燃气分布式供能系统冷热电负荷分析

2016-01-06李伟,赵志渊

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2015年4期

关键词：匹配

燃气分布式供能系统冷热电负荷分析

李伟，赵志渊

(华电分布式能源工程技术有限公司设计研究院，北京 100070)

摘要：针对天然气分布式能源系统冷热电匹配问题，提出了“以热定电，负荷平衡”的设计原则，对然气分布式供能系统设计过程中所出现的风险提出了规避原则。以某工程项目为依托，对上述原则进行了验证，通过计算得出了用户采用该系统后的购电量，为项目的计经工作提供了数据依据，并为天然气分布式能源系统的设计工作奠定了基础。

关键词：冷热电负荷；负荷平衡；匹配；主机容量选择；规避风险

收稿日期：2014-04-23

作者简介：李伟(1987-)，男，河北唐山人，工程师，硕士。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.005

中图分类号：TM619

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0313-06

Abstract：This paper proposed the design principles that “determining output of electricity according to heat,load balance” to solve the problem of the matching of cold load,heat load and electricity load of the NG distributed energy system and the avoiding principles for the risks presented in the design procedure of NG distributed energy system.Based on one project,the above principles were verified,and the purchasing electricity could be gotten to provide the data to technical and economical index calculation.This paper built the basis for the design of NG distributed energy system and made it real toward high efficiency,energy saving,environment protection.

分布式能源是指将发电系统以小规模(数kW至50 MW 的小型模块式)、分散式的方式布置在建筑物内或建筑物附近，向用户供电、供冷(热)和生活热水[1-2]。天然气分布式能源系统真正实现了能量的梯级利用，具有节能环保等特点[3-5]，其运行时间灵活，可缓解电网高峰段电力不足和低谷段电力过剩的问题。自20世纪70年代末期以来，分布式能源系统以其良好的社会效益和经济效益，得到了越来越广泛地应用[3]。

1冷热电负荷分析

机组等效满负荷设计年运行时间的设定是否正确合理，是区域型分布式供能(以下简称分布式供能)项目成败的关键。科学合理地统计、预测供能区域范围内的冷热电负荷是开展联供项目设计的前提。在获得负荷统计和预测数据后，绘制全年逐时负荷曲线，再根据负荷需求情况合理地确定装机容量。系统投运后若不能保证一定量的稳定负荷，就无法保证分布式供能系统的经济运行。

1.1电负荷分析

目前，我国依然采用“大电网、大电源”的传统模式，国家法律不允许用户的自备电源擅自并网购电和上网售电。从技术层面看，分布式供能系统的频繁售购电会造成电网瞬间负荷增大，可能给局部电网带来较大冲击，影响电网安全稳定地运行。因此，分布式供能系统的供电容量不应大于用户全年的基本负荷，并且在规划系统容量时就应明确是否能上网售电及上网电价，并在此基础上做财务分析，以规避财务风险。

1.2冷热负荷分析

分布式供能系统的容量按用户的电、热(冷)负荷峰值选取。在峰值负荷时，系统的能源利用率较高，但是从全年的角度来看，很多时间内系统的容量无法全部利用，机组的利用率不高，将导致分布式供能项目的经济性较差，这是国内许多分布式能源失败的主要原因。所以，在项目的规划设计阶段，在确实可靠的热、电、冷负荷规划基础上，必须科学地确定系统容量。在系统运营前，应和冷、热、电用户签订合同，保证系统负荷的相对稳定性及较高的机组利用率。

为了提高分布式供能系统的利用率，利用系统余热供热(冷)设备的容量也不应大于用户全年的基本负荷。在用户热(冷)负荷超过系统余热供热(冷)设备的容量时，可用其他措施(电热锅炉、燃气锅炉、电空调)进行补充。对于负荷具有明显峰谷特性的用户，宜在系统中设置蓄能系统来平衡峰谷负荷。

1.3冷热电负荷平衡

在分布式供能系统设计中，电、热平衡是系统高效、稳定、经济运行的基本保证。在进行容量选择时，应立足于自身消化，自发、自用、自平衡。既要满足“以热定电”原则，也要充分考虑“热电平衡”的需要。如果单纯依据“以热定电”原则，按最大热负荷选择分布式供能系统容量，就会给以后的稳定、经济运行带来困难。

分布式供能系统一般都是以单个或几个用户为对象，热、电负荷的波动一般都比较大，用热需求和用电需求不一定同步。按最大热负荷选择容量，往往是在用热需求较大、用电需求不大时，致使发出的部分电力无法进行自身消化，进而影响正常运行。同时，由于热负荷的大幅波动，机组也需要频繁调节，这会使机组长期处在低效率工况下运行，其可靠性和节能效益都将受到影响。

1.4主机容量选择

在选择主机容量时，要对热、电负荷变化进行详细分析。在做好热电平衡的情况下，确定装机容量，一般宜小不宜大。原则上应由分布式供能系统的余热利用设备带基本负荷，适当配置供热锅炉、电空调或蓄能设备来进行冷热负荷调峰。

根据国内较成功的工程案例以及日本部分分布式供能系统工程案例调研分析，分布式供能系统供电容量配置一般不宜大于用户最小用电负荷，以确保机组运行不受用电条件限制；余热供热设备容量配置一般宜为用户最大用热负荷的20%～30%，目的是使机组获得较长的高效年运行时间，进而以相对较小的容量配置获得相对较大的用户全年供热份额。因此，建议分布式供能系统年利用时间应大于4 000 h，而余热供热占用户全年用热量的份额应保持在50%以上。

1.5规避风险

1)对于冷热负荷不足的风险(产生烂尾楼、冷热用户不愿接入系统等原因)，可以采用工程分期建设、设备分批招标的方式进行规避。

2)对于冷热负荷四季不均匀的风险，应利用各季节典型日逐时曲线的分析方式，并利用分析结果选择适度的余热制冷制热设备并配置调峰设备。

3)对于冷热负荷每日不均匀的风险，应采用优化运行方案的方式进行规避。

2系统简介

某工程项目(在我国华南地区)采用燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和蒸汽型溴冷机的系统形式，如图1所示。利用燃气轮机进行发电，燃气燃烧时所产生的高温烟气通过余热锅炉等热回收装置进行回收，并制取高温高压的蒸汽和热水。发电系统配置3套燃气一蒸汽联合循环机组，建设规模为165 MW，即单台燃机的额定发电出力约为43 MW，单台蒸汽轮机的额定发电出力约为12 MW，单套联合循环发电出力为55 MW，3套机组总发电出力为165 MW。

根据厂家资料，燃机发电效率为42%，蒸汽轮机在纯凝工况时发电效率为11%，制冷所需热源量通过蒸汽轮机纯凝/抽凝工况调节，因此，供热效率较低，为21.5%；制冷系统配置9台制冷量为9.1 MW的蒸汽型溴机，2台制冷量为3.117 MW的热水型溴机，8台8.8 MW与2台4.4 MW的电制冷机；生活热水系统配置3台烟气换热器，提供的热水量为255 t/h；蒸汽型溴机的蒸汽热源来自于蒸汽轮机抽汽，最佳抽汽量为32 t/h；电制冷机组所需用电为厂用电。

图1　某工程项目分布式供能系统原理

3对冷热负荷的整理归纳

3.1不同季节典型日逐时负荷曲线

在绘制日逐时负荷曲线时，应根据各项负荷的种类、不同性质的建筑物以及蓄热(冷)的容量分别逐时叠加。

某工程供冷热区域内分别有商业、办公、酒店及物流类建筑，其空调期典型日冷负荷逐时曲线分别为图2、图3、图4和图5所示，将4张图的热负荷叠加即可得到该供应冷热区域的夏季(空调期)典型日逐时负荷曲线。

图2　商业部分典型日冷负荷逐时曲线

图3　办公部分典型日冷负荷逐时曲线

图4　酒店部分典型日冷负荷逐时曲线

依照上述方法，可以分别获得冬季(采暖期)、春季(过渡季)和秋季(过渡季)各个典型日逐时负荷曲线。

依此类推，还可以绘制工业热负荷、生活热水负荷的不同季节典型日逐时负荷曲线。

图5　物流部分典型日冷负荷逐时曲线

3.2不同季节典型日逐时负荷曲线的应用

某工程空调季各种冷(热)负荷典型日逐时负荷曲线，如图6所示。

图6　空调季逐时冷负荷频率分布

3.3典型日逐时冷、热负荷曲线的分析要点

冷、热负荷的确定是联供系统设计的首要条件，只有在正确确定冷、热负荷的前提下，才有可能合理保证系统配置，减少建设投资并节省运行费用。由于计算总负荷偏大会导致主机设备偏大、管道输送系统偏大、末端设备偏大，进而会给投资和节能环保带来潜在问题，《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019中已将“应对空气调节区进行逐项逐时的冷负荷计算”作为强制条文。绘制不同季节典型日逐时冷、热负荷曲线，是为了确定联供系统中发电设备容量和由余热提供的冷、热负荷，通过逐时负荷分析，并结合冷、热负荷频率分布图，在系统配置造型时使发电余热能够全部利用。

4冷热电负荷分析

4.1计算内容

1)根据夏季冷负荷和制冷机组优先开启顺序确定开机台数和水泵运行情况。

2)根据蒸汽型溴机开启台数和热力系数确定溴机吸热量，进而确定蒸汽轮机的抽汽量或纯凝/抽凝工况。

3)根据夏季生活热水负荷确定汽水换热器换热量。

4)在已知联合循环系统工况条件下，系统发电量应该是天然气耗量与燃机发电效率之积，再加上该工况下蒸汽轮机发电机组的发电量。

5)根据各时刻电制冷机开启台数和机组EER确定机组功率，结合该时刻水泵功率求得该时刻厂用电量。

6)发电量减去厂用电量得出能源站对外供电量。

7)逐时对比用户用电负荷与能源站对外供电量的差异，定量分析需从电网上的购电量。

4.2计算结果

采用DeST软件对项目中的用户进行建模，并模拟全年冷热负荷变化特性，可以得到各建筑全年生活热水负荷与空调冷负荷逐时值、最大/小值、平均值、全年累计值以及部分负荷特性。