分布式能源站低负荷运行难点及解决思路

陈靖，和彬彬，范洁

(1.华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100160；2.华电工程设计院，北京 100160)

0 引言

华电产业园建设的分布式能源站设计工作于2011年开始，建设有4座规模不等的大楼，用作宾馆和办公场所，根据原始资料要求，能源站需满足产业园25万m2建筑冷、热负荷供应及部分电力负荷需求。

1 能源站机型选择和运行方式

华电产业园全部用电设备的累计负荷为27.318 MW，考虑0.6的同时系数，电负荷需求为16.391 MW。根据对华电总部大楼、燃气大厦等类似功能建筑冷热电负荷的调研，预测园区最大稳定电负荷为8.755 MW。其中，A座、B座电力负荷预测为2.130 MW，C座、D座消防电负荷为0.466 MW，即产业园初期投用时平均电负荷约为2.596 MW。

根据负荷预测结果，确定了“满足用户冷、热负荷供应，在此基础上保证发电效率最大化的原则”。确定了机组数量和机组额定容量后，保证机组额定冷、热负荷下满足用户要求，高峰和极端温度天气下投入直燃机和电制冷机等调峰设备，满足建筑的最大冷、热负荷需求。在此条件下，发电出力可基本满足产业园的供电需求，不足电力由市政电网补充。由于机组并网不上网，所以电力输出将通过自身负荷平衡，当机组出力负荷富余时，可降负荷以保证电网负荷平衡，也可启动冷、热制备设备消耗富余电力，达到电负荷和热负荷的同时平衡。

根据以上原则，确定分布式能源站的发电装机容量为6 MW级。最初考虑采用3台2 MW级的燃气内燃发电机组，后来因为场地紧张，分布式能源站确定采用2台3 MW级燃气内燃发电机组。仅A座、B座投用且办公面积达到70%时，单台燃气轮机孤网运行可满足用电需求。

由于能源站并网不上网，当用户用电负荷低于单台机组50%时，发电机将停止工作，电负荷完全由市政电网满足；电力负荷高于发电机最大出力时，不足部分由电网补充。发电机停运及发电余热不足时，冷、热负荷由直燃机、电制冷机等调峰设备提供。由于采用内燃机组，单台机组最低运行负荷约50%额定负荷，故用户电负荷低于50%额定负荷时，为保护设备，机组将自动跳闸，电源切换到电网负荷，这一状况虽然是所有分布式能源机组的共性问题，但对用户来说是希望避免的情况，故如何处理是亟须解决的难题。

2 运行现状及过渡季节预测

能源站投运后遇到的第1个难题是园区4座大楼同时建设，但第1幢办公大楼投运后就必需投入运行，此时用户电负荷低于单台机组的最低稳燃负荷，投运后56天内共计发电2 342.5 MW·h，但实际用户用电量1 658.1 MW·h，实际平均电负荷仅1 232 kW。由于市政电网尚未接入，为保证大楼正常工作，迫使采用了一些非常规手段以保证用电。正常工作日、周末、春节等典型日的负荷比较见表1。

表1 能源站运行初期典型日电负荷(2014年) kW

由表1可知，正常上班状态和周末、节假日条件下用电情况差别很大，夜晚时差别更大。这虽然是一种极端情况，但需要高度重视和认真解决。

另外，休息日和晚间，办公、电梯、餐厅等用电负荷下降较多，产业园实际用电负荷仅为燃气轮机额定负荷的28%～38%。峰值负荷1 900 kW也仅为燃气轮机额定负荷的56.8%。由于负荷率低，负荷波动的问题尤为突出，当1台电梯突然启动时，冲击电流比较大，特别是当2台电梯同时动作时(虽然概率很小，但有发生的可能)，造成孤网运行电压大幅波动，当电压波动大于内燃机发电机保护值时，导致机组迅速跳闸。

由于产业园投运年为暖冬，热负荷相对较低，上述问题更加突出。停止供暖后，能源站和二级泵房的供暖设备停运，因此C座、D座大楼用电量将大幅下降；其他建筑物与供暖有关的设备(盘管、风机等)停运也会造成负荷进一步大幅度下降，估计白天负荷在800 kW左右(不考虑其他楼装修、施工等用电)，晚上及假日负荷在500 kW左右，相当于燃气轮机要在25%额定负荷下长期运行。故分布式能源站如果长期在25%负荷率以下运行是非常困难的。

3 能源站长期低负荷运行的弊病

内燃机组一般按照常规应用环境进行设计，按80%～100%额定负荷下运行最优效率的原则工作，设备部件(包括涡轮增压器)、空燃比等均按此选定。如果在低于50%额定负荷下运行，机组在恒定稀薄燃烧下的空燃比(即燃料和空气的比例在1.0∶2.2左右)下，按照涡轮增压器的曲线特性，进气量要大于实际负荷做功时的进气量，导致混合气体在气缸内燃烧时，只有一部分能量进行机械做功，其余则以热能的形式随烟气排放出去，从而在低负荷下出现排气温度过高、效率降低、积炭加快等状况。

内燃机组长期低负荷运行时产生的影响可归纳为以下几点。

(1)气缸积炭。长时间低负荷运行会加快在进气阀、燃烧室(气缸盖和活塞顶)等部位积炭，而积炭是燃料和润滑油的窜气混合后不完全燃烧产生的沉积物。

(2)积炭危害。当燃烧室积炭到一定程度会引起气缸爆震而损害活塞及曲轴，使发动机体损坏的几率增大。气缸爆震现象发生后，为保护设备部件安全，燃气轮机即刻甩负荷停机，因此能源站运行极不稳定，随时会出现停机；涡轮增压器涡轮处积炭会使进气效率降低，导致出力不足、效率降低；长时间积炭还会影响点火效率。

(3)润滑油耗量增加。燃气轮机低负荷运行时，润滑油耗量比满负荷时增加1倍，现为0.6 g/(kW·h)。

(4)低负荷运行对设备的危害。燃气轮机在50%额定负荷运行时，比70%额定负荷运行时耗气量增加10%。烟气温度过高而超出余热回收设备运行的设计温度时，可能导致余热回收设备损坏，维修周期缩短后，部件更换过快会导致维修费用增大。

燃气轮机长期低负荷运行，会对燃气轮机造成不必要的损害，缩短设备运行寿命和增加设备生命期内运行成本，同时运行稳定性差。因此，所有燃气内燃机厂家均建议用户避免燃气轮机在40%额定负荷以下长期运行。

目前，世界上燃气内燃机仍无任何成熟的低负荷运行技术或应用案例，个别厂家正在进行试验研究，以期解决或降低低负荷率运行的问题。

4 解决问题的思路及措施

近些年投运的分布式能源站，存在的问题主要集中在3个方面：机组最低稳燃负荷及负荷点；机组不同输出能的变化幅值；机组不同输出能的相互关系。解决了上述问题，就提高了分布式能源站对用户的适应性，提高了机组的综合效率，同时能降低运行费用及综合造价。下面探讨解决问题的思路和具体措施。

4.1 降低机组最低稳燃负荷点的思路和措施

降低机组最低稳燃负荷点，就能使分布式能源站更广泛地适应用户需求，解决问题的方法主要有以下几种。

(1)降低内燃机和燃气轮机自身最低运行负荷点。由于机组自身的特点，虽然不可能降到极低的范围，但如果能控制在30%额定负荷以下，将会使机组具有更广泛的适应性，对于内燃机来说，需要研制更宽泛的或可变动的空燃比，而燃气轮机还要避免轴系的共振和末级叶片的余速损失，这需要设备厂家配合。

(2)采用多台机组也能降低最小负荷点，但可能造成成本上升和场地占用的变化，需要根据情况分析确定。

(3)通过系统内部的能源互换方式解决最低稳燃负荷的问题。能源之间是可以互相转换的，当用户电负荷需求低于机组实际输出负荷时，可通过转换部分电能至热能的方式解决(如果用户电负荷、热负荷都低于机组实际输出时，本方案不成立)。

(4)决定分布式能源站机组数量的重要判断依据是，当用户的电负荷与热负荷总和低于实际电负荷与热负荷总和时，可考虑降低单机容量，增加机组数量。

4.2 关于机组不同输出能的幅值变化方法

(1)重新分配电、热、冷的负荷分配设计点，即移动热、电负荷的分配点，可适当提高内燃机烟气出口温度，降低发电段热焓的使用量，这样电负荷比例就会下降，热负荷比例就会上升。

(2)采用蓄能的方法调节用户日负荷的变化，可以在用户不需要热或冷时储存部分能量，当外界需要时再释放，间接地满足了用户在不同时间段对不同种类能的需求。

4.3 关于机组不同输出能的相互转换方法

(1)当电负荷输出大于用户实际需求，热负荷输出小于用户实际需求时，可将电负荷转换为冷、热负荷，以取得用户对不同能的动态需要量，如夏季在电负荷富余条件下，可采用蓄冰的方法将电能转换为其他能源。

(2)如果能源站附近有直供电需求用户，而且电网政策允许直供电的话，可直接售给其他有需求的用户。

4.4 现场采取的措施和方法

(1)产业园其他建筑物在加快装修，增加了用电负荷，可将部分多余电量提供给其使用。

(2)将临时用电电源引至园区，与能源站供电在低压侧切换倒闸后，再由园区正式低压配电系统送至各用电单元。为防止在低压侧与电网并网，倒闸停电前需逐一关闭较重要的低压电子设备，如关闭二次泵房低压大型变频器及确保电梯无人乘坐等。

(3)在保证电能质量的前提下内燃机压线运行，加强内燃机定期检查和维护，根据气候变化适时调整供热参数，尽量减少直燃机的运行时间，并在办公楼等处采取正常节电措施等。