用于区域供冷的燃气分布式能源站系统设计探讨

常　丽，秦　渊，马彦涛

（中南电力设计院有限公司，湖北武汉430071）

用于区域供冷的燃气分布式能源站系统设计探讨

常丽，秦渊，马彦涛

（中南电力设计院有限公司，湖北武汉430071）

本文简述了燃气分布式能源站及区域供冷的系统特点，提出燃气分布式能源站用于区域供冷时的设计难点，并以广东省某项目为例，介绍了项目的负荷情况、供冷需求及系统配置情况，通过两种方案的技术经济比较，提出用于区域供冷的燃气分布式能源站设计建议。

燃气分布式能源站；区域供冷；系统配置；技术经济性分析

0　引言

随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，高能耗建筑比例不断增大，势必会加剧能源危机，因此，中国乃至世界各地都在积极寻找途径跟高效更环保的能源利用方式。区域供冷和燃气分布式能源站作为目前大力推广的高效能源利用方式，必将得到更广泛的推广和应用。本文将对用于区域供冷系统的燃气分布式能源站的设计进行探讨。

1　区域供冷与燃气分布式能源站系统特点

区域供冷系统（district cooling system，简称DCS）是指在一个建筑群中设置集中的制冷站制备空调冷水，再通过输送管道，向各个建筑供给冷量的系统。燃气分布式能源站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，在负荷中心就近实现能源供应的能源供应方式，综合能源利用效率在70%以上，是天然气高效利用的重要方式。

1.1区域供冷系统特点

（1）与常规制冷机房相比，区域供冷系统供冷范围大，供能范围内建筑类型多，通常有酒店、商业、办公、住宅等，冷负荷的互补性强，逐时冷负荷曲线平缓，各建筑同时使用率低，这样相同的供冷面积，可减小制冷机房装机容量，减少机房占地面积和运维成本[1]。

（2）区域供冷系统中制冷机房规模较大，有条件采用更先进的制冷设备、能量输送设备及智能化控制系统，并能有效保证大型制冷设备在高效满负荷情况下运行，提高能源利用效率，比常规集中式空调系统节能约35%[2]。

（3）《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中提出，区域供冷系统应优先选用分布式能源站、热电厂等余热作为制冷能源，选用溴化锂吸收式冷水机组作为冷源设备，利用余热供冷，实现能源的梯级利用节能减排[3]。

（4）区域供冷系统供冷半径不宜超过1.5km，尽量采用大温差供冷，降低输送能耗[4]。

1.2燃气分布式能源站系统特点

（1）燃气分布式能源站是建立在用户附近的能源站利用系统，以天然气为输入能源，对外提供电力、冷冻水及热水，系统配置一般为发电机组+余热利用设备+调峰供冷供热设备，发电机组余热类型一般为蒸汽、热水、烟气，余热利用设备依据发电机组余热类型选取，能源综合利用率一般在75%~85%。

（2）燃气分布式能源站在系统配置应遵循以冷热负荷定发电量的原则，而这里所提出的冷热负荷不是指能源站的设计冷热负荷，而是经过经济技术比较之后，确定的相对稳定的冷热负荷[5]。

（3）燃气分布式能源站产出的电力的使用存在“并网不上网”、“并网运行，余电上网”、“就地直供，余电上网”等运行模式，发电机组的容量确定除受冷热负荷限制外，也受电力使用方式限制。

1.3用于区域供冷的燃气分布式能源站系统特点

（1）采用溴化锂吸收式冷水机组作为冷源设备，实现发电机组余热的就地利用，降低制冷机房运行成本。但由于溴化锂机组本身制冷原理的限制，冷冻水供水温度一般为5～6℃，无法满足区域供冷的供水温度要求，冷冻水需要采取进一步降温措施后外供。

（2）发电机组为能源站内电力驱动的冷源设备提供电力，该部分电力将作为能源站的厂用电，实现电能的就地消纳，减少电网输送损耗及电网调度压力，避免电力“就地直供”等政策性壁垒[6]。

（3）在与冰蓄冷系统结合使用时，分布式能源站受作为“发电型”企业的限制，在购电运行时很难争取到峰谷电价，因此采用冰蓄冷作为系统调峰及降低供冷温度的措施要经过技术经济比较后确定。

2　案例分析

2.1项目概况

该项目位于广东省某新兴商务区，供冷范围约73万m2，建筑面积约332万m2，供冷范围内业态主要为五星级酒店、商业广场、购物中心等，能源站对各冷用户间接供冷，要求低温供冷，供冷温度3℃。根据供冷区域年冷负荷曲线及夏季典型日负荷曲线如图1、图2所示，并考虑能源站自用冷负荷，能源站设计冷负荷取85MW。

根据冷负荷分析结果，确定能源站系统配置方案：发电机组选用3台燃气内燃机，余热利用设备选用烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组，调峰设备选用的离心式冷水机组或冰蓄冷装置。由于能源站配置内燃机发电机组，为售电型企业，上网购电是不享受峰谷电价政策，购电价格统一按照商业用电0.89元/kWh。其余边界条件如下：天然气价格：2.65元/Nm3；售电价格：0.81元/kWh；售冷价格0.55元/kWh。

2.2溴化锂机组与离心机串联供冷方案

为实现3℃供水温度，采用溴化锂机组上游、离心机下游的串联供冷方案，溴机进出水温度13/8℃，溴机下游串联离心式冷水机组进出水温度8/3℃，内燃机发电机组+烟气热水型溴化锂机组+串联离心式冷水机组单元制设置，烟气热水型溴化锂机组与下游离心式冷水机组通过水路串联运行，载冷剂为纯水。供冷系统原理图如图3所示。

考虑到过渡季节及夜间冷负荷低谷时段，在满足冷用户舒适性要求的前提下，可适当提高冷冻水供水温度，烟气热水型溴化锂机组选型时需复核机组在冷冻水供回水温度6/13℃及7/13℃时可稳定运行，同时复核下游离心式冷水机组在冷冻水供回水温度3/13℃时可稳定运行。溴化锂机组与离心机串联供冷方案主要设备参数见表1。

表1　溴化锂机组与离心机串联供冷方案主要设备参数表

依据能源站装机配置方案，烟气热水型溴化锂机组为余热利用设备，利用内燃机发电机组余热制冷，运行经济性最佳，串联离心式冷水机组与烟气热水型溴化锂机组配套设置、运行；大温差离心式冷水机组利用能源站自发电或者夜间购电制冷，只在夜间冷负荷低负荷时段或白天余热供冷量不满足要求时运行。

在能源站的实际运行过程中，能源站管理系统会依据气象条件及用户末端冷热负荷变化情况调整烟气热水型溴化锂机组、溴化锂机组下游串联离心式冷水机组、大温差离心式冷水机组的运行模式，以达到能源站收益最高。能源站100%负荷日运行策略如图4所示。

表2　溴化锂机组与冰蓄冷串联供冷方案主要设备参数

2.3溴化锂机组与冰蓄冷串联供冷方案

为实现3℃供水温度，采用溴化锂机组上游、冰蓄冷下游的供冷方案。内燃机发电产生的高温烟气及高温缸套水进入烟气热水型溴化锂机组，制取6℃冷冻水，冰蓄冷系统融冰板换串联在溴化锂机组下游，将6℃冷冻水降温至3℃外供；供冷系统供回水温度3/13℃。溴化锂机组与冰蓄冷串联供冷方案主要设备参数见表2。

由于项目没有峰谷电价政策，为保证系统运行的经济型，应尽量采用能源站自发电蓄冰，根据冷负荷分布情况，发电机组仅在每天7:00~21:00运行，该时段也是冷负荷高峰时段，为避免边蓄冰边融冰的运行模式，设置两个容量100MWh的蓄冰槽，切换运行。能源站100%负荷日运行策略如图5所示。

2.4经济性分析

项目的边界条件如下：天然气价格：2.65元/Nm3；购电价格：0.89元/kWh；售电价格：0.81元/kWh；售冷价格0.55元/kWh。能源站在采用溴化锂机组与离心机串联供冷方案或溴化锂机组与冰蓄冷串联供冷方案的系统配置时管网系统设计相同，在此不作比较。

分别计算两种方案在100%、75%、50%、25%负荷工况日的运行策略计算运行收益。经济性比较详见表3。

与溴化锂机组与离心机串联供冷方案相比较，溴化锂机组与冰蓄冷串联供冷方案初投资高1550万元，运行年收益低542.8万元，可见在没有峰谷电价政策的情况下，即使使用能源站的自发电蓄冰供冷，运行经济性仍然较差，且冰蓄冷系统存在初投资高、控制系统复杂、蓄冰及融冰存在换热损失等特点。因此在用于区域供冷的燃气分布式能源站项目中，当没有峰谷电价政策时，推荐采用溴化锂机组与离心式冷水机组串联供冷方案。

表3　典型负荷工况日的经济性比较

3　用于区域供冷的燃气分布式能源站项目设计注意事项

3.1系统配置的灵活性

采用溴化锂机组与离心式冷水机组串联供冷方案时，在机组选型时需要复核溴化锂机组、离心式冷水机组独立运行时的稳定性安全性。在系统设置上，供冷系统通过阀门的切换，可实现烟气热水型溴化锂机组与离心机串联供冷、烟气热水型溴化锂机组单独供冷、离心式冷水机组单独供冷、烟气热水型溴化锂机组与离心机并联供冷四种运行模式。

3.2系统控制的安全性

采用溴化锂机组与离心式冷水机组串联供冷方案时，离心式冷水机组串联在烟气热水型溴化锂机组下游运行，在设备选型时要复核离心机和溴机允许流量变化范围及变化率，确保设备运行安全，防止出现冻管、结晶等问题。根据冷负荷分析结果，制定合理的运行策略，尽量延长溴机运行时间，保证能源站整体经济性。在冷负荷需求下降时，冷冻水回水温度降低，保持溴化锂机组供冷量不变，优先卸载离心式冷水机组，溴化锂机组出口温度降低至机组保护温度（建议设定为6℃）时，再开始卸载烟气热水型溴化锂机组。

3.3管网敷设的经济性

燃气分布式能源站用区域供冷时，由于供冷范围扩大，供冷管网庞大，因此管网流速及敷设形式的确定需要经过详细分析论证，同时计算管网保温材料的选取及厚度，减少输送损失。

4　结语

本文阐述了用于区域供冷的燃气分布式能源站系统特点，并以广东省某燃气分布式能源站为例，分析了其系统配置情况、运行策略、经济性，提出设计时注意事项，同时提出以下结论及建议：

（1）采用燃气分布式能源站作为区域供冷冷源，利用天然气发电机组排放余热制冷，提高一次能源综合利用率，符合国家能源政策。且随着天然气价格改革、分布式能源投资补贴、燃气发电上网电价补贴诸多利好政策的出台，用做区域供冷的燃气分布式能源站将得到更快的推进和发展。

（2）用于区域供冷的燃气分布式能源站具有其自身特点，要根据冷负荷分析情况，结合天然气价、购电价格、售电价格、售冷价格等外部条件，合理配置系统装机方案，确定经济可行的运行策略。在有低温供冷需求时，是否采用冰蓄冷方案应经过技术经济比较后确定。

（3）区域供冷多采用间接供冷方式，冷用户与供冷管网之间通过板换隔开，板换一次侧的控制由能源站实现，板换二次侧的控制由冷用户负责，各用户控制随意性较大时，会造成能源站供回水温差减少，造成输送能耗增加等问题。在能源站控制系统设置中要采取防范措施，如在与用户签订的供冷协议中规定用户侧回水温度等措施。

[1]殷平.冷热电三联供系统研究（4）：区域供冷和区域供热[J].暖通空调，2013，43（7）：10-17.

[2]GB50189-2015,公共建筑节能设计[S].

[3]GB50736-2012,民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[4]陆耀庆，等.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]CJJ145-2010,燃气冷热电三联供技术规程[S].

[6]康英姿.区域供冷系统与燃气分布式能源系统的结合[J].煤气与热力，2007，27（2）：62-66.

Discussion of Distributed Energy Station Used in District Cooling System

CHANG Li，QIN Yuan，MA Yan-tao
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

Thispaperbriefly describes the system characteristic ofgasdistributed energy station and districtcooling system,propose difficultiesin design ofgasdistributed energystation used in districtcooling system,then,takinga projectin GuangDong province for example,introduces the the condition of load,cooling demand and system configuration,through two kinds of schemes of technicaland economic comparison,give design recommendation forgas distributed energy station used in districtcooling system.

gas distributed energy station；district cooling system；system configuration；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.002

TU83

B

2095-3429（2016）05-0005-05

常丽（1982-），女，湖北武汉人，高级工程师，从事暖通及燃气分布式能源站设计。

2016-08-17

2016-10-10