某酒店天然气分布式能源系统设计特点及运行情况评价

徐 明 吴伟炯 周琪凯

上海齐耀动力技术有限公司

0 概述

天然气分布式能源是指以清洁的天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心附近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。与传统集中式供能方式相比，天然气分布式能源具有能效高、经济效益好，清洁环保，保障能源供应安全性和可靠性等优点，此外还具有城市电网和燃气管网双重调峰的社会效益。

根据中国城市燃气协会分布式能源委员会的统计，自1998年国内第一个项目建成开始，天然气分布式能源在我国经历了二十多年的探索和发展。截至2015年底，我国建成127个天然气分布式能源项目，总装机达到1 405.5 MW。其中上海市建成了46个项目，总装机容量395.5 MW。上海市政府先后出台了多项政策鼓励天然气分布式能源的发展，天然气分布式能源逐渐成为大型楼宇、工业用户、区域综合能源供应系统的重要形式，具备了规模化快速发展的条件。

随着国内对天然气分布式能源认识的深入和实践，能源用户对分布式能源系统的要求也不断提高，某酒店根据当地的能源供应条件不但提出了综合能源利用率高的节能要求，同时也提出互补供能、应急供电和供热等提高酒店能源供应安全性、系统无人值守、易于维护等目标。为了满足用户需求，本项目从燃气发电机组的参数设置到天然气分布式能源系统的设计进行了多方面的创新，达到了综合能效高、应急供能可靠、系统友好易用的建设目标。

1 项目背景

成都某度假酒店位于某风景区内，紧靠正在建设的度假小镇。酒店内拥有四百余间客房，2 000平方米的宴会设施；逾1万平方米的水上乐园。酒店建有独立能源站房，建筑面积约1 000多平方米，内有洗衣房、冷冻机房、开关站、水泵房、锅炉房等设施。站内安装四台2 200 kW燃气热水锅炉，四台制冷量450冷吨的离心式制冷机和配套辅机系统。能源站通过埋地管道将热水和冷冻水输送至酒店主楼供酒店使用。

酒店电力来自能源站的开关站，开关站的电力接入为农网单回路10 kV专线进线，供电可靠性较差。每年会有多次的电网检修或临时线路故障，导致酒店停电。停电时间从几小时到一天。虽然远期规划两路进线，但为解决目前临时停电问题保障酒店运行，能源站配置一台500 kW的应急柴油机组，供电网停电时使用。站内设两台10/0.4的降压变，通过埋地电缆，将电能输送至酒店主楼。

能源站采用合同能源管理模式，由当地的能源公司投资建设并负责运营。能源公司向酒店售电和售热，满足酒店生活热水、供冷供热和用电需要。酒店冬季用热较多，夏季用电较多，总体用能负荷热电比接近1。考虑当地较低的气价和年可运行小时数较多，采用分布式供能项目能源站可获得较好的经济和社会收益。

2 项目工艺路线

依据酒店的用热和用电的实际情况，能源站一期安装一台装机容量为1 165 kW的中压燃气发电机组。额定工况下可回收热负荷为1 226 kW，可产95℃热水约35 t/h。项目利用原有的洗衣房改建为发电机房，同时房内预留一台机位，作为未来度假小镇的供能备用。发电机组所发电力直接接入能源站开关站内10 kV母线，经降压变降压后供酒店使用。发电机组的辅机用电来自开关站内低压开关柜。发电机组的余热回收采用板式换热器和烟气换热器串联形式，回收发电机组缸套水和烟气余热，实现总能源利用率大于80%。

由于该酒店的供电可靠性较差，客户要求机组具备黑启动功能。在项目设计中对启动关键设备预润滑油泵采用EPS供电，确保机组黑启动时机组预润滑的需要。

分布式系统建设独立的监控系统，实现对发电机组和辅助系统的远程监控。现场安装数据转发设备，将监控系统的数据通过因特网转发至数据中心服务平台。现场数据转发设备预留通信接口，方便后期扩展。酒店天然气分布式能源系统流程见图1。

图1 酒店天然气分布式能源系统流程图

3 项目设计特点

本项目的余热回收装置采用模块化、标准化设计的理念，将水泵、板换、调节阀、仪表等余热回收装置集成在公共底座上，形成图2所示的撬装模块。采用标准化的元器件，降低采购成本和维护成本，缩短加工周期。模块在工厂中完成组装和部分的调试工作，整体运输至项目现场，大幅降低了现场安装调试工作量，缩短了现场施工周期，降低了建设成本，同时提高了模块的质量和易维护性。

图2 余热回收利用模块

该项目在运行模式上，除了实现分布式机组通常要求的并网不上网功能的同时，还满足酒店孤岛运行的要求，具备实现孤岛和并网的无扰切换功能，即确保孤岛和并网模式转换之间保证酒店的连续供电。如图3所示，机组通过对GCB和MCB的控制，配合自动甩负荷装置，实现机组在并网和孤岛模式之间的无扰切换。为实现此功能，在电网侧加装了电压互感器，以便机组对MCB进行同期控制。当电网断电时，机组通过继保设备检测到电网侧电压、频率和相位的波动，当达到整定保护值时，断开MCB开关，机组自动转入孤岛模式，实现酒店的孤岛运行。当电网侧的PT检测到市电的电压恢复时，机组延时2分钟后开始同期合MCB，自动转入并网运行，在此期间GCB保持合闸状态，保证了机组不间断供电。在并网转孤岛过程中，为避免机组所带负载波动过大或超载导致跳机，开关站配备了自动甩负荷装置。装置实时检测MCB状态和电网侧电压，确保机组转入孤岛运行模式时及时将部分三级负荷自动卸载，使机组负荷波动满足负荷特性曲线要求，实现孤岛和并网模式的无扰切换。

图3 分布式能源系统并网原理图

在模式切换的测试过程中发现机组自带的PLC继电保护设备并不能及时反映电网失电的故障情况，往往需要延迟7-8秒才能分离MCB。对于上级开关存在重合闸的情况下容易对发电机组产生冲击。为确保及时反映市电故障情况，加装了woodward的发电机保护继电器MRG3。通过该装置vector shift这一保护功能，实现电网失电后2秒内的MCB分闸，确保机组运行安全，满足分布式电源并网技术要求。

该分布式能源系统除了采用集中监控系统，实现机组的就地和远程启停外，现场还设计安装了数据转发模块。通过模块将集中监控系统中的数据通过因特网实时发送至城市天然气分布式能源智能监测及综合服务平台，如图4所示。该平台将现场数据与监测中心有机联系起来，实现现场实时数据的采集及监测。同时该平台对系统的运行状况进行评价，通过负荷预测、能效分析、财务分析、节能与减排计算、故障诊断等功能来对比项目运行情况，给出项目最佳运行模式的功能，得到最佳的运行方案。在已有数据的基础上，服务平台还可建立优化模型，及时预测与发现系统的异常状态，为现场系统的可靠运行提供保障，这一装置方便了用户和维护人员对现场情况的掌握。

优化后的项目运行方案植入项目现场集控模块，实现了项目现场无人值守和远程巡检，降低系统的维护管理成本。

图4 城市天然气分布式能源智能监测及综合服务平台

本项目机组还需具备常规燃气机组所不具备的孤岛运行能力。机组孤岛运行时其电压波动和频率波动满足《ISO 8528-5-2018往复式内燃机驱动交流发电机组》G3的运行限值要求。根据该标准机组运行期间在带不同荷载情况下允许6%～15%到的负荷波动。机组低负荷情况下能满足最大170 kW左右的波动。能源站最大荷载为316 kW制冷机，制冷机单个电机158kW且变频启动。因此，能满足燃气机带荷载要求。区别于应急柴油机，分布式燃气机组应急散热辅机通常为电力驱动，且在机组启动前启动。此启动方式导致对应急散热辅机供电的不间断电源容量要求较高，项目整体一次投资较大。为解决此问题本项目机组的应急散热辅机电源由发电机组直接供应。由于机组为高压机组，辅机电源还需经过变压器，为确保机组所发电力能及时供应，其辅机电源开关采用送电后自动投切。为避免变压器空载合闸时励磁涌流导致跳闸，对变压器保护开关过流保护整定值进行了调整。将发电机组的启动保护判断延时时间调整至10 s。为保证机组启动前预润滑油泵的及时启动，预润滑油泵的电源采用EPS电源供应。在一系列的调整参数和供电调整后，经实地调试，燃气机组实现了黑启动功能。

4 运行情况评价

本天然气分布式能源系统于2017年末正式投运，目前稳定运行时间大于两年，现场设备系统见图5。

图5 某酒店天然气分布式能源系统设备现场图

截至2019年12月该项目年利用小时数2 857.72 h，年均能源综合利用率达到87%，发电机组黑启动、孤岛和并网的无扰切换成功率100%，年节能量达到618.16 tce标煤，年二氧化碳减排量达到1 607.22 t，圆满达到各项系统设计指标。运行数据见表1。

表1 某酒店天然气分布式能源系统运行数据

5 结论

本分布式能源系统通过技术设计创新和设备的控制参数优化，充分挖掘了天然气发电机组的黑启动和孤岛运行性能，满足了用户能源供应高效节能和可靠安全的需求。模块化的设计和标准化的生产也提高了天然气分布式能源系统的建设质量和易维护性，大幅度缩短了项目建设安装工期。虽然在孤岛运行方面燃气发电机的带荷载性能还不如应急柴油机，但此次机组的成功调试和投运是一次很好的尝试，为以后燃气分布式系统拓展应用范围和提高用户能源供应系统安全性进行了有益的探索。