楼宇天然气分布式能源站装机方案分析

于秀艳

(华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160)

0 引言

天然气分布式能源站系统，可实现能源及资源综合利用最大化。该技术的能源综合利用效率在70%以上，联产部分能源效率可达86%以上，可广泛应用于城市综合商务区、工业区和公用建筑项目。与传统集中式供能方式相比，具有高效、清洁、安全、环保、经济效益高且适于削峰填谷等优点。

根据调查分析，在国内已投入运行的分布式能源站项目中，以上优点并没有得到充分体现。究其原因，除了设计过程中负荷冷/热指标取值不合理、负荷动态分析不足、使用系数取值不合理及部分项目无法上网/并网等原因外，还有一个非常重要的原因就是项目总装机容量及设备的选型配置不合理。有些项目因装机容量过大而产生了“大马拉小车”的现象，致使三联供系统设备运转不良，甚至长期停运而导致整个项目经济效益较差。

华电产业园分布式能源站，是在充分吸取前期项目经验教训的基础上建立起来的高效、节能、环保的天然气分布式能源站项目。为了借鉴以往的项目经验，避免在设计中出现以上类似情况，在该项目设计过程中进行了技术分析及计算，并对计算结果进行了反复对比论证及优化。

下面以华电产业园分布式能源站项目为例，探讨确定楼宇式天然气分布式能源站装机方案的原则及方法。

1 负荷分析

天然气分布式能源站装机方案的确定，离不开负荷统计与分析。负荷统计与分析是分布式能源站系统集成的基础，对于冷、热、电三联供系统的初投资及运行经济性往往会产生决定性的影响。天然气冷、热、电三联供系统集成设计必须根据用户负荷的冷、热、电比例选择相应的设备，以实现系统的合理配置及高效运行。

天然气分布式能源站大致分为2种:一种是以建筑类负荷为主的楼宇式分布式能源站，主要为制冷、采暖、生活热水及电负荷;一种是以工业负荷为主的分布式能源站，主要负荷为工艺蒸汽和电负荷，制冷及采暖负荷相对较少。

天然气分布式能源站虽为发电类项目，但其装机方案的确定和设备的选型，却不同于电厂类项目。电厂类项目的设备选型主要是根据区域内的电力需求情况来确定装机方案，而分布式能源站项目则是以冷、热负荷需求为主，兼顾电负荷需求，并根据冷、热、电3种负荷的平衡来考虑项目的装机方案。

华电产业园项目为建筑类项目，总建筑规模约17万m2，地下面积约8万m2。产业园建筑以办公、商业、酒店为主，具有较集中的冷、热、电、生活热水需求。

通过对华电产业园负荷的统计分析，得出该项目的设计负荷如下:设计冷负荷为12.000 MW，其中常规冷负荷为10.470 MW，特殊供冷负荷为1.530 MW(网络机房不间断制冷负荷);设计热负荷为8.024 MW;设计电负荷为6.510 MW;生活热水最大负荷为1.070 MW。

1.1 空调冷负荷汇总

全部建筑物最热月的典型日冷负荷如图1所示，最大的冷负荷出现在15:00，为10.470 MW(常规冷负荷)。

1.2 空调热负荷汇总

全部建筑物最冷月的典型日热负荷如图2所示，最大的热负荷出现在07:00，为8.024 MW。

1.3 生活热水负荷特性分析

最大热水供应月典型日的生活热水分析结果如图3所示，最大生活需求出现在21:00，为1.070MW。

图1 全部建筑物的典型日冷负荷逐时分析

图2 全部建筑物的典型日热负荷逐时分析

图3 最大热水供应月典型日的生活热水分析结果

1.4 电负荷特性分析

夏季典型日电负荷逐时变化分析如图4所示，冬季典型日电负荷逐时变化分析如图5所示。

图4 夏季典型日电负荷逐时变化分析

图5 冬季典型日电负荷逐时变化分析

由图4、图5可以看出，典型日负荷主要集中在07:00—23:00，其他时间段内各负荷均较小，且08:00—18:00各负荷基本在峰值附近。

2 总装机容量确定及设备选型原则

2.1 项目总装机容量的确定

由各负荷的统计可知，冷、热、电负荷均有1个最大值，且负荷在峰值附近持续的时间非常短，峰值附近一定范围内负荷持续时间也相对较短，通常全年累计只出现几个小时到几十个小时。如果按负荷统计峰值来选取设备的总装机容量，势必会导致部分机组在相当长的时间内处于闲置状态。

因此，根据有关设计规范及规程规定，可按全年累计不保证50 h的原则来设计负荷最大值，以此确定项目的总装机容量。这一原则虽无法完全满足用户在较短时间内冷、热负荷的需要，却可使项目总投资大大降低，并使设备得到最大化利用。

2.2 项目主机及主要辅机选型原则

以天然气为燃料的分布式能源站，其主机选型通常按“以冷、热定电，主机装机欠匹配”的原则进行，以保证经济效益最大化，这是与常规电厂最本质的区别。

所谓“以冷、热定电”，就是以优先满足供冷、供热的原则确定主机及主要辅机的装机容量及台数，电负荷作为选择主机装机的参考。当机组的发电量大于用电负荷时，多余的电量可送入电网;当发电量不能满足能源站所供范围内的电负荷需求时，不足部分由电网下电来进行补充。

华电产业园的负荷以建筑类制冷、采暖及生活热水为主，因此选择采用内燃机+余热溴化锂机+换热器为主机及主要辅助设备。

所谓的“主机装机欠匹配”，是指在选择主机设备时，使主机冷、热供能能力只满足项目的基本负荷，不足部分由调峰设备补足。这种确定主机装机的方式，可以实现项目的综合经济效益最大化。

目前，主机中的内燃机发电机、燃气轮机发电机价格非常昂贵，而与主机配套的辅机如余热溴化锂机、余热锅炉、汽轮机及调峰设备直燃机、电制冷机、燃气锅炉等，基本已实现国产化，价格相对便宜。因此，在选择主机时，应使主机设备所带的负荷比例在一个合理的范围内，使主机设备能充分发挥最大作用，尽量减少主机的闲置时间。

华电产业园分布式能源站项目全投资内部收益率变化曲线如图6所示。

图6 全投资内部收益率变化曲线

由图6可知，静态投资及天然气价格是影响项目内部收益率的两大主要负面因素，随着静态投资及天然气价格的上升，内部收益率则会显著减小。根据投资分析可知，在华电产业园项目静态投资中，主辅系统的投资约占88.11%，设备投资约占主辅系统的74.3%，由此得出设备投资约占静态总投资的65.4%，而主机及余热设备的投资又占设备投资的80%左右，是影响项目收益的主要因素，直接影响整个项目的投资经济收益及投资回收年限。如果主机容量及台数选择不合理，无论是偏大还是偏小，都会降低项目的投资收益率及延长投资的回收年限。

由此可见，只有项目总装机容量及主机装机容量在合理范围内，才能保证项目经济收益最佳。

2.3 调峰设备的选择原则

以天然气为燃料的分布式能源站除了需要配置合适容量的主机设备，还要配置合适的调峰设备进行调峰，以满足项目负荷的总量需求。

调峰设备有多种，可以选择比较常用的电制冷机、燃气锅炉、直燃机作为调峰设备，也可以采用冰蓄冷、热泵(风源、水源、地源)等作为调峰设备。到底采用哪一种调峰方式，需具体问题具体分析。可以选择1种或2种设备，也可以几种调峰设备配合使用，但无论如何选配，均应从系统的简单、安全、可靠、经济等角度进行综合分析论证并最终确定。

华电产业园项目规划容量为2套3.3 MW内燃发电机组，主机系统还包括2套烟气热水型溴化锂余热机组、2台烟气热水换热器;调峰设备为2套直燃型溴化锂机组、2台电制冷机组。

主机内燃发电机组带基本负荷，高峰时冷、热负荷超出基本负荷部分由直燃机及电制冷机等设备来补足。主机发的电供给产业园内各用户使用，不足部分从电网下电进行补充。

华电产业园项目设备的这种配置，是在进行了充分的对比论证后最终确定的。这种配置既能满足不同阶段、不同气候条件下各种负荷的需求，又最大限度地节省了能源站占地，节省了能源站总投资。

3 主辅机设备的选型计算

分布式能源站主辅机选型设计计算，主要包括以下内容:

(1)根据各种负荷曲线及设计负荷确定主机台数及容量;

(2)根据初选的主机参数计算主机系统的供能能力及效率;

(3)根据主机系统的供能能力及最大设计负荷需求，求出需要辅机提供的能量，并结合负荷曲线，选定调峰设备的容量及台数。

下面以华电产业园项目为例，探讨分布式能源站系统设备选型设计的计算方法。

3.1 主机容量及台数的选择

主机台数及容量的选择，主要根据设计负荷及各种负荷曲线综合分析确定，同时要充分考虑主机设备的价格及主机的年利用小时数等因素。

华电产业园项目求得的各种设计负荷值是经过数据统计、分析、叠加后求得的值，根据这些数值及各负荷曲线，并结合询得厂家对设备的报价，选择2台发电功率为3.3 MW的内燃发电机组作为项目的基载主机，配2台溴化锂余热机组。为了充分利用烟气的热量，减少排烟损失，在余热机组后面的烟道上各增加了一套烟气热水换热器，用于提供生活热水。

3.2 主机系统的供能能力及效率

根据厂家资料，内燃机发电功率为3.349 MW，发电效率为44.4%，排烟温度为390℃。排烟进入余热溴化锂机后，烟气的热量被继续回收利用，夏季溴化锂机组的排烟温度为160℃，冬季溴化锂机组的排烟温度为145℃。余热溴化锂机排烟进入系统尾部换热器后，可将排烟温度进一步降低到90℃，总的联供效率可达87%。主机系统的计算数据见表1，表中:主机系统制冷、采暖季供能占比包含供生活热水能力;气体流量为名义工况(Nominal Condition)流量。

3.3 调峰设备容量及台数

当主机系统的供冷、供热能力确定后，就可根据冷、热负荷的需要及主机的供冷、供热总能力，求出调峰设备需提供的供冷、供热量。

华电产业园项目调峰设备之所以采用直燃机+电制冷机，主要是因为直燃机能够一机多用，既可以在夏季用于制冷，又可以在冬季用于制热，并能同时提供生活热水，可以最大限度地减小能源站占地。增选2台电制冷机，主要是为了满足产业园内网络机房这一不间断特殊冷负荷的需求，同时在夏季的夜间可通过电制冷机利用非常便宜的谷电给酒店等对制冷要求较高的用户供冷。当出现极端天气或主机设备出现故障时，电制冷机还可以进行调峰。调峰设备的相关数据见表2。

表1 主机系统计算数据

表2 调峰设备相关数据

相关计算结束后，在选择主辅机设备时为了节省初投资，可根据各厂家提供的成型设备的容量及参数进行选型。通常宜选择标准型号、规格的设备，且所选设备的总容量应不小于项目总的设计负荷，并考虑一定的余量(约10%)。

4 结论

由以上分析可知，分布式能源站系统设计中主、辅机的选型是非常关键的环节。主、辅机的选型是在对负荷综合分析的基础上完成的，既要考虑设备对季节负荷及日负荷的适应性，又要考虑项目在分期建设或投产初期负荷不足时的适应性。在设定主辅机容量配比时，应尽量使主机设备承担全部或大部分基本负荷，用相对便宜的调峰设备来承担变化量较大的峰值负荷，在保证设备综合运行效率最高的同时，最大限度地降低项目的初投资，以提高整个项目的经济性。

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