分布式能源系统方案设计示例

重庆燃气集团股份有限公司 李志琴

中美绿色能源技术有限公司 胡 滨 姚钰锋 吴 竺

1 分布式能源系统

分布式能源系统(Distributed Energy Resource，DER)是将发电系统与供冷、供热等供能系统整合在一起，通过能源梯级利用的方式，如利用天然气、太阳能等清洁能源，满足用户的冷、热、电等各种负荷需求的供能方式。

在当前能源短缺、环境污染严重的形势下，分布式能源系统是提供这种严峻现实解决方案的重要研究方向，具有能源利用效率高、环境友好、输送损耗低等优点。

(1)能源利用效率高：通过能量的梯级利用，整个系统等能源利用率可达80%以上；

(2)环境友好：利用天然气、太阳能、风能等清洁能源，降低了污染物的排放，温室气体排放量减少50%以上，硫化物及烟尘排放量基本为零；

(3)能源输送损耗低：分布式能源站设立在用户附近，能源输送半径小，输送过程损耗低，并且极大地提高了系统的安全性和可靠性。

2 分布式能源系统配置方案分析

分布式能源系统具有同时产生多种不同能量的特性，而实际上冷、热、电负荷的变化是十分复杂的，需要对用户的冷、热、电等各种负荷充分分析后才能对发电设备、供热设备以及制冷设备等进行选型，选型与实际需求之间的匹配度会直接影响到整个系统的能源利用率、投资收益等。因此，如何最优化的配置分布式能源系统是设计中的关键问题。

本文结合某瓷砖产业园的实际用能情况，详细介绍了该产业园的分布式能源系统，并对相关经验进行了总结。

2.1 产业园用能分析

该产业园属于重点用电园区，供电系统为10kV进线，配有3个7500kVA、1个9450kVA和1个1000kVA的变电站。其中一个变电站配有3台2500kVA的变压器，用电负荷较大，且用电负荷波动较小。其余变电站均为间歇性用电，用电波动性大。

产业园内宿舍及办公建筑面积约21000m2，员工人数约 1000人左右。据估算，制冷负荷约1693kW，生活热水日均需求量约36 t。产业园冷热水供应时长分别为：宿舍，24 h；办公楼，日间工作时间10 h。

该瓷砖产业园日均干粉产量为2200 t，以含水率由35%烘干至6%计算，烘干这部分水分所需热量为27 MW。干燥塔所需热风温度为550 ℃，每运行15 d停运1～2 d。

2.2 分布式能源系统设计

本项目分布式能源综合供能系统由燃气发电设备、余热利用设备(用户自有的热风炉)、其他补充供能设备和相关辅助设备等构成，本项目能源需求为电力、热风、生活热水与冷冻水。根据项目特性及分布式关键设备性能，拟采用以燃气轮机、热泵和冷水机组共同组成的分布式能源综合供能系统，系统输出电力、热风、热水与冷冻水。

2.2.1 系统发电机组的选择

目前天然气分布式能源系统中主要的发电方式为燃气轮机、燃气内燃机以及微燃机。根据《分布式供能系统工程技术规程》(DG/T 508—115—2008)，分布式能源系统的机组容量的确定应根据电负荷、热(冷)负荷的特性以及负荷大小合理确定。对本项目而言，其热电比为 4.7。对中小型燃气机组而言，当热(冷)电比大于1时，项目发电与余热利用规模按照“以电定热”原则，否则在电力无法上网的情况下会造成能源的浪费。因此，在本项目中按照“热电联产、以电定热、自发自用、并网不上网”为原则进行设计，并选择燃气轮机为发电设备。

根据产业园预测平均负荷率及平均功率因数计算可知，其中一个变电站的平均电功率为5865kW，因此该分布式能源系统的总装机容量宜在6000kW左右。

综合考虑发电量、机组尺寸、发电机组空间以及产业园用能情况，选择1台5860kW燃气轮机。

2.2.2 余热回收设计

分析实际情况后得出该产业园内对热(冷)的需求主要是干燥塔热风需求、生活热水以及夏季空调制冷需求，如表1所示。

表1 制冷、热水、热风以及可利用余热量

从上表可以看出燃气轮机余热量远大于生活热水及制冷负荷需求量，且生活热水及制冷负荷昼夜波动较大，热风负荷与燃气轮机运行时间较为吻合，且燃气轮机余热可以得到全部利用。

3 系统运行模式

根据该产业园的负荷特性，采用以燃气轮机、热泵和冷水机组共同组成的分布式能源综合供能系统，系统输出电力、热风、热水与冷冻水。该系统以燃气轮机为核心，燃气轮机利用天然气发电，其排烟热量作为热风提供给喷雾干燥塔(不足热风由工厂原热风炉补充)；燃气轮机的冷却水的废热，通过热泵将其提升至 55～60℃后作为生活热水利用。

该产业园分布式能源系统流程见图1。

图1 分布式能源系统流程

3.1 发电

发电机所发电能，除一小部分供给能源站内部辅助用电设备外，其余电能可作为可靠连续的供电电源，与用户10 kV市电电源一起组网，采用并网不上网的方式并列供电，为用户提供可靠性更高的供电电源。

3.2 热风供应

燃气轮机排烟口与产业园喷雾干燥塔配套热风炉相连接，燃气轮机排烟全部进入热风炉。热风炉同时还配备天然气燃烧器，从而实现热风炉的风量、温度双重调节。

3.3 热水供应模式

过渡季节和冬季采暖时，通过热泵将燃气轮机关键部件的冷却水进行回收利用，升温后的热水用于宿舍和办公楼的生活热水，提高能源利用率。

3.4 冷水供应模式

考虑到燃气轮机的余热已经充分被利用，制冷季制冷时，采用2台1 055 kW的高效离心式冷水机组为宿舍和办公楼供应冷冻水。

4 经济效益分析

设计该分布式能源系统全年运行 330 d，系统除正常检修外，每15 d停机1 d(喷雾式干燥塔要求)，机组运行时为24 h运行。

4.1 经济效益分析

按照分布式能源系统的优惠气价为1.74元/m3，生活热水12元/t，系统经济性分析见表2。

表2 分布式能源系统经济性分析

可以看出，分布式能源系统提供的电能、热风、冷冻水和生活热水与现有分产(市政电网+燃气热风炉+燃气锅炉+离心式制冷机)相比，本分布式能源系统年节省能源费用约377万元。

4.2 年平均能源综合利用率分析

根据《燃气冷热电三联供工程技术规程》(CJJ 145—2010)，天然气分布式能源系统年平均能源综合利用率计算公式为：

式中：η——年平均能源综合利用率；

W——年供电量，kWh；

Q1——年余热供热量，MJ；

Q2——年余热供冷量，MJ；

B——年燃气耗量，m3；

QL——燃气低位热值，MJ/m3。

根据表2中所示分布式能源系统运行数据，利用上式计算该能源系统的年均总能源利用率，得到系统年平均能源综合利用率为91.2%，符合国家对天然气分布式能源全年综合利用效率大于 70%的要求。

5 结语

(1)本设计方案所描述的“燃气轮机发电机组+补燃型热风炉+余热利用水源热泵+高效离心冷水机组”分布式能源系统，充分利用了天然气这种清洁能源，实现了能源的梯级利用，同时回收了机组冷却的余热加以利用并提升，提高了能源利用效率，同时又降低了能源系统运行费用，提高了供能安全水平。

(2)分布式能源系统在工业产业园应用时必须根据实际情况，综合考虑各类能源的需求量以及需求时段，综合考虑各方面因素来确定分布式能源系统的配置。