分布式能源供能系统的应用分析

宝鸡市同昌燃气工程设计有限责任公司　冯粉莉

分布式能源供能系统的应用分析

宝鸡市同昌燃气工程设计有限责任公司冯粉莉

阐述了天然气分布式能源的原理，楼宇型和区域型系统运行原理及发展分布式能源的主要优点和意义，并通过应用于实际的楼宇式项目进行负荷以及相应分析，揭示了燃气分布式能源在推广应用上具有明显的优势。

分布式能源燃气三联供系统节能减排推广

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，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70%以上，并在负荷中心就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。

在能源用户端以天然气为燃料，经由燃气轮机、发电机、余热锅炉、制冷机等联合循环能源梯级利用系统发电、制热、制冷，为用户提供清洁、优质、可靠的冷、热、电能源服务。在当前加快能源结构调整和加大节能减排力度的新形势下，发展天然气分布式能源站具有十分重要的意义。

1　理论分析

1.1分布式能源的原理

分布式能源的原理主要是通过能源的梯级利用，实现能源综合利用效率70%以上。能源利用如表1所示。

表1　热能梯级利用

1.2分布式能源系统运行方式

分布式能源的系统运行方式分为楼宇型和区域型两种。

楼宇型的适合于冷热电负荷稳定、用能时间长、用能安全性高、环保节能要求较高的项目。比如数据中心、医院、机场高铁站以及酒店、商场、写字楼等项目。使用的主要设备是内燃机、小型燃气轮机、微燃机等。其投资较小，建设审批手续时间较短，建设周期短、项目投资回收快。目前国内已经建成及正在建设的有新奥的黄花机场、中石油数据中心，泰州医药城等项目。

楼宇型系统运行方式见图1。

图1　楼宇型系统运行方式示意

区域型分布式能源项目用户主要为工业用户，开发的重点应集中于工业园区、经济开发区等。其使用的是联合循环机组，项目投资较大，建设审批时间较长。目前国内在建的有华电江都开发区、南京浦口开发区、华电广州大学城等。

区域型系统运行方式见图2。

图2　区域型系统运行方式示意

1.3分布式能源的主要优点

1.3.1节能减排

传统火电的综合能源利用效率只有40%～50%，分布式供能系统的综合能源利用效率可达到70%～80%。燃气锅炉直接供热的效率虽然较高，但是它的最终产出能量形式为低品位的热能，而分布式供能系统中有45%左右的高品位电能产出。因此分布式供能系统的能源综合利用效率比传统的大电网供电和燃气锅炉直接供热的传统供能方式有大幅度提高。同时与传统热电分供方式相比，粉尘、SO2、NOx等污染物排放量接近于零，CO2排放量下降40%，具有显著的环保效益，将进一步推进建设区域经济开发区节能减排和环境保护工作。

1.3.2有利于电力和燃气削峰填谷

分布式能源项目可实现燃气和电力双重“削峰填谷”。一般而言，电力高峰和燃气低谷同时出现在夏季，采用分布式能源系统，燃烧天然气发电，增加夏季的燃气使用量，同时利用余热供冷，降低了夏季电制冷机组用电量，实现了燃气和电力的双重“削峰填谷”。

1.3.3提高供能安全性

分布式能源站可以灵活分布，就近建设，直接面对能源用户，在提高能源利用率的同时，也相当于为用户增加了一路供电、供冷和供热的途径，特别是针对一些经济开发区这类重点用能区域，在出现突发事件时可以确保安全供电，减缓了电力供应对集中供能系统的过分依赖，提高了用户用能的安全性，可作为城市大电网的有益补充。

1.3.4有利于优化能源结构

我国是以煤为主的能源生产和消费大国，在一次能源中煤炭占70%左右。过度依赖煤炭的能源结构，造成我国能效水平不高、污染严重、铁路公路运输不堪重负、安全事故多发，而且承受越来越大减排CO2的国际压力。加快非煤能源发展、努力降低煤炭占一次能源的比例，是当前和今后一个时期国家能源战略的重要目标。从我国目前非煤能源资源条件看，天然气具有的资源量不断提高、输送损耗低、清洁环保、经济性逐步提高等特点，决定了天然气分布式能源站具备大发展条件，是规模化替代煤炭、优化能源结构最为现实的选择。

1.3.5具有较好的经济效益

分布式能源站规模小、建设快、运行维护较简单；在实现供冷供热的同时还能产生高品位的电能，能源利用效率高且能源产品多样，而且靠近用户端，减少了管道线路投资和能源损耗；在管理体系上，可依托智能信息化技术实现智能化管理，通过社会化服务体系提供设计、安装、运行、维护一体化保障；使得分布式能源站具有较好的经济性。

2　工程项目的案例分析

区域型项目属于大型项目，需要做详细的方案说明，本案例工程供能对象为新建设加气站和相邻的新建酒店为对象的楼宇型项目。加气站与酒店仅一墙之隔，酒店总建筑面积为1.5万m2，加气站有全年稳定的电负荷需求，而酒店有全年稳定的热水负荷需求。

2.1负荷分析

按照《燃气冷热电三联供工程技术规程》(CJJ 145—2010)中3.2～3.4条的规定：对新建建筑或不能获得实测运行数据的既有建筑进行联供系统设计时，应根据本建筑设计负荷资料，参考相似建筑实测数据进行估算，并应绘制不同季节典型日注释负荷曲线和年负荷曲线。进行联供系统技术经济分析时，应根据逐时负荷曲线进行计算联供系统全年供冷量、供热量、供电量。

加气站内的主要动力设备是1台往复式压缩机，压缩机额定电机功率为200 kW。压缩机每天运行13～15 h，启停3～4次。根据加气站总耗电量和加气站压缩机每天运行时间，可知加气站平均稳定用电负荷约136 kW。酒店有220个房间，其中55%大床房、40%标准间和5%套房，其总床位为308张(暂按大床房和套房各为一张床位，标准间为两张床位考虑)。参考《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003)，热水负荷指标取每床160 L/d，则热水负荷为50 t/d，平均热水负荷为2.1 t/h。考虑小时变化系数(取2.6)，则最大热水负荷为5.46 t/h(折合热量444 kW)。

根据现场资料信息及酒店建筑类型的特点，得到本项目加气站典型日逐时电负荷情况和酒店生活热水负荷变化规律，如图3、图4所示；逐月电负荷和酒店热水负荷变化曲线图，如图5、图6所示。

图3　典型日电负荷变化曲线

图4　典型日生活热水负荷变化曲线

图5　月电负荷变化曲线

图6　逐月热水负荷变化曲线

从以上典型日、逐月负荷变化规律可以看出，酒店生活热水的耗量主要集中在早、中、晚时段，该三个时段内的生活热水负荷用量较大，特别是在酒店早晚时段，因为这两个时段是酒店旅客洗漱和洗澡的高峰期。

储配站用电负荷主要在日间，加气站每天加气车辆比较稳定，每天压缩机运行时间为 13～15小时左右，每天启停3～4次，停机时间主要在夜间23：00～5：00；加气站典型日电负荷中最大值出现在早上5：00～7：00和晚上19：00～21：00，这段时间属于车辆加气的高峰。

经上图数据统计，储配站和加气站年总耗电量约83.6万kWh；酒店全年耗热水量约2万吨。

2.2设备选型及配置

2.2.1设备配置

根据根据上面的负荷分析，为保障分布式能源系统的高效、经济和节能运行，本项目适用的发电机组容量范围应120kW左右。根据项目需求，本工程考虑选用微燃机热电联供一体机+燃气热水锅炉。

主要设备选型如下表2所示：

表2　分布式能源系统主要设备及技术参数

本方案配置2套微燃机热电联供一体机，总装机规模为130 kW，余热产生总热水量约2.85 t(80℃热水)，另设1台700 kW的燃气热水锅炉。

微燃机系统的优点是操作简单(一键式启停)、维护工作量少、占地面积小、无振动和布置比较方便(可露天布置、室外屋顶布置等)，噪声小且具有方向性，污染物排放低，无辅助设备，最重要的是可实现无人值守，减少人工费用；缺点是发电效率较低(29%左右)，燃气进气压力高(0.5 MPa)。

2.2.2工艺流程

本方案的工艺流程示意图如图7所示：

图7　工艺流程示意

供电：微燃机所发电力除少部分能源站自用外，其余电力主要满足加气站压缩机用电需求。两台发电机每天运行约13～14 h，每年运行335 d，在其余时间机组可根据需求停机检修和保养，不足电负荷由市电提供。

供热：微燃机的高温烟气通过与热电联供一体机进行换热出80℃热水，供酒店生活热水，多余的热水可通过蓄热罐储存。当余热量不够时，可以通过燃气热水锅炉进行调峰补充。

2.3三联供利用效率分析

根据按照《燃气冷热电三联供工程技术规程》(CJJ 145—2010)中1.0.5条的规定：联供系统的年平均能源综合利用率应大于70%。

按照《燃气冷热电三联供工程技术规程》中3.3.5条的规定：联供系统年平均能源综合利用率应按下式计算：

式中：ν——年平均能源综合利用率，%；

w——年净输出电量，kW·h；

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。

2.4三联供经济费用分析

本分布式能源方案投资估算的内容主要包括能源站内系统主设备费用(发电机、余热利用设备和调峰设备)和配套对应的电气、燃气、控制和水处理系统等附属设备费用以及相应安装工程费，见表3。

表3　项目投资估算表

本项目的财务分析编制依据：《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）。经初步估算，本项目微燃机系统静态投资约为255万元。微燃机发电系统所需燃气供气压力为0.5 MPa，系统每小时最大用气量约100 m3/h，年燃气用量在26.9万m3左右。

资金来源：建设投资100%按自筹考虑，无需考虑商业贷款。按照工程的施工进度安排，方案各年度资金使用比例如下：第一年投入100%。项目的经营期达产进度为（开始建设后一年）第一年即达产100%。其财务分析数据见表4：

表4　财务分析技术参数表

本方案参考业主给出的水电气价进行初步测算，而热水价格都是按照常规系统进行折算，需要进一步与酒店进行沟通确认。陕西省电力公司给出的2014年2月份场站电费清单知，加气站电费的结算价格：95%电量电价为大工业电价，5%电量电价为工商业电价，另外附加基本容量电费，见表5。

表5　能源价格表

能源站不仅满足加气站的用电需求，同时还满足酒店的生活热水需求。分布式能源系统在财务基准收益率为8%的基础上进行了全部投资现金流量分析，在以上能源价格的基础上测算项目的收益率。项目的主要财务评价指标汇总见表6：

表6　项目财务评价主要指标

由上分析可知，在以上能源价格的基础上，按气价1.98元/m3和热水价格29.6元/t进行测算，微燃机系统全投资内部收益率(税后)为8.73%。

3　结语

通过对燃气分布式能源系统的应用分析，通过案例分析及对比计算得出以下结论：

(1)建设三联供系统是综合能源利用率较高、经济效益明显的能源供应方式，采用天然气分布式能源供应方式，符合国家新型能源发展方向，技术成熟可行。

(2)以该项目为例，系统静态投资约为255万元。按气价1.98元/m3和热水价格29.6元/t进行测算，微燃机系统全投资内部收益率(税后)为8.73%，盈利能力良好，并且具有较强的抗风险能力。目前对发电机余热的利用是通过系统一体机出热水供酒店的生活热水，远期可根据需要预留余热溴化锂的位置来提供项目的制冷需求。

(3)采用三联供系统具有明显的节能、减排优势。以该项目为例其与常规系统相比，全系统节能率在28%以上，每年可以减少一次能源消耗折标煤约421 t以上，减少CO2排放在1 137 t以上。

因此，采用分布式能源系统对一次能源的消耗更少，NOx的排放量大幅度减少，同时结合工程案例分析，天然气分布式能源具有一定的可操作性，比常规系统具有更大的优势，近年势必将得到较大推广。

Application Analysis of Distributed Energy System

Baoji Tongchang Gas Engineering Design Co., LtdFeng Fenli

The theory of natural gas distributed energy system is elaborated, and the working principles of the system applied in the buildings and the districts, advantages and meanings of the system are introduced too. By the analysis of the projects implemented, it has verified that it has obvious advantages of popularization and application.

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