天然气分布式供能和冰蓄冷系统在节能方面的应用

申能(集团)有限公司 马平

0 前言

随着我国社会经济的高速发展以及工农业生产对于能源需求的加大，国内大部分城市都面临着电力供应紧张的问题。在现代大型公共建筑中，空调系统的能耗问题较为突出，一些大中城市空调用电量已占其高峰用电量的 30%以上，使得电力系统峰谷荷差加大，电网负荷率下降，电网不得不实行拉闸限电，严重制约工农业生产和投资环境。基于电力等能源供需矛盾这一世界性难题，国外已将天然气分布式供能(DES)系统在新建建筑和既有建筑中考虑或广泛运用，提高了能源效率，一次能源利用率可以高达70%~90%，而典型的集中式电站仅仅为30%~45%。由于天然气DES系统具有很高的能源效率、经济性和环保性能，近年来在全球范围内已获得越来越广泛的应用。

针对我国现有的电价模式，在优化能源利用降低现代建筑制冷系统的电能消耗方面，国内已经大量安装和使用冰蓄冷空调，起到了“移峰填谷”的作用，提高发电设备利用率，冰蓄冷空调是在夜间供电低谷段低电价时开制冷机制冰蓄冷，然后在白天空调高负荷时可同时开机供冷和融冰释冷，在供电高峰段可以少开机或不开机，这样不但可以减少制冷机的装机容量，并可大幅度降低电费。

这种20世纪80年代在发达国家兴起的技术，90年代在我国也已迅速发展起来。本文将结合申能能源中心分布式供能和冰蓄冷系统运行的实际情况，分析分布式供能和冰蓄冷系统运行策略和节能效果。

1 概况

申能能源中心大楼位于上海市闵行区虹井路，建筑面积共4.9万m2，其中，地上建筑面积3.4万m2，地下建筑面积1.6万m2。能源中心冷、热、电的设施设备主要包括：电力系统采用2台1 600 kVA变压器，变配电为10 kV/0.4 kV，两路10 kV独立电源供电，另外还配置了 50 kW 的太阳能发电设备；供热系统采用：热电联产和天然气热水锅炉相结合的方式，天然气热水锅炉配置为2台单机容量为1 400 kW；供冷系统主要采用：2台单机容量为1 361 kW的螺杆双工况制冷机组、1台单机容量为553 kW 的螺杆基载制冷机组、热电联产和 231 RTH(冷吨时)冰蓄冷设备，见图1。

图1 申能能源中心能源供应系统示意

2 供能系统构成

2.1 天然气分布式供能系统

分布式供能系统通常由原动机、余热利用设备、电气系统、发电机控制系统、辅机控制系统、排气系统和通风系统等组成，申能能源中心分布式供能系统采用了一台美国原装的Capstone C200低压型(自带燃气增压机)微型燃气轮机发电机组，两台日本Yazaki CH-KE4040烟气补燃型溴化锂冷温水空调机组，以及配电柜、控制柜、并网柜、系统检测仪表，以及泵、阀、冷却塔(循环冷却水系统)等辅助设备。系统中发电机组额定功率为200 kW，单台冷温水机组的额定制冷量为 141 kW，额定制热量为 134 kW。发电机组采用“并网不上网”为的主要运行模式，机组所发电力并在低压母线上。

供能系统中的发电机组排出的高温烟气进入烟气补燃型冷、温水机组，夏季溴化锂空调机组利用余热产生用于降温的冷水，进入大楼螺杆式冷水机系统，并入二次循环水系统进入大楼空调终端，冬季产生温水进入大楼燃气锅炉供热系统，见图2。

图2 系统原理

2.2 冰蓄冷系统

冰蓄冷空调技术是指建筑物空调所需冷量的部分或全部在非空调时间(深夜)制备好，并以冰的形式储存起来供用电高峰时的空调使用，从而将电网高峰高电价时的空调用电转移至电网低谷低电价时使用，达到节约电费的目的。

根据本楼的使用特点，主机选用两台单机制冷量为1 400 kW的双工况制冷机组。一台单机制冷量为880 kW的基载制冷机组。双工况制冷机组在空调工况下单机制冷量为1 400 kW。制冰工况下单机制冷量为 970 kW。制冰工况下进出溶液温度分别为-6.5 ℃和2.2 ℃，空调工况下进出水温分别为10 ℃和4 ℃。两台双工况机组可在夜间全量蓄冰，充分利用夜间低谷电价。晚间的加班或临时需要空调供冷的区域可由基载制冷机组承担。双工况主机采用在低温工况下运行稳定的螺杆式制冷机组。系统的储冰装置与双工况主机串联布置，主机位于循环回路的上游，储冰装置位于主机的下游。

3 运行优化管理

申能能源中心的供冷负荷由常规电制冷机、蓄冷和分布式供能系统同时提供，并通过合理制定运行策略，在满足舒适性的前提下达到节能、降本的效果。夏季的供冷通常先开启分布式供能系统，一旦供冷量不足就开启冰蓄冷，如果供冷量还不满足要求就要开启电制冷机。

3.1 天然气分布式供能系统运行优化分析

分布式供能系统从2011年1月至2011年9月进行了调试和试运行，根据系统设计要求和试运行结果的分析以及电网供电用电峰谷的价格不同，在峰谷电价价目 8:00～17:00期间开启该系统，冬季市电平均价0.865元/kW·h，夏季1.00元/kW·h。因此系统全年的发电增益是不同的。供热(冷)增益指冬季利用余热后可以减少燃气锅炉耗气的支出量，或者夏季减少基载制冷机组用电的支出。分布式供能的收益与设备投入运行的时间有关，但是根据并网不上网的原则，申能能源中心的三联供系统只在大楼办公时运行，通常为每天的8:00~17:00，共9 h。冬季采暖期和夏季制冷期燃气的效率不同，单位天然气的发电量和发电成本也不同。采暖期和制冷期每 1 m3的天然气所发电量分别为 3.048 kW·h和2.946 kW·h。上海市政府为了鼓励燃气三联供的应用，给予三联供项目的天然气优惠价格为 2.43元/m3，因此采暖期和制冷期发电成本分别为0.797元/kW·h和0.825元/kW·h。分布式供能系统已经试运行一年，运行结果表明系统运行稳定发电成本低于市电。为了进一步优化系统运行，结合市电峰谷价格，系统开启时间为市电峰值期，系统发电机组每天发电量约1 600 kW·h，当季节性用电高峰时，能源中心大楼所申请变压器基本用电负荷可能还会有缺口，这部分缺口可以由微燃机组功率输出来填补，因此可以申请减少基本用电量、降低用电成本、避免限额电量超标遇罚。在今后的运行中，要充分利用三联供发电优点结合契约数的合理运用，在夏季用电高峰时满负荷运行三联供系统的基础上降低用电契约数预估申请，从而达到节约契约电费并开启三联供溴化锂机组来补充供冷。

3.2 冰蓄冷系统运行优化

3.2.1 运行节能分析

在冰蓄冷空调系统的运行控制中，利用夜间谷值电充分制冰，白天充分利用融冰制冷；以夏季每天空调实际负荷运转为例，节能分析按照未采用制冰系统和采用制冰系统的空调负荷计算每天需消耗的能源和费用，采用比未采用冰蓄冷装置所发生的用电量多900 kW·h/d，节约电费0.17万元/d。

3.2.2 运行优化运行控制策略

为提高冰蓄冷系统的运行效率，在现有设备状况下采取优化措施如下：

(1)蓄冷设备优先运行：在冰蓄冷空调系统的运行控制中，为了保证冷量的充足储存，必须保证蓄冷设备优先运行的控制策略，即在冰蓄冷空调的系统运行中一定要保证蓄冷设备优先释放冷气，当超出其释放冷气能力时，应采取制冷机组供冷的方式以满足空调系统的运行负荷。与制冷机组的运行控制相比，蓄冷设备的内部构造较为复杂，其运行控制策略也相对困难。当冰蓄冷空调的蓄冷设备进行冷量储存时，应尽可能的将已储存的冷量全部释放，其主要目的是进一步降低空调系统的运行费用，而且最大限度的利用了蓄冷设备的性能。另外，采取蓄冷设备优先运行的控制策略，应对冷量的释放量进行严格的控制，防止冰蓄冷空调在城市电网低谷时段出现停止运行或运行负荷不足的现象。在进行冰蓄冷空调系统的运行控制时，设备管理人员应根据空调的常规负荷分布图，准确预测出当日制冷机组的最小供冷量分布时段，以合理控制蓄冷设备的储存和释放冷量。

(2)制冷机组优先运行：在冰蓄冷空调系统的运行控制中，蓄冷设备优先运行策略的实施可以取得较为理想的效果，同时也要根据实际情况制定科学的制冷机组优先运行策略与蓄冷设备优先运行策略相比，制冷机组运行优先主要是指通过制冷机组直接供冷，当其供冷能力无法满足空调系统的运行负荷时，采取蓄冷设备释放冷量的方式解决。

(3)完全利用夜间谷值电充分制冰，白天充分利用融冰制冷。以夏季每天空调实际负荷运转为例，采用制冰系统按空调负荷预计节能费用约14~18万元。夏季高峰融冰冷量不够时采取平值电阶段单机供冷，三联供溴化锂机组和融冰供冷联合供冷等方式，达到最优化空调组合供冷。

(4)充分利用智能系统，根据天气温湿度情况合理设置及时调整空调运行参数，如出水温度供回水温差等，避免过冷过热现象。供回水温差设定合理，冷却水、冷冻水利用水泵合理控制流量。

(5)降低送风的温度：现代建筑中冰蓄冷空调的常规送风温度为 l2 ℃，可以根据实际需要将其调整为5~10 ℃，其主要目的是减少相同负荷下的送风量，而且降低了空调系统运行中的能量消耗。

4 结语

综上所述，在全球能源日趋紧张的形势下，对于在公共建筑配备节能型能源供应系统的建设以及研究提高能源系统运行优化控制具有重要作用和意义。针对目前国内实行的阶梯电价，结合建筑本身的能源需求情况，设备管理人员要不断改善分布式供能和冰蓄冷设备、制冷机组的结构和性能，根据空调负荷合理调整其控制策略，保证能源供应系统的平稳、节能、经济、安全运行。分布式供能和冰蓄冷都是是一项促进能源、环境、经济协调发展的实用节能技术。虽然在运行过程对能源合理利用和节约运行成本有很好的经济效益，但仍然需借鉴国内外项目的良好经验，合理的设计方案、精心的施工安装、科学的运行管理对空调系统的节能都是至关重要的。