个能源站，辐射半径较大，能量损失严重。因此本项目建议设置多个能源站，分布在如图2的A、B、C 3个分区中。

根据本项目实际情况与周边条件，以下提供2个CCHP可选方案。

（1）方案一（以周边热电厂蒸汽供应为主）

如图1所示，本项目周边有关山热电厂与鄂州电厂。关山热电厂地处本项目A区以东，直线距离约为11 km，现有工程装机总规模为2×25 MW，即2台130 t/h燃煤锅炉，2台25 MW汽轮发电机组，对外供热管网长约34 km，供热能力80 t/h。现拟建2×9E燃气蒸汽联合循环热电联产，即2×PG9171E燃气轮机发电机组+2×余热锅炉（35～183.5 t/h）和2×抽汽式蒸汽轮发电机（50 MW）。

鄂州电厂原有2×300 MW燃煤机组，二期工程是在一期工程的基础上顺延扩建2台600 MW的超临界燃煤机组，拟建2×1 000 MW燃煤机组。其优势为机组效率高，劣势是距离九龙基地C区的距离达18 km，对于管网的安全性能要求较高，长距离输送致使的压强与温降只能依靠提升电厂蒸汽出口压力与温度来弥补。图2为区域划分及能源站分布示意图。

图2 区域划分及能源站分布示意图

A区与C区可以采用将“空调能源站+蒸汽站”结合的方式，分散布置。其蒸汽站分别由关山热电厂与鄂州电厂建设，并长距离输送蒸汽。而B区域采用“CCHP能源中心+空调能源站”。此方案的好处是相对减少管网建设的投资。本方案的CCHP能源中心设置1台47 MW的SGT-800型燃气轮机。承担区域内的全部蒸汽及部分制冷、采暖负荷需求，其余制冷、采暖负荷由空调能源站承担。

（2）方案二（以园区内部分布式能源中心为主）

如图2所示，A、B、C 3个区域全部采用CCHP能源中心（SGT-800燃气轮机+烟气锅炉+溴化锂冷温水机组+双工况蓄能机组+燃气蒸汽调峰锅炉）+空调能源站。由于基地面积较大，且大部分为生产型企业，白天用电量较大，夜间用电量相对较小，为平衡电力系统，减少不必要浪费，均考虑部分蓄冰，对电力系统起削峰填谷的作用，空调系统在白天生产用电高峰期，可以采用融冰供冷。

3 方案对比分析

3.1 经济性分析

根据目前武汉市工业天然气价3.0元/m3，商业电价0.92元/kWh，可以简单计算出九龙生物产业基地年的全年运行费用及其节能减排率。表2为全年经济参数表。

表2 全年经济参数表

如果与传统的电空调+燃气锅炉方案相比较，2个方案的节能率分别为51%、35%；减排率分别为83%、86%。因此可看出方案二的节能减排效果比方案一要好，从而从运行费用上也表现得更为廉价，但是相对的初投资费用也有一定增加。

3.2 蒸汽管网方案分析

蒸汽管网对于方案一与方案二来说，基本保持一致，其唯一的不同点就是A区与C区的蒸汽供应是鄂州电厂与关山热电厂的主热力管线进入园区到达蒸汽站，投资相对较高。图3为蒸汽管网布置图。

根据调研资料可知，用户端蒸汽为0.8 MPa，210℃的饱和过热蒸汽，因此不管采用哪种方案，都要求CCHP能源中心或者热电厂最终送到用户侧时的蒸汽必须达到该标准。

图3 蒸汽管网布置图

方案一（以热电厂供汽为主）管网累计总长度约为49 km，其中蒸汽源侧的关山热电厂距离A区蒸汽站约11 km，鄂州电厂距离C区蒸汽站约为18 km。园区内部支状管网累计长度为21 km，其中从各区域CCHP能源中心或蒸汽站到最远用户端最远距离约为2 km。

方案二（CCHP能源中心为主），蒸汽供给是由各个片区内部CCHP能源中心提供，园区内部支状管网累计长度为21 km，其中从各区域CCHP能源中心到最远用户端最远距离约为2 km。因此在计算CCHP能源中心送气初始压力与温度时，只需要考虑CCHP能源中心到片区内部最远用户端的距离。

蒸汽传输过程中，蒸汽管道敷设方式采用地埋与架空并行，并采用外保温+抽真空的保温方式，其蒸汽传输中压降约为0.02～0.03 MPa/km，温降约为5～7℃/km，其蒸汽传输参数如表3所示。

表3 各方案蒸汽传输参数表

根据表3可以看出：

方案一中的关山热电厂的初始送气压力至少达到1.15 MPa，初始温度需要275℃。鄂州电厂的初始送气压力至少达到1.30 MPa，初始温度需要310℃；B区CCHP能源中心送气初始压力至少达到0.85 MPa，初始温度需要220℃。

方案二各区域的CCHP能源中心送气初始压力至少达到0.85 MPa，初始温度需要220℃才能满足最远用户0.8 MPa、210℃的蒸汽需求。

4 关键技术及相关问题

4.1 电力输配方案

（1）可采取在发电机出口侧装设同期并网系统、线路保护系统，将出口电压稳定在市供电10 kV电压等级上供园区内建筑、工业电力容量。园区内各个建筑10 kV变电站设立双电源回路，一路为市网供电、另一路为能源站发电供应，形成”并网不上网”的电力并网方针。

（2）对于本项目来说其并网费用主要是由政府部门及湖北省电力公司决定，如果本项目能得到政府协助，这个费用也会相应减少。

（3）本项目电力系统的早期规划与协议非常重要，应该在冷热电三联供系统方案通过评审后,就立即和电力主管部门联系和协调。

4.2 敏感性分析

4.2.1 能源价格对蒸汽价格的影响

图4为不同上网电价下关山热电厂以及CCHP能源中心供蒸汽价格随天然气价格的变化而变化，从图4可以看出，随着天然气价格的升高，蒸汽价格也相应升高。上网电价越高，发电收回的成本越多，蒸汽价格越低。按照目前湖北省发电用天然气价格2.172元/m3、上网电价0.5元/kWh计算，蒸汽价格约为150元/t，然而对于CCHP能源中心来说则为80元/t；若CCHP能源中心并网发电，按照目前湖北省发电用天然气价格3元/m3，电价按民用电价0.8元/kWh计算，蒸汽价格约为50元/t。

图4 天然气价格、电价对蒸汽价格的影响

与以上2种产蒸汽方式不同，鄂州电厂使用的能源为煤，煤的价格相对于天然气较低，如图5所示。当煤的价格低于1 000元/t时，上网发电的收入即可回收成本。当煤价大于1 000元/t后，供应蒸汽才会收回成本[8]。

图5 煤炭价格对蒸汽价格的影响（鄂州电厂）

4.2.2 负荷率对蒸汽价格的影响

蒸汽的用量关系到蒸汽的价格和蒸汽管网投资的回收期等一系列问题，目前蒸汽的用量只能依靠统计数据和经验值计算，无法准确计算。本节将研究负荷率对蒸汽价格的影响，在此假设管网投资的回收期为15年。

图6为不同年蒸汽用量下关山热电厂、CCHP蒸汽价格的变化，两者变化具有相同的趋势，蒸汽用量越多，管网等投资费用分摊到蒸汽中的比例越小，蒸汽价格越低。

按照目前煤价与上网电价对鄂州电厂的蒸汽费用进行计算，上网发电的收入即可收回能源成本。假设蒸汽只承担蒸汽管网的费用，则蒸汽的定价会影响管网投资的回收期，图7为鄂州电厂不同蒸汽价格下电厂管网的投资回收期。蒸汽价格越高，管网的回收期越快。

图6 年蒸汽用量对蒸汽价格的影响

图7 不同蒸汽价格下管网初投资回收期

4.2.3 热电效率对蒸汽价格的影响

关山热电厂和鄂州电厂距离园区较远，供应蒸汽需要的温度和压力随之升高，此时需要从汽轮机中抽蒸汽来达到所需的蒸汽参数。当汽轮机抽蒸汽后，电厂的电效率降低，相反热效率将会升高。图8为关山热电和CCHP供蒸汽方式下热效率和电效率对蒸汽价格的影响，由于鄂州电厂无供蒸汽成本（不考虑管网投资），在此不予考虑。

图8 热电效率对蒸汽价格的影响

2种供蒸汽方式均采用天然气作为能源，蒸汽价格随效率的变化有相同的趋势。总效率越高，蒸汽价格越低；电效率越高，发电收入越多，分摊到蒸汽上的能源费用越少，蒸汽价格越低。

4.2.4 费效比

按照目前湖北省物价情况，天然气、煤炭的定价受发改委与物价局的约束，因此价格基本恒定，但是蒸汽价格对于每个热电厂均不同，定价有一定弹性范围，因此为了方便比较，蒸汽价格定为150元/t。表4为各能源价格表。

表4 各能源价格表

根据表4数据可以计算出在不同发电系统下投入费用和产出效益的比值（费效比）。图9为不同发电系统下电效率对费效比的影响。

图9 不同发电系统下电效率对费效比的影响

由图9可以看出关山热电厂与CCHP同为消耗的天然气，其费效比始终没有鄂州电厂的燃煤机组的费效比高。另外费效比是随着电效率的增加而提升。图10为不同热电总效率下电效率对费效比的影响。

图10 不同热电总效率下电效率对费效比的影响

图10选取了关山热电厂在不同热电总效率的情况下，电效率对费效比的影响。从图10中可以看出费效比是随着热电总效率的增加而增加，不同热电总效率下的费效比斜率相同，反应了费效比增长趋势是相同的，因此从侧面也可以反映出CCHP、鄂州电厂的燃煤机组的费效比在不同热电总效率下费效比对电效率的增长趋势也相同。

5 结论

（1）天然气冷热电三联供技术在本项目上具有较好的适应性，既能满足基地内工业蒸汽需求，而且可以部分解决用电需求，缓解用电压力。实现了能源的梯级利用，降低了污染排放。

（2）本项目CCHP系统面临的困难主要表现在系统配置较为复杂，蒸汽管网较长，投资大，对管网保温要求较高；其次天然气发电价格没有燃煤发电价格优惠，系统运行上相对不太经济。另外实行“并网不上网”的电力输配方案实施难度较大，必须在政府部门协助下及时与电网进行协调。如能解决好以上问题，CCHP系统方能由“适用”转变为“可行”。

（3）本项目采用CCHP系统存在2种技术路线：方案一以周边电厂的蒸汽为主，它融合了“节地、节材”的理念，合理利用了周边热电厂资源，从而减小园区三联供系统的规模与总投资。但是电厂到园区的蒸汽管网较远，造成对管网的保温以及对发电机的出口蒸汽压力与温度有较高的要求，因此投资也相对较高。方案二以为园区内的CCHP能源中心的自制蒸汽为主，其辐射半径小，对系统蒸汽出口压力与温度要求也相对较小，电力传输的损耗也较小。

（4）三联供系统产出的蒸汽价格随效率的变化有相同的趋势。总效率越高，蒸汽价格越低；电效率越高，蒸汽价格越低；燃料价格越高，蒸汽价格越高；上网电价越高，蒸汽价格越低；使用率越高，蒸汽的价格越低。

（5）从费效比的角度来讲，鄂州电厂燃煤机组的费效比比以天然气为燃料的关山热电厂与CCHP能源中心的发电机组要高。费效比随着电效率的增加而增加，并且随着总热电效率的增加而增加。

（6）三联供系统初投资较大，回收期长。因此根据建设周期、建设规模和使用功能等特点建议实行分期按需建设，并切实控制系统和输配管网规模，以避免过早建设和过渡建设，规避投资和运营风险。

：

［1］田贯三,付林.“西气东输”中天然气合理应用方式研究[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].

［3］金红光,郑丹星,徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

［4］CJJ 34—2002，城市热力管网设计规范[S].

［5］华贲.天然气冷热电联供能源系统[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

［6］Honton E J.Energy Balance and Cogeneration for a Cement Plant[J].Applied Thermal Engineering,2002,22(5)：485-494．

Feasibility analysis of CCHP in Wuhan east lake new and high⁃tech demonstration zone

ZHANG Wei⁃wei,HUANG Min⁃xuan,MA Hong⁃quan,ZHANG Zhi⁃peng,YANG Tao,ZHAO Hong⁃hai
（Nanjing Fullshare Energy Co.,Ltd.,Nanjing 210012，China）

Jiulong biological industrial park is a part of Wu⁃han east lake new and high⁃tech demonstration zone.In this paper,applications of combined cooling,heating and power supply system(CCHP)are analyzed and researched.According to distribution of surrounding cogeneration plant,this industrial park is cut into dif⁃ferent source area,and forms the distributed energy.Parameters of steam supply and sensitive factors affecting economical indices of the engineering project are analyzed and suggestions for improving project economy are made.

CCHP；steam；piping net；bilogical industrial park

F407.61；TK018

C

1009-1831（2012）02-0025-05

2012-01-18