燃气冷热电三联供系统发电容量配置探讨

陈晨

分布式能源

燃气冷热电三联供系统发电容量配置探讨

陈晨

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

通过区域燃气冷热电三联供项目特点的分析，提出区域三联供项目与传统热电联产项目的差异性，不能直接套用“以热定电”、“以电定热”等发电容量配置原则。同时，探讨区域集中供能发电机组容量配置方法。并以上海某区域供能项目为例，对不同大小发电机组容量及不同并网方式进行分析，综合发电机组年利用小时数、发电自用比例及投资等因素给出项目发电容量配置。

区域冷热电三联供； 发电机组容量； 以热定电； 以电定热； 年利用小时数

0 引言

燃气冷热电三联供系统作为一种分布式供能系统，其能源梯级利用效率可达60%～80%[1]，对改善城市能源结构、提高电力系统供能安全性、减少CO2排放量具有重要意义。越来越多的燃气三联供系统尤其在区域能源项目中得到应用。燃气发电机组作为整个三联供系统的核心设备，其容量大小直接影响系统冷热电平衡、设备投资及运行经济性。以下针对区域燃气三联供系统进行分析，探讨该类项目中发电机组容量的配置方法。

1 区域燃气冷热电三联供能系统特点

燃气冷热电三联供系统应用范围广泛，按系统特点可以分为楼宇型、产业型和区域型。楼宇型三联供系

统主要针对某单一建筑的冷热电需求，机房一般布置在建筑内部，不需要考虑外网建设[2]，楼宇与三联供系统为同一业主，所发电力可直接供整个建筑使用。产业型三联供系统主要针对某一片产业相对集中的工业园区，主要供能对象为生产热需求，也可能兼有少量空调及生活冷热负荷。区域型三联供系统是向一定区域内的建筑群供能，往往需建设一个或多个独立能源站，同时需考虑能源供应的外网布置。系统主要应对建筑群内用户的空调和生活冷热负荷。

另外，考虑输送能效能源站一般都尽量设置在区域中心，或靠近用户的位置。其周边建筑形态及整个地块的商业价值决定能源站本体规模不可能太大，其发电容量相对传统的热电联产项目较小。一般属于《燃气冷热电三联供技术规程》GJJ145-2010[3]适用范围：“以燃气为一次能源，发电机总容量小于或等于15MW的分布式能源系统”。

2 传统热电联产项目与区域三联供系统发电容量配置原则比较

（1）传统热电联产项目把总热效率和热电比作为主要考核指标[4]。其发电机组容量的确定主要有以下两个原则：

1）以热定电：根据热负荷确定发电容量，在满足用户热负荷需求的前提下，进而确定系统电力输出容量。

2）以电定热：根据用户用电需求来确定系统的总热输出。

（2）再看区域三联供系统特点，以上原则显然不能适用。区域燃气冷热电三联供项目和传统热电联产项目在用能负荷特性、发电并网模式、能源站建设条件等方面均存在差异，不能直接套用热电联产项目中发电机组容量配置原则。

1）区域能源项目用户侧热负荷随季节、时段波动很大：商业及办公型建筑夜晚基本无需供能，仅酒店等建筑存在用能需求；过渡季空调用能需求很小。若区域内无相对稳定的基础热负荷需求用户如医院、数据机房等，以何种工况条件下的热负荷数据作为“以热定电”的前提存在不确定性。若以峰值热负荷作为“以热定电”的输入条件，势必造成发电机组容量选择过大，年利用小时数较低，系统经济性较低。

2）用电负荷同样存在波动大，无稳定基础负荷的问题。从经济性出发，夜间一般采用价格相对便宜的市网谷电蓄能而非自发电，因此“以电定热”原则的电力基础负荷数据同样难以确定。

3）传统热电联产项目所发电力一般可直接并入大电网，作为大电网的补充[3]。而受目前政策限制，区域三联供系统受目前政策限制所发电力一般仅限于能源站内部使用。在发电系统并网模式上差异很大。

不管是“以热定电”还是“以电定热”，对于区域三联供系统都无法给出一个相对确定的热负荷或电负荷输入条件，同时受目前发电模式限制，为保证系统运行经济性，需结合经济性、项目所在地政策及社会效益综合考虑。

由于区域内用户与三联供系统非同一业主，受目前供电政策条件限制，区域三联供系统所发电力不能直接供区域内建筑使用，一般仅限于能源站内部用电，系统只满足区域内建筑供冷、供热需求。区域三联供系统用户侧负荷随地域、建筑形态及用户数量而不同，需根据每个项目具体负荷特性来进行系统配置。

3 区域三联供系统发电容量配置思路

区域三联供系统发电容量配置需考虑能源价格、系统电力运行方式、能源政策等多种因素。

3.1 不同方案运行能耗成本分析

首先，对不同方案的运行能耗成本进行分析，以确定发电机组的运行时段及制冷、制热方案。区域燃气三联供系统除余热制冷、制热外，其余辅助制冷方式有电动冷水机组、直燃溴化锂机组，辅助制热方式有热泵机组、燃气锅炉、直燃溴化锂机组。制冷、制热方式的选择需根据项目所在地能源价格及项目条件确定。假定三联供系统制冷能耗成本为L1元/kWh，制热能耗成本为R1元/kWh。电制冷用市电，谷段、平段、峰段能耗成本分别为LC1，LC2，LC3元/kWh，直燃溴化锂机组制冷能耗成本为LHiBr；热泵用市电，谷段、平段、峰段能耗成本分别为Rh1，Rh2，Rh3元/kWh，直燃溴化锂机组制热能耗成本为RHiBr，燃气锅炉制热能耗成本为Rb。

根据能耗成本分析系统运行策略，见表1、表2。

3.2 发电系统运行模式分析

发电大小同时还受发电机组运行模式限制。区域三联供系统电力运行方式有孤网运行、并网上网及并网不上网三种模式。根据运行经验，系统在并网模式下更具可靠性和经济性[3]。

并网不上网模式下，所发电力要能源站自用，为满足系统运行经济性，提高发电机组运行时间，应以中低位电力负荷确定机组容量，配置相对较小，主要利用市电，和传统供能方式差异不大，节能减排效益较低。若采用并网上网模式，余热自用，可以以中高位电力负荷

确定发电容量，发电量除自用外，多余电力上网，不足部分可由市网补充，系统配置相对灵活，发电机组年运行时间较长，利用率高，系统经济性较好。

表1 不同能耗成本条件下制冷运行策略

表2 不同能耗成本条件下制热运行策略

采用并网上网模式，系统还需符合《国家电网关于分布式电源并网服务管理规则的通知》规定的上网适用范围：“35kV电压等级接入，年自发自用大于50%的分布式电源，或10kV电压等级接入且单个并网点总装机容量超过6MW，年自发自用电量大于50%的分布式电源”。因此，运行策略和并网方式确定的前提下，还需对系统全年自用电比例进行分析。

3.3 其他因素

区域三联供系统的合理设置除考虑上述因素外，还需综合考虑系统投资经济性。例如当发电机组容量配置较低，发电系统利用率虽然提高，但系统变配电容量有可能从10kV进线增大到35kV进线，变配电相关的投资成本上升。

4 项目实例

以上海某新建区域分布式三联供项目为例，供能面积96万m2建筑，建筑形态为办公及商业建筑。区域内设置一座独立能源站，为区域内建筑提供空调冷热负荷，所发电力仅用于能源站内设备。

系统采用两管制，部分地块用户自行配置少量机组以满足冬季制冷及生活热水需求。根据上海全年室外气象条件，空调供冷期为5月16日～10月15日，共150d；空调供热期为12月1日～次年3月15日，共105d。其他时间用于供冷、供热系统转换试运行和设备维护检修。

根据能源价格及设备效率，计算不同方案的运行能耗成本，见表3、表4，这里燃气热值取10kWh/m3，发电机组发电效率为42%，余热效率为40%。

表3 市电与天然气价格

由表4，系统采用燃气内燃发电机组+余热溴化锂冷热水机组+电动冷水机组制冷；供热方面由于燃气锅炉、直燃溴化锂运行成本较高，而热泵可利用自发电，一次能源利用率较高，运行能源费较低。并且在安全性、环保方面均优于燃气锅炉和直燃溴化锂，因此除余热供热外，采用热泵供热，即燃气发电机组+余热溴

化锂冷热水机组+水水热泵风冷热泵串联的方式供热。另外谷电段利用市电制冷、制热的运行成本均为最低，系统设置水蓄能，既可减少能耗成本，又能降低冷热设备和变配电投资。根据项目经验，系统水蓄能率取30%，即夏季典型日蓄冷量为全天冷负荷的30%。

表4 不同方案能耗运行成本

根据全年逐时负荷，对3MW、4.5MW、6MW、8MW、12MW、18MW、24MW 7个不同容量大小发电机组全年利用小时数进行统计。

文献[6]规定对分布式供能项目按照1000元/kW给予设备投资补贴，对年平均能源综合利用效率达到70%及以上且年利用小时在2000h及以上的分布式供能项目再给予2000元/kW的补贴。同时根据实际项目经验，为满足三联供系统的运行经济性，发电机组年满负荷运行小时数需达到3000～4000h以上[5]。由图1可以看出，发电机组容量越大年利用小时数越低。当发电机组容量为24MW，发电机组年利用小时数略大于2000h，若容量继续增大，则不满足补贴政策要求。发电机组容量低于8MW时，系统年运行时间可超过3000h。因此，该项目中发电机组配置建议不大于8MW。

图2所示若采用并网不上网模式，要满足年利用小时数2000h指标，机组容量需低于3MW，若要进一步提高发电系统利用率，发电机组容量配置则更低。自发电替代平峰段市电量较小，经济及社会效益较低。若采用直燃溴化锂方式制冷、燃气锅炉或直燃溴化锂方式制热，并网不上网模式自发电消耗量很低，仅水泵、风机等辅机设备用电，发电机组基本无法正常开机运行。因此，区域冷热电三联供系统，发电系统运行模式宜采用并网上网方式。

进一步分析并网上不上网模式下不同发电容量年利用小时数的变化趋势，如图3所示。年利用小时数随发电机组容量增大而减小，且比并网上网模式趋势更快。并网上网模式由于余热自用，发电除自用外，多余可上网，只要系统生产负荷大于发电机组余热负荷时，机组即可满负荷运行。综合图1、图3可以看出，单以年利用小时数作为指标评价，并网上网模式8MW以下发电机组年利用小时数差别并不大。

以上第3章节指出若采用并网上网模式，系统还需满足年自发自用电量大于50%的条件。图4对8MW以下发电机组系统年发电自用情况进行分析，发电容量6MW时，系统自发电略大于上网电量。对比分析3MW、4.5MW、6MW几种方案，若发电容量取3MW，市电配电容量超过8000kVA，需采用35kV进线，变配电设备成本较高，配电机房面积较大，设备、土建及市政配套费用较大。另外，能源站一般采用两路电源供电，用电负荷一般采用对称方式分布在两段母线上，对于并网上网模式，发电机组也适宜采用对称分布方式，最大化提高发电机组的利用效率。即采用偶数台配置，结合市场发电机组容量规格，最后选用4台1.5MW发电机组。

5 结语

（1）燃气冷热电三联供系统实现了能源梯级利用，作为区域能源供应方式的一种，既有经济效益又有社

会效益。

（2）区域式冷热电三联供项目在用户负荷特性、发电运行模式、项目规模及建设条件上不同于传统热电联产项目，不可直接套用传统热电联产项目中“以热定电”、“以电定热”原则。

（3）区域三联供系统发电机组容量大小取决于系统负荷、能源价格、能源政策及初投资等综合因素。

（4）区域冷热电三联供系统发电系统宜采用并网上网模式，提高机组利用效率。

（5）区域冷热电三联供系统发电容量还需考虑设备、变配电、土建投资等因素。

[1]高茜.浅谈燃气冷热电三联供系统的发展及优势[J].中国石油和化工标准与质量 2012，32（5）:91.

[2]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.

[3]燃气冷热电三联供技术规程（CJJ 145-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]张建业，徐述.电联产项目中机组的选型及参数确定方法[J].电力设备，2008，9（1）:72～75.

[5]龙惟定.分布式能源热电联产“以热定电”的新理解[J].暖通空调，2011，41（2）:18～22.

[6]上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法[Z].沪府办发〔2013〕14号

Reaserch of Power Capacity in Regional Combined Cooling，Heating and Power System

CHEN Chen
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Analyzesthecharacteristicsofregional gascombinedcoolingheatingandpower（CCHP）projects,andthe differencesbetweenCCHPprojectsandtraditional combinedheatandpowergeneration(CHP)projects.Pointsouttha“tdetermining power by heating load”,“determining heating load by power”principles is not appropriate for CCHP projects. Meanwhile,puts forward the method of determining power capacity in the regional CCHP.Takes a regional energy supply projectinShanghai asanexample,analyzesthesystemperformanceindifferent power capacities.Gives thepower capacity consideringannual powergenerationhours,self-occupiedpowertototal generatingpowerratioandtheinvestment.

regional combinedcooling，heatingandpowerenergy； powercapacity； determiningpowerby heatingload； determiningheatingloadbypower； annual utilizationhours

TM611

B

2095-3429（2016）03-0001-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.001

2016-05-03

修回日期：2016-05-30

陈 晨（1983-），女，江苏滨海人，硕士，工程师，主要从事区域能源站及暖通空调设计工作。