天然气分布式系统“以电定热”与“以热定电”运行模式分析研究

张璇哲 孙峻

摘  要：“以电定热”和“以热定电”是天然气分布式系统两种传统的运行模式。“以电定热”是以电需求为基准，来确定系统的热需求（冷、热负荷）输出;相反的，“以热定电”是以热需求（冷、热负荷）为基准，来确定系统的电力输出。但在生产实践中，采用何种运行模式，才能更好的提高能源利用率，目前仍没有一个明确的界限。文章以武汉某天然气分布式能源站为例，在其年实际生产运行数据的基础上，以“年平均能源综合利用率、热电比和供热比”这三个指标进行评价，定量分析“以电定热”和“以热定电”两种运行模式，给出相应的运行建议：在冷热负荷需求较大时，采用“以热定电”方式运行，能有效的提高能源综合利用率及其他指标。在过渡季节，可采用“以电定热”方式运行，或对机组进行检修保养。冷热负荷是天然气分布式能源站高效率运行的一个重要的前提条件。提高负荷的需求量，才能更好的提高能源综合利用率。

关键词：以电定热;以热定电;年平均能源综合利用率;热电比;供热比

中图分类号：TM621         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0080-04

Abstract： "Determining heat by electricity" and "determining electricity by heat" are two traditional operation modes of natural gas distributed system. "Determining heat by electricity" is to determine the required heat demand （cold and heating load） of the system based on electricity demand; on the contrary， "determine electricity by heat" is to determine the power output of the system based on heating demand （cold and heating load）. However， in the production practice， what kind of operation mode， in order to improve the energy efficiency， there is still no clear boundary. Taking a natural gas distributed energy station in Wuhan as an example， on the basis of its annual actual production and operation data， this paper evaluates it with the three indexes， "annual average energy comprehensive utilization ratio， thermoelectricity ratio and heating ratio". This paper quantitatively analyzes the two operation modes of "determining heat by electricity" and "determining electricity by heat"， and gives the corresponding operation suggestions： when the demand of cooling and heating load is large， the mode of "determining electricity by heat" can effectively improve the comprehensive utilization rate of energy and other indexes. In the transitional season， the "determining heat by electricity" mode can be used， or the unit can be overhauled and maintained. Cooling and heating load is an important prerequisite for the efficient operation of natural gas distributed energy station. Only by increasing the demand of load can we better improve the comprehensive utilization rate of energy.

Keywords： determining heat by electricity; determining electricity by heat; annual average comprehensive energy utilization ratio; thermoelectric ratio; heating ratio

引言

天然氣分布式系统以其能源利用率较高、节能效果显著、污染少等特点，受到研究机构及大众的广泛关注。目前而言，“以电定热”和“以热定电”是天然气分布式系统两种传统的运行模式。“以电定热”是以电需求为基准，来确定系统的热需求（冷、热负荷）输出;相反的，“以热定电”是以热需求（冷、热负荷）为基准，来确定系统的电力输出。

关于“以电定热”和“以热定电”的问题，国内外已有研究机构、学者通过多种评价指标对其进行了评价分析。康书硕等[2]是将热电比和回热温度相结合，定量分析其对系统热电输出的影响;吴巍等[3]、高弈等[4]则是采用负荷模拟的方法，构建相应的指标模型，分析两种运行方式的能效特点。同时，国外的一些学者也对此问题做了探讨。但以上学者多数采用负荷模拟的方式来进行研究分析，未真正从实际负荷数据角度去分析。

本文以武汉某天然气分布式能源站为例，在其年实际生产运行数据的基础上，定量分析“以电定热”和“以热定电”两种运行模式，给出相应的运行优化建议。

1 项目设备情况及运行模式

该项目已投运主要设备为：1台4.3MW内燃发电机组，1台烟气热水型溴化锂机组，3台7.032MW离心水冷机组，2台7MW型天然气热水锅炉，2台6t/h蒸汽锅炉，12台600t/h、温差5℃的冷却塔，1台400m3生活热水蓄水箱。该项目已于2017年9月正式投产，主要负荷为某星级酒店。

根据当地气候特点，该能源站主要运行模式为：

1.1 夏季运行模式

内燃机燃烧天然气，产生三种能量，电能、高温烟气的余热、高温水的余热。电能基本可满足酒店的用电负荷及站内自身耗电，在用电高峰时，不足的电量可以由市网买电补充;内燃机高温排烟可作为烟气热水型溴化锂制冷机组的高发热源直接供冷，供冷后的排烟温度约降至120℃;而90～95℃的缸套水作为烟气热水型溴化锂制冷机组的低发热源进行供冷，供冷后温度降至75℃回到内燃机内继续利用。由于烟气热水型溴化锂制冷机组的的配置是主要满足基本冷负荷，当出现用冷负荷量超过烟气热水型溴化锂制冷机组的制冷量时启动调峰的离心式电制冷机组，按照满足实时的制冷量要求按顺序开启，直到满足最大冷负荷要求为止。当冷负荷由高值降低时，以相反的顺序先降低单台制冷机的出力，当降低的负荷量达到单台电制冷机的额定制冷量时，关闭一台制冷机，以此类推。

生活热水的热负荷由热水锅炉提供，蓄热水箱作为调峰设备，满足各项生活热水的需求。热水锅炉提供的供回水温度为65℃～55℃。

具体如图1所示。

1.2 冬季运行模式

冬季模式的三联供工艺与夏季模式雷同。由于烟气热水型溴化锂制冷机组的配置是主要满足基本的热负荷，当出现用热负荷量超过烟气热水型溴化锂制冷机组的制热量时启动调峰的热水锅炉，按照满足实时的制热量要求按顺序开启，直到满足最大热负荷要求为止。当热负荷由高值降低时，以相反的顺序先降低单台锅炉的出力，当降低的负荷量达到单台锅炉的额定制热量时，关闭一台锅炉，以此类推。

生活热水的热负荷由内燃机缸套水供给基本负荷，不足部分由燃气锅炉补充。同样，蓄热水箱依旧起调峰的作用。

具体如图2所示。

1.3 过渡季节运行模式

过渡季节烟气热水型溴化锂制冷机组以制冷工况为主，不足的冷负荷由电制冷机组补充，供热负荷由锅炉提供。热水负荷仍然由热水锅炉供给。

2 系统评价指标与计算

由于目前分布式能源行业尚无相关标准可供执行，所以类似项目的评价指标主要参考火力发电和热电联产的相关规定和标准。本文主要从年平均能源综合利用率、热电比和供热比这三个指标进行评价。

2.1 系统评价指标

（1）年平均能源综合利用率

式中N为年平均能源综合利用率，%;W为年联供系统净输出电量，kW·h;Q1为年有效余热供热总量，GJ;Q2为年有效余热供冷总量，GJ;B为年联供系统燃气总耗量，m3;QL为燃气低位发热量，kJ/m3。

对于热电联产（CHP）的年平均能源综合利用率N应达到的值，国家发改委有明确的规定。但是对于燃气CCHP系统，目前只有行业标准CJJ145-2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》和国家发改委、住建部、能源局联合印发的《天然气分布式能源示范项目实施细则》中给出的指标：“联供系统的年平均能源综合利用率应大于70%”。应注意的是，式（1）中的年有效余热供冷总量不应包括CCHP系统中电制冷冷水机组的冷量。

（2）热电比

关于CHP的热电比，国家发改委有明确的规定;但是CCHP系统目前没有任何文件给出相应规定，而热电比是CCHP的重要經济指标。

（3）供热比

式中Qy为全年有效余热供热和供冷总量，Qy=Q1+Q2，GJ;Qq为全年天然气可提供的总热量，Qq=10-6BQL，GJ。

2.2 年度实际负荷曲线

该能源站目前运行模式为“以电定热”，图3为该能源站2018年冷热电实际负荷曲线。

2.3 指标计算

根据以上负荷情况，我们分以下情况进行指标计算：

（1）根据实际负荷计算（图4、图5、图6）

（2）冷热负荷需求量增加情况

根据前面的分析，我们发现末端负荷需求量对各项指标有一定的影响。基于这个因素，我们假设末端负荷为当前实际负荷的2倍，可以得到各指标的数据（图7、图8、图9）：

3 指标分析结果与讨论

3.1 年度实际冷热负荷分析

通过对年度冷热电实际负荷曲线分析，我们可以发现：

（1）该能源站末端用户负荷需求比较明确。5-9月冷负荷需求较大;11-12月、1-2月热负荷需求较大。过渡季节冷热负荷均较小。考虑三联供系统的特性，在过渡季节，当冷热负荷较小时，存在较多的能量浪费。

（2）该能源站制冷负荷持续时间大于制热负荷持续时间。

（3）过渡季节发电量较多，冷热需求量较大季节发电量反而偏小。考虑三联供系统的特性，机组在冬、夏季节，冷热负荷需求较大时，应多发电，这样能充分利用高温尾气，提高能源综合利用率。但本能源站在6-7月份时，未能充分发电，发电量较少，未能达到能源的高效利用。同时，在过渡季节，冷热负荷需求较小时，即3-4月和10月，应适当控制发电量，进行机组检修保养，保证冷热负荷需求较大时，机组能正常稳定运行。

3.2 指标分析

（1）通过对图4-图6和图7-图9的对比，我们可以看到，当冷热负荷需求较大，即夏季和冬季时，“以热定电”的各项指标优于“以电定热”的各项指标。但是在过渡季节，冷热负荷需求量较小时，如采用“以电定热”，则能保证各指标仍比较优异。

（2）横向对比图4和图7、图5和图8、图6和图9，我们可以发现，冷热需求负荷增加后，虽然各指标的整体趋势与前一种情况类似，但分析实际数据，我们能清晰的发现，负荷增加后各项指标的优异情况更明显，即能源的利用情况更加理想。

（3）在夏冬季冷热负荷需求较大时，建议采用“以热定电”方式运行，这样能有效的提高能源综合利用率及其他指标。但是在过渡季节，冷热负荷需求量较小时，宜采用“以电定热”，这样能保证各指标仍比较优异。

4 结束语

本文以武汉某天然气分布式能源站为例，通过对“以电定热”和“以热定电”两种运行模式下，年平均能源综合利用率、热电比和供热比等三个指标进行评价，得出以下结论：

（1）在冷热负荷需求较大时，采用“以热定电”方式运行，能有效的提高能源综合利用率及其他指标。在过渡季节，宜采用“以电定热”，或对机组进行检修保养。

（2）冷热负荷是天然气分布式能源站能高效率运行的一个重要的前提条件。提高负荷的需求量，才能更好的提高能源综合利用率。

参考文献：

[1]殷平.冷热电三联供系统研究（3）：经济分析[J].暖通空调，2013，43（6）：91-97.

[2]康书硕，等.冷热电联供系统中“以热定电”与“以电定热”的分析研究[J].建筑科学，2012，10（28）：255-265.

[3]吴巍，等.燃气分布式能源“以热定电”和“以电定热”运行模式下的能效对比分析研究[J].工业加热，2018，47（5）：5-11.

[4]高奕，等.酒店冷热电三联供系统不同模式下运行工况的研究[A].供热工程建设与高校运行研讨会论文集[C].2017，5：307-316.