上海地区宾馆建筑导入CCHP系统方案的探讨

严佳晨，顾群音

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

众所周知，现行的能源结构已经对环境构成了严重威胁，迟缓了可持续发展战略的进程.能源价格、电网稳定性、环境污染以及全球性气候变化是当前面临的重要问题，因此解决节能和环保难题迫在眉睫.要解决上述问题就必须对目前的能源结构进行调整，大力发展包括天然气在内的清洁能源.作为一种分布式能源系统，天然气冷热电三联供(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)已经成为能源供应的发展趋势之一.它具有节约能源、改善环境、增加电力供应、减少城市大气污染和提高能源综合利用率等优点，符合国家可持续发展的战略.[1]

宾馆由于其特殊的商业定位，对电力、供热、供冷都有大量需求.CCHP可以通过余热回收设备有效地利用系统发电后排出的余热向用户供热、供冷.通过这种方式大大提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用.另外，还可以提供并网电力作能源互补，使得整个系统的经济收益及效率相应提高.[2]

1 上海地区某宾馆概况

以上海地区某中型宾馆为研究对象，其总建筑面积为59 320 m2，拥有客房500间.在导入分布式供能系统前，该宾馆原来的供热系统采用3台传统的7 t/h的CJHS-G713燃油蒸汽锅炉，用电则全部由2台市电进线的容量为2 500 kW的变压器供给.

2 实际冷热电负荷情况

2.1 用电负荷

该宾馆各季节典型日电负荷情况如图1所示.其中，所有负荷数据是与宾馆方沟通后所获得的，都是该宾馆的实际运行数据.

图1 宾馆各季节典型日电负荷情况

由图1可知，冬季最小电负荷出现在凌晨4点左右，最大负荷出现在傍晚17点左右，最小负荷为649.59 kW，最大负荷为1 791.58 kW.夏季最小电负荷出现在凌晨5点左右，最大负荷出现在下午14点左右，最小负荷为555.27 kW，最大负荷为3 561.96 kW.春季和秋季最小电负荷出现在凌晨3点左右，最大负荷出现在傍晚17点左右，最小负荷为 727.19kW，最大负荷为1765.12kW.

通过分析可以得出，该宾馆全年最小电负荷为555.27 kW.比较3种季节的电负荷情况不难发现，每天的12:00～20:00是宾馆用电的高峰期，其余时间段的用电量相对较低.冬季与过渡季节的用电负荷很相似，最大负荷都在1 500～2 000 kW之间.而夏季的最大电负荷高达3 500 kW，约是其他季节的2倍.可见，在夏季，宾馆拥有更大的用电需求.

2.2 用热负荷

该宾馆各季节典型日热负荷情况如图2所示.

图2 宾馆各季节典型日热负荷情况

由图2可以看出，冬季最小热负荷出现在凌晨4点左右，为1 288.79 kW;最大热负荷出现在傍晚16点左右，为3 525.15 kW.换算成1 MPa的蒸汽，最小热负荷为1.83 t/h，最大热负荷为5 t/h.夏季最小热负荷出现在凌晨 3点左右，为163.9 kW;最大热负荷出现在晚上21点左右，为1 025.86 kW.换算成1 MPa的蒸汽，最小热负荷为0.23 t/h，最大热负荷为 1.46 t/h.春季和秋季最小热负荷出现在凌晨3点左右，为190.52 kW;最大热负荷出现在晚上19点左右，为1 372.86 kW.换算成 1 MPa的蒸汽，最小热负荷为0.27 t/h，最大热负荷为 1.95 t/h.

通过分析可以得出，宾馆全年最小热负荷为0.23 t/h.比较3种季节的热负荷情况可以发现，冬季用户对热负荷的需求最大，达到了3 500 kW.过渡季节也达到了近1 400 kW，相比之下夏季用户的热负荷需求最小.

另外，一天之内除了凌晨用热负荷比较低，晚上19:00左右用热负荷较高以外，其余时间段的用热负荷较为平均.

2.3 用冷负荷

该宾馆各季节典型日冷负荷情况如图3所示.

图3 宾馆各季节典型日冷负荷情况

由图3可以看出，冬季最小冷负荷出现在23点到次日早上8点，为零;最大冷负荷出现在中午12点左右，为227.679 kW.夏季最小冷负荷出现在凌晨5点左右，为769.04 kW;最大冷负荷出现在下午14点左右，为4 933.23 kW.春季和秋季最小冷负荷出现在晚上23点左右，为零;最大冷负荷出现在下午13点左右，为1 643.014 kW.

通过分析可以得出，该宾馆全年大多数时间冷负荷为零.比较3种季节的冷负荷情况可以发现，夏季用户对冷负荷的需求最大，达到了4 933.23 kW.过渡季节也达到了1 643.014 kW，相比之下冬季用户对冷负荷的需求最小.另外，凌晨用冷负荷都比较低，而从早上9点开始用冷负荷迅速提高，在中午的时候达到最大.

3 CCHP导入方案

3.1 CCHP导入原则

如果选用“以热定电”的原则，由于热负荷在不同季节和时刻的变化很大，最小值与最大值相差几倍甚至十几倍，所以很难确定根据哪个热负荷来确定发电设备.

若用最小热负荷来确定发电设备，则冬季需要更多的天然气进行补燃，这违背了热电联产的本质，显然是降低了热电联产系统的价值，达不到推广分布式热电联产、提高能源品质、促进节能减排的目的.反之，若用最大热量来确定发电设备，也是不经济、不合理的，无法充分发挥发电机组设备的利用率，使热电联产系统难以回收多余热量.

本文导入 CCHP后的配置原则为“以电定热”原则.不足的电力选择从电网补充，不足的热量采用补燃解决，电力系统“并网不上网”.采用以电定热的原则是在考虑热电比的基础上利用以电定热的思路对产生的余热达到100%的利用，虽然需要进行补燃供热，但系统的总效率还是能够达到较高的水平.因此，以电定热的设计思路应用于宾馆改进是可行的.

确定配置原则后，补燃设备采用3台2 t/h的燃气贯流锅炉.[3-4]

3.2 4种导入方案

考虑到可用于改造的空间有限，本文讨论了了4种系统方案:方案1，洋马EP350G型燃气内燃发电机组和0.188 t/h的余热锅炉;方案2，威尔信PG475B燃气轮机热电联产机组;方案3，卡特彼勒500F/C15柴油发电机组;方案4，美国联合技术公司PureCell-400燃料电池.

3.2.1 方案 1

燃气内燃机作为CCHP动力装置之一，可以和余热锅炉联合作用进行高效的余热回收，从而提高整个系统的效率.将洋马EP350G型燃气内燃发电机组作为动力装置，方案流程如图4所示.

图4 洋马EP350G型燃气内燃发电机组方案流程

由图4可知，供电方面由市电和内燃机分时段共同提供，供热方面由燃气内燃机排出高温烟气经余热蒸汽蒸发器产生蒸汽，接入锅炉房中的3台2 t/h贯流式燃气锅炉和1台7 t/h老锅炉组成的分汽缸，共同供应采暖、生活热水、餐饮蒸煮、湿衣烘干等用热需求.不足的热能由贯流式燃气锅炉补燃.制冷可以通过分气缸后直接将蒸汽送进蒸汽溴化锂吸收式制冷机组来实现，以满足宾馆的供冷需求.

3.2.2 方案 2

燃气轮机适用于“燃气轮机+溴化锂吸收式冷热水机组”的模式，充分利用燃气轮机排出的高温烟气制热，提高燃料的使用效率.方案2选择采用威尔信PG475B燃气轮机热电联产机组，它是威尔信公司最新专为热电联产所设计的一整套解决方案，具有较高的可靠性和烟气利用率，适用于宾馆的改造.其方案流程如图5所示.

图5 威尔信PG475B燃气轮机热电联产机组方案流程

由图5可知，供电方面由市电和燃气轮机分时段共同提供.燃气轮机工作时的废气排入废气回收装置，在废气热回收装置的入口上有一个机动的方向阀可以控制废气直接排放到外面，或者让废气通过热回收装置进行热回收.使用水通过初级热交换器回收缸套水的热能，再通过废气热回收装置吸收热能，进一步提高使用水温度.

图6 卡特彼勒500F/C15柴油发电机组方案流程

3.2.3 方案 3

目前对柴油发电机余热利用的研究进展远不如燃气轮机和内燃机，而柴油发电机的尾气温度高达500～600℃，具有极高的能量利用价值.综合考虑宾馆的改造空间限制和排出尾气的温度，选择卡特彼勒500F/C15柴油发电机组，其流程如图6所示.

由图6可知，供电方面由市电和柴油发电机组分时段共同提供.柴油发电机组尾气经过换热器得到热水，然后将热水通过管道输送到各用户，在夏天可以进行吸附式制冷，冬天可以直接利用热水进行采暖.同时，还可以安装一个阀门进行24 h生活热水供应.

3.2.4 方案 4

燃料电池系统能够同时产生电能和热能，并从余热中产生热气和热水.由美国联合技术公司生产的PureCell-400磷酸燃料电池是上一代PureCell-200的继任者，其使用寿命是 PureCell-200的2倍，是其他燃料电池系统的 3～4倍.PureCell-400系统由空气处理系统、供电系统、电力系统模块、热管理与水处理系统、燃料处理系统、冷却模块组成，并可以实现远程监控.方案流程如图7所示.

由图7可知，供电方面由市电和燃料电池分时段共同提供;余热利用方面，燃料电池排热产生的热量可用于供应热水和蒸汽，部分热量通过溴化锂制冷机组供冷.

图7 PureCell-400燃料电池方案流程

4 供电经济性分析

通过查阅相关资料可知，2013年上海地区工商业及其他用电类别两部制分时电价如表1所示.

表1 2013年上海地区工商业及其他用电类别两部制分时电价

除了上述的电量电价外，宾馆每月还要根据需求量缴纳40.5元/kW 的基本电价(按最大需求量计算).经过计算，可以得到各方案的供电经济收益，如表2所示.其中单位发电成本计算公式为:

表2 各方案的供电经济性比较

5 供热经济性分析

供热经济性主要由余热收益和补燃收益组成，由于方案3和方案4的发电成本都高于市电价格，所以不做考虑.方案1和方案2的供热经济性如表3所示.

表3 方案1和方案2的供热经济性比较

6 结论

(1)上海地区中型宾馆(客房数在300～600间)导入CCHP后每年可以获得大约300万元的经济收益，如果有足够的空间配置更多的机组数量，可以获得更高的收益;

(2)在各种发电方案中内燃机和燃气轮机具有较高的经济性;

(3)导入CCHP后的供热收益远高于供电收益，经计算前者是后者的4～5倍;

(4)在选择具体机组的品牌和型号时，应当着重考虑单位的发电成本，尽可能地增加自行发电时间，从而获得更多的热能.

(5)如果自行发电的单价超出市电价格不是很多，也可以考虑在该时段用CCHP系统自行发电.虽然在供电经济性上的收益有所下降，但在供热方面可以获得更多的收益.

[1]国乐军，杨洪海.天然气冷热电系统的发展趋势分析[J].电力能源，2013，34(6):21-24.

[2]李芳芹，魏敦崧.天然气热、电、冷三联供的热经济性分析[J].动力工程，2004(2):57-61.

[3]殷平.冷热电三联供系统研究[J].暖通空调 HV＆AC，2013，43(4):12-18.

[4]王超群，龙惟定.冷热电三联供实例经济性分析[J].暖通空调 HV＆AC，2004，34(4):38-41.