某医院分布式能源系统的方案设计

上海航天能源股份有限公司 张杰 郭甲生 张丹 徐振华 李巡案

某医院分布式能源系统的方案设计

上海航天能源股份有限公司 张杰 郭甲生 张丹 徐振华 李巡案

以某医院现有供能方式作为设计基础,详细介绍了分布式能源系统发电机组选择、系统发电容量和余热回收的设计,满足了医院的安全电源和热水负荷需求.整个分布式能源系统灵活、可靠,具有明显的经济效益和社会效益.

分布式能源系统;医院;可行性;

据统计,医院建筑空调系统的年一次能耗一般是办公建筑的1.6-2.0倍.在国家建筑节能减排的大环境下,在保证医院正常发展、满足人们需求及提高医疗质量的前提下,降低医院建筑造价、减少医院建筑能耗及运行费用中的不合理部分已成为医院建筑建设的重要课题.以微型燃气轮机和吸收式制冷等设备组成的分布式能源系统,具有效率高、占地小、保护环境、可减少供电线损和应急突发事件等综合功能,在有条件的医院逐步推广.

本文结合某医院的实际用能情况,详细地设计了该医院的分布式能源系统,总结了相关经验.

1 医院实际情况

1.1 医院用能分析

该医院属于重点用电园区,供电系统为10kV进线,配有4台1600kVA的变压器,,用电负荷较大且用电负荷波动较小.

医院空调系统配置一台螺杆式制冷机组,两台直燃型溴化锂冷温水机组和一台烟气补燃型溴化锂冷温水机组,3台溴化锂冷温水机组额定参数相同,额定制冷量1436kW(冷水温度:7/13℃),额定采暖量2163kW(热水温度:65/80℃).当直燃型溴化锂冷温水机组供能不足时烟气补燃型溴化锂冷温水开启.一台蒸汽锅炉制取184℃的过热蒸汽,满足医院杀菌、消毒的蒸汽负荷.

医院现有床位600张,计划再增设床位300张.以现有床位数计算,热水定额取100L/(床.日),则平均小时热水需求量为:2.5t/h.

医院供能和采暖流程为:夏季制冷时,直燃型溴化锂冷温水机组开启,供应冷水,冷水汇集到冷水分水器,然后供应医院各个分区.

取热水/生活热水时,高温发生器流出的80℃热水,分为2个支路,一路流经热水分水器,一路流经生活热水分水器,然后供应医院各区热水/生活热水负荷需求.

1.2 发电机房尺寸

医院配有一发电机房,已设置发电机组烟气余热管道,整个发电机房实测尺寸:8.7X5.8X4m,发电机房位于控制室和锅炉房(包含制冷设备)之间,距离1号和3号变压器约30m.

2 分布式供能站系统设计

2.1 系统发电机组的选择

目前天然气分布式能源站中应用较多的发电机形式以燃气轮机、燃气内燃机和微燃机为主.由于受发电机房空间、医院低噪音、低排放以及现有设备供能网络改造限制,本方案选择微型燃气轮机作为发电设备,力求机房布置简单紧凑,节省面积,在满足高效运行的前提下实现低噪音、低排放、运行维护方便等优点.

2.2 系统发电容量设计

(1)技术规范

根据《分布式供能系统工程技术规程》,分布式能量容量的选择应根据宜热(冷)定电,热(冷)电平衡的原则,并根据电、热(冷)负荷的特性和大小合理确定.机组的发电量宜自发、自用、自平衡.并入电网的分布式供能系统的总装机容量应不大于相应电力系统接入点上级变电站容量的30%,该医院单台变压器容量为1250kVA,因此分布式供能系统的总装机容量不应超过300kW.

(2)场地实际情况

通过现场测量,发电机房实际尺寸约为8.7X 5.8X4m,考虑发电机组辅助设备和实际的安装维护,查阅相关发电机组样本,能满足场地要求的发电机组发电量≤300kW.

(3)维护方便

选择同一品牌的微型燃气轮机不仅有利于系统的运行、监控和维护,而且有利于减少分布式能源系统的维护费用.综合考虑产品的发电量、尺寸和发电机组机房空间,选择2台100kW微型燃气轮机.

2.3 余热回收设计

分析医院现有的直燃型溴化锂冷温水机组供应1kW的冷水、热水和生活热水负荷所需天然气见表1.

表1 制冷、采暖和生活热水负荷所需天然气

从表1中可以看出,供应单位热水和单位生活热水所需天然气消耗量最大,供应单位制冷天然气消耗量最小.即供应热水/生活热水的成本较高.因此优先满足医院热水负荷和生活热水负荷,分布式能源系统经济性更好.

(2)能源利用率

采用微型燃气轮机烟气通往烟气补燃型冷温水机组制取生活热水时排烟温度约为120℃,而微型燃气轮机烟气通过板换制取生活热水时排烟温度约为70℃,因此,如本分布式能源系统采用微型燃气轮机通过板换制取生活热水效果更好.但是由于受现有设备能源供应网络改造限制,而且采用烟气/热水换热制取热水增加初始投资,经综合考虑,本系统采用微型燃气轮机尾气通往烟气补燃型溴化锂冷温水机组制取热水.

本分布式能源系统主要利用烟气余热,通往烟气补燃型溴化锂冷温水机组直接供应生活热水,在保证全院热水负荷需求后,多余的余热供应冷水/热水.

图1 分布式能源系统流程示意图

3 系统运行模式

分布式能源系统运行时,医院的电力、生活热水和空调负荷均优先由分布式能源系统供应.系统流程示意图如图1所示.

(1)发电模式

两台微燃机的电力分别接入离发电机组房较近的1号和3号变压器低压端(400V).分布式能源系统电力接入区域电网(市电),与大电网构成电力补充,按照并网不上网的原则,功率跟踪和智能调度.

(2)冷水供应模式

常州城区河道主要清淤方式为传统工程清淤，虽然有着立竿见影、施工方案便捷、成本低的优势，但是也面临不少问题。

制冷时,烟气从烟气补燃型溴化锂冷温水机组排出温度和补燃烟气温度约170℃,烟气余热量较大,采用烟气/热水换热器,加热热水集水器回水,为充分回收烟气余热,提高能源利用率.

医院空调系统除分布式能源系统供应外,还有直燃型溴化锂冷温水机组,螺杆式制冷机组,整个机组的冷水供应管网连为一体:夏季制冷,优先采用分布式能源系统供冷,不足通过开启医院现有螺杆式制冷机组制冷,仍不足,开启直燃型溴化锂冷温水机组制冷.

(3)热水和生活热水供应模式

过渡季节和冬季采暖时,排烟温度约为120℃,同样也采用通过烟气/热水换热器,加热集水器回水,提高能源利用率.

过渡季节没有冷热负荷需求,机组设备只运行一台,每天运行14h.

4 效益分析与节能减排分析

设计该系统全年运行350d,其中夏季运行120d,24h/d运行;冬季运行150d,每天运行24h/d,过渡季节80d,单台机组运行14h/d.

(1)经济效益分析

目前,按照分布式能源系统的优惠气价2.83元/Nm3,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、冷水、热水和生活热水与现有分产(市电+直燃型冷温水机组)相比,本分布式能源系统年节省运行费用约56万元.

(2)年平均能源综合利用率分析

天然气分布式能源全年综合利用效率应根据《燃气冷热电三联供工程技术规程》(CJJ 145-2010)3.3.5公式进行计算:

式中:v--年平均能源综合利用率(%);

W--年净输出电量(kWh);

Q1--年有效余热供热总量(MJ);

Q2--年有效余热供冷总量(MJ);

B--年燃气总耗量(m3);

QL--燃气低位发热量(MJ/m3).

根据表2中所示的分布式能源系统运行数据,计算该系统年平均能源利用率,得到系统年平均能源综合利用率为71.75%,符合国家天然气分布式能源全年综合利用效率高于70%的要求.

(3)年利用小时数分析

分布式供能系统年利用小时数计算公式为:

式中:h-年利用小时数(h);

W-年联供系统净输出电量(kWh);

KW-发电机组额度装机容量(kW).

本分布式能源系统年利用小时数为: 1408000/200=7040h

符合国家天然气分布式能源年利用小时数高于2000h的要求.

(4)节能减排量分析

按照2013年中国医院所属区域电网基准线排放因子-该地区的碳排放因子0.7125kg/kWh和IPCC联合国政府间气候变化专门委员会的天然气数据折算其排放系数1.9916kg/m3,计算分布式能源系统年CO2减排量约为411t.

5 结语

(1)分布式能源系统中的各个发电机组可起到互为补充、互为备用的作用,以提高整体系统的灵活性和安全性.

(2)分布式能源系统在医院的应用时必须根据实际情况,综合考虑各方面因素来确定分布式能源系统的配置,特别是医院改造项目.

(3)在医院中应用分布式能源系统具有明显的经济效益和社会效益.

(4)微型燃气轮机可以作为医院的备用电源,替代传统的柴油发电机和蓄电池UPS,间接降低系统的总投资,提高投资回报率.

(5)本系统约在明年投入运行.

An Project Design of Distributed
Energy Supply System Applied to A Hospital

Zhang Jie,Guo Jiasheng,Zhang Dan,Xu Zhenhua,Li Xun an

Thechoiceofdistributedenergysystempowergenerationunits,system capacity and the design of waste heat recovery were introduced in this paper.The design of the system was based on the existing power mode of a hospital in shanghai,and the safety source and hot water load were meet the needs of the hospital.The distributed energy system was flexible,reliable and the economic benefits and social benefits was obvious.

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张杰,(1988-),男,硕士,工程师.从事分布式能源系统的设计与优化应用研究.