基于燃气分布式能源的综合能源系统应用分析

马伟

上海航天智慧能源技术有限公司

0 引言

随着我国经济快速发展和“碳达峰、碳中和”目标的提出，减少碳排放的综合能源技术得到了更广泛的关注和讨论[1]。天然气分布式能源、蓄能等能源技术因为其能源综合利用效率高、清洁环保、经济节能等特点，在产业园区、商办楼宇、数据中心、酒店等不同场景供能系统中得到了应用研究[2-3]。

面向终端用户电、热、冷等多种用能需求，将分布式能源、蓄能、地源热泵、常规供能或可再生能源等两种或多种供能形式耦合起来，实现多能协同供应和能源综合梯级利用的综合能源供应系统，就近向园区内集中供应电能、空调冷水、采暖热水等，能有效地降低能源消耗、减少碳排放并提高项目经济效益[4-5]。

本文以上海市某产业园区为例，研究分析了基于分布式能源技术及水蓄能技术的综合能源系统的技术方案、技术经济性、节能减排效果等。

1 综合能源系统原理

1.1 综合能源系统组成

燃气分布式能源为核心，与蓄能技术、常规电制冷及锅炉供热等能源技术耦合，形成综合能源系统，属于第三代分布式能源技术[6]，可满足区域能源冷、热、电协同供应需求，节约供能成本，实现能源梯级利用。工艺系统原理见图1。

图1 综合能源站工艺系统原理图

1.2 燃气分布式能源

燃气分布式能源是以天然气等为燃料，采用内燃机、燃气轮机等原动机发电，并利用不同能源品位的烟气或缸套水等余热制冷或制热，可为用户提供冷、热、电等多种能源形式，布置在负荷中心附近的供能系统[7]。分布式能源系统实现了能源梯级利用，提高了能源综合利用效率，节约一次能源，降低碳排放。

分布式能源系统根据供能种类的不同，可分为热电联供系统或冷热电三联供系统（CCHP）。其中热电联供系统主要用于蒸汽、热水等热负荷而冷负荷较少的工业或商业项目。冷热电三联供系统主要用于空调冷热负荷为主的公建项目。

本项目主要负荷为空调冷热负荷，所以采用燃气冷热电三联供形式的分布式能源系统，原动机选用发电效率较高、功率段合适的内燃机。典型的冷热电三联供系统由燃气发电机组、余热型溴化锂冷热水机组以及燃气进气系统、烟气脱硝系统、冷却系统、并网配电系统等辅助系统组成。典型以内燃机为原动机的燃气冷热电三联供（CCHP）分布式能源系统流程示意图见图2。

图2 燃气冷热电三联供分布式能源系统原理图

1.3 蓄能

蓄能技术是将冷热能以显热和潜热的形式储存在介质中。常用的蓄能技术有水蓄能和冰蓄能。

水蓄能是利用水的显热进行冷量或热量储存的，它具有初投资少、系统简单、维修方便、技术要求低、兼顾蓄冷蓄热等特点[8]。但常规的水蓄冷系统单位容积蓄冷量较小，使得占地面积和和空间较大。

冰蓄冷是利用乙二醇溶液的相变潜热进行冷量的储存，与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的蓄能能力提高，并可使蓄能槽体积减小。但冰蓄冷系统的技术要求较高，必须使用特定的双工况制冷机组，制冷剂的蒸发压力要低，压缩机耗能高。冰蓄冷系统需增加乙二醇溶液系统，设计和运行维护比水蓄冷系统复杂很多。冰蓄能只能蓄冷不能蓄热[9]。

鉴于水蓄能在初投资、运行维护和兼顾蓄冷蓄热的优势，本项目综合供能系统建议采用水蓄能系统。

2 负荷分析

本项目供能范围园区总占地面积12.5 公顷，其中空调建筑面积16.45 万m2，建筑业态包括商业、办公、酒店等。办公建筑园区内各地块情况及设计负荷数据见表1。本项目综合能源站设计总冷负荷为18.5 MW，设计总热负荷为11.5 MW。

表1 园区各地块建筑面积及设计负荷

园区不同建筑业态负荷叠加后的典型日逐时冷热电负荷波动情况见图3。

图3 典型日逐时冷热电负荷波动图

3 系统设计

3.1 设计原则

①采用“并网不上网”方式，燃气发电机组10 kV出线，所发出的电能全部供园区自身消纳。

②最大限度利用发电机组余热制冷制热，保持系统的高效运行。

③利用夜间电价低谷时段蓄冷蓄热，日间高峰时段释热。

3.2 设备配置

本项目综合能源站由燃气冷热电三联供分布式能源系统、水蓄能系统和电制冷机、锅炉等常规供能系统组成。

1）考虑到分布式能源系统的单位投资、负荷稳定性要求相对较高，选用2 台1000 kW 燃气内燃发电机组，同时配套2 台烟气热水型溴化锂机组，满足基础负荷，提高分布式能源系统全年稳定满发运行小时数。

2）综合考虑尖峰负荷、投资、占地等条件，水蓄能系统设置4000 m3蓄能水罐，削峰填谷，降低能源中心运行费用。

3）常规供能系统设置2 台1500RT 离心式制冷机组，2 台500RT 磁悬浮制冷机组和2 台4200 kW 燃气真空热水锅炉，用于调峰及备用，2 台1050 kW 电真空热水锅炉用于夜间蓄热。

表2 综合能源站主要设备表

3.3 运行策略

综合能源系统依据预测曲线并结合实际负荷波动追踪运行，白天优先运行分布式能源系统及蓄能系统的释能工况，电制冷或燃气锅炉作为调峰机组，夜间电制冷机或电锅炉进行蓄能工作。全年运行时间为2640 h。

4 技术经济分析

4.1 工程投资

本项目综合能源站土建由园区总体负责，投资仅考虑机电设备采购、安装等机电工程费用，项目投资概算约6992 万元（表3）。

表3 综合能源站机电工程投资（单位：万元）

4.2 计算边界条件

1）能源价格

①电价：上海市10 kV 一般工商业分电价表见表4。能源站供能期间全年加权平均电价为0.731 元/kWh，蓄能期间全年加权平均电价为0.254 元/kWh。

表4 上海市10 kV 一般工商业分电价表

②燃气价格：燃气锅炉气价按市场价3.8 元/Nm3，上海市分布式能源优惠气价为2.7 元/Nm3。燃气热值35.5 MJ/Nm3。

③冷热价格：0.6 元/kWh。

2）负荷率预测

前四年负荷率10%、30%、50%，80%，第四年后负荷率90%稳定达产运行。

3）节能补贴

根据上海市2020 年7 月发布的《上海市天然气分布式供能系统发展专项扶持办法》，本项目分布式能源系统装机2000 kW，年运行小时数2640 h，能源综合利用效率85.8%，可享受上海市节能补贴标准为1800 元/kW，总计360 万元。

4.3 技术经济数据

本项目综合能源站在100%负荷率运行时的全年技术经济数据，见表5。

表5 综合能源站运行技术经济数据汇总

4.4 经济效益分析

项目建设期1 年，运营期20 年，分别计算综合能源系统及分系统的投资经济效益（见表6）。项目内部收益率8.2%，投资回收期11.1 年，通过分布式能源和水蓄能的应用提高了综合能源站的经济性。

表6 综合能源系统及各分系统的经济性对比

4.5 供能成本比较

基于分布式能源及水蓄能的综合能源方式和常规供能方式在不同负荷率的可变成本、综合成本比较分析如下：

1）燃气、电、水、脱硝、维保等可变成本：如图4a 所示，常规供能可变成本保持不变。综合能源系统在低负荷时优先使用分布式能源及蓄能系统，可变成本较低，随着负荷率提高，常规供能设备投入使用，可变成本提高。100%负荷率时，综合能源方式可变成本比常规供能方式降低20%。

2）考虑可变成本以及人工管理、折旧摊销等固定成本的综合成本：如图4b 所示，随着负荷率提高，系统供能收益增加，固定成本占比减少，综合成本逐渐降低。100%负荷率时，综合能源方式综合成本比常规供能方式降低10%。

图4 综合能源和常规供能方式的成本对比

5 节能减排效益分析

5.1 能源综合利用率和节能率计算

根据《分布式冷热电能源系统技术条件第1 部分：制冷和供热电源》（GB/T 36160.1-2018），分布式能源系统的年平均能源综合利用率计算公式如下：

节能率计算公式如下：

式中：υ 为年平均能源综合利用率；γ 为节能率；W 为年净输出电量；Q1为年余热供热总量；Q2为年余热供冷总量；B 为年燃气总耗量；QL为燃气低位热值；ηe0为常规供电方式的平均供电效率；η0为常规供热方式的燃气锅炉平均热效率；COP0为常规制冷方式的电制冷平均性能系数；M 为电厂供电标准煤耗；θ 为供电线路损失。

根据国家能源局发布的《2020 年全国电力工业统计数据》，供电标准煤耗为305.5 g/kWh，供电线路损失5.62%。本项目天然气折算标煤系数为1.21 kg/Nm3。经计算，本项目分布式能源系统的年平均能源综合利用率为85.8%，节能率为29.8%，每年可以节约标煤量640 吨。

5.2 碳减排分析

根据生态环境部应对气候变化司研究发布的《2019 年中国区域电网基准线排放因子》，华东区域电力碳排放因子为0.7921 tCO2/MWh。根据政府间气候变化委员会推荐的天然气CO2排放因子为56.1kg/GJ，天然气热值折算后的CO2排放因子为1.9916 kg/Nm3。

分布式能源系统年供电501.6 万kWh，供热235.0万kWh，供冷316.7 万kWh，CO2排放量为2480 吨。若采用常规供能方式，每年需耗燃气量26.5 万Nm3及电量565.0 万kWh，CO2排放量为5002 吨。采用分布式能源系统，比常规供能方式每年可减少CO2排放量2522 吨，减排率50%。

6 结论

1）原动机为内燃机的燃气冷热电三联供分布式能源和兼顾蓄冷蓄热的水蓄能技术，与电制冷机、锅炉等常规供能组成的综合能源系统，提高了项目经济性和节能减排效益，可降低可变成本20%、综合成本10%，适合用于园区集中供能系统。

2）本项目综合能源系统运行时应优先使用分布式能源和蓄能系统，分布式能源满足基础负荷保证年运行时间，蓄能系统电价谷时蓄能、峰时释能，做到经济效益最大化。

3）相对于常规供能系统，本项目分布式能源系统的年平均能源综合利用率为85.8%，节能率为29.8%，每年可节约标煤量640 吨，每年可减少CO2排放量2522 吨，减排率50%。