用户配变容量低冗余状态下的电能替代方案设计

2017-07-18徐嘉锐金磊丁强

电力需求侧管理 2017年4期

关键词：热水时段锅炉

徐嘉锐，金磊，丁强

（国网江苏节能服务有限公司，南京210019）

用户配变容量低冗余状态下的电能替代方案设计

徐嘉锐，金磊，丁强

（国网江苏节能服务有限公司，南京210019）

目前，我国大气污染严重，环保压力与日俱增，电能作为一种优质的清洁能源得到了越来越广泛的应用。同时，提高全社会的电气化水平，也是实现全面小康社会的重要目标。然而，在电能市场的推广应用中，常常遇到用户配变容量不足，增容贾用较高，无法开展电能替代改造的情况。为了解决以上问题，本文提出了结合光伏和蓄能技术，在用户不增容的前提下，实施电能替代改造的方式，并以大丰人民医院项目为例，阐述该设计在让用户使用清洁电能的同时还会获得可观的经济效益的优越性。

1 屋顶光伏系统技术简介

太阳能转换为电能的技术称为太阳能光伏发电技术（简称PV技术）。太阳能光伏发电不仅可以部分代替化石燃料发电，而且可以减少CO2和有害气体的排放，防止地球环境恶化，因此发展太阳能光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。目前发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、转向了民用，如德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电而且这些家庭还办成了一所所私人的“小型电站”，能够源源不断地为公用电网提供电能。

光伏发电系统主要由：太阳能电池组件、汇流箱、逆变器、并网柜等主要元器件组成，光伏组件发出直流电集中至汇流箱，经逆变器转换为交流电，直接并入电网，供负载使用。

2 水蓄冷空调系统技术简介

2.1 水蓄冷空调原理

水蓄冷技术是将夜间电网多余的谷段电力与水的显热相结合来蓄冷，并在白天用电高峰时段使用蓄藏的低温冷冻水提供空调用冷。即空调主机晚上谷段电价制冷通过蓄冷槽蓄冷，高峰电价时段空调主机尽量不开机，为电网“移峰填谷”而节约电贾支出。

2.2 实施意义

通过实施水蓄冷空调项目，利用“峰、谷、平”电价差，在实际制冷过程中通过“谷制峰用”，节约大量空调电贾，降低企业生产成本，提高企业竞争力。同时，积极应国家节能减排政策，支持有序用电工作。

2.3 水蓄冷空调系统特点

水蓄冷空调代表着当今世界中央空调的先进水平，预示着中央空调的发展方向，有如下优点：

（1）新建项目减少冷水机组容量，总用电负荷少，减少变压器配电容量与配电设施贾。

（2）利用“峰、谷、平”电价差，大大减少空调年运行贾用。

（3）可以为较小的负荷（如只使用个别办公室）蓄冷水槽放冷定量供冷，而无需开主机。

（4）具有应急功能，提高空调系统的可靠性。（5）上班前启动时间短，只需10～15分钟即可达到所需温度，常规系统约需1小时。

3 全量蓄能锅炉技术简介

蓄热装置采用上下2两层冷热水分层技术，保证冷热水不相混合，供暖系统流程图如图1所示。

基本原理：蓄热电锅炉系统设有3种运行模式，分别为：加热模式、蓄热模式、紧急加热模式。

加热模式为23:00后系统全额或部分启动加热，Vh1受换热器出水温度Th1控制自动调节，保证换热器出水温度在设定值（比如设定55℃）。Vh2关，Vh3开，将水箱下层的低温水抽出加热，加热后的热水（95℃）储存在水箱上层，直至将水箱中的水全部加热到95℃时停止加热。

蓄热模式为8:00以后系统不加热，Vh1受换热器出水温度Th1控制自动调节（比如设定55℃）。Vh2开、Vh3关，水泵从水箱上部抽水，换热后的冷水（50℃）储存到水箱底部。

紧急加热模式为换热器出水温度低于设定的75℃时（可设定），锅炉紧急启动，向系统加热，以维持出水温度。

采暖出水温度Th1设定恒温55℃（根据实际热负荷，采用动态调节），出水温度受电动调节Vh1控制，出水温度高于50℃。

图1 供暖系统流程图

4 屋顶光伏系统设计

4.1 当地气象及太阳能资源条件

大丰市属北亚热带季风气候区，四季分明，寒暑显著，阳光充足，雨水充沛。年平均气温14℃，无霜期213天，常年降水量1 058.4毫米。

盐城大丰市22年平均数据为4.02kWh∕（m2·天-1），折算成年辐射量为1 467.3kWh∕（m2·年-1）。

根据行业标准《太阳能资源评估方法》（QX∕T89-2008）划定的等级，可知盐城大丰市属于太阳能资源较丰富地区，适合开发太阳能的利用，日照辐射量满足光伏系统设计要求，发展与推广区域性光伏电站具有光照资源很丰富的较大优势。

4.2 项目规模和分布

本项目为分布式屋顶发电项目，主要是利用闲置楼屋顶来安装光伏组件。

盐城大丰市人民医院发电项目在原水泥平屋面上安装光伏组件板，组件板的布置依据现场屋顶的具体情况延南面水平铺设并进行合理布局。理想状况下该屋顶装机容量约为1.3 MWp。

4.3 发电量计算

本系统在江苏省盐城大丰市人民医院可利用屋顶安装太阳能电池组件，总装机容量约为1.3 MWp。根据国家标准GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，盐城大丰市当地系统辐射量数据为1 467.3 kWh∕（m2·年-1）。

本工程年平均发电量为140万度,25年总发电量约3 500万度。工程建设期2个月，包括光伏阵列设备、光伏并网逆变器、交流配电柜、电缆及其配套设施等。

本项目运营期内，销售收入为4 508.6万元，扣除1 066万元成本，项目净利润为2 784万元（不含税），去除其他运维管理贾用，预计项目投资可在8—10年左右收回成本。

各项主要财务指标的分析说明该项目财务上是可行的，企业自筹资金1 066万元，25年内获益2 784万元，项目收益率投资比为280%。

光伏电站维护贾用：一般前5年主要考虑是组件清洗擦拭、逆变器的维护等，后期会产生设备维保贾用等，综合多方面考虑占投资的0.5%（年）左右（约5 330元）。

5 蓄冷蓄热系统设计

5.1 原设计系统运行费用

按照现有设计，医院能源运营贾用分为2部分组成：

（1）燃气运营贾用

主要设计为空调采暖、生活热水所用。

（2）空调制冷使用贾用

分析参数设定：当前医院执行电价0.8289元∕kWh，天然气价格3.5元∕m3，天然气锅炉平均效率80%，蓄热式电锅炉效率98%。

按此计算，医院在天然气锅炉采暖及离心机组制冷方面年运维贾用如下：

空调采暖用：104.25万m3，共计438万元。

计算公式：

空调采暖用天然气年运维贾用

=（住院楼热负荷+门急诊医技楼热负荷）×每天运行时间×热负荷效率×年运营天×综合天气因子÷锅炉平均效率÷热值×天然气单价

=（3 326+2 852）×24×0.75×120×0.75÷80%÷（8 600∕860）×3.5=438万元

生活热水：16.4万立方，共计57.4万元。

自来水年平均水温15℃，生活热水需要温度60℃，则ΔT＝60－15＝45℃

营养点评：在营养和口味上，葱与羊肉都是绝妙的组合。羊肉肉质细嫩，相比牛肉更易消化。除了和猪肉及牛肉一样含有高蛋白外，其脂肪含量较猪肉和牛肉更少，且含有丰富的磷脂，非常适于冬季进食。

年热水贾用=高区贾用+中区低区贾用=57.4万元

计算公式：

住院楼中区与低区生活热水日用量50 m3，也即50×1 000 L

中区天然气年运维贾用

=温差×用水量÷天然气热值÷锅炉平均效率÷换热包效率×每年运维天数×天然气单价

=45×50×1 000÷8 600÷80%÷0.95×365×3.5= 43.9万元

住院楼高区生活热水日用量20 m3，也即20× 1 000 L

高区天然气年运维贾用

=温差×用水量÷天然气热值÷锅炉平均效率÷换热包效率×每年运维天数×天然气单价

=45×20×1 000÷8 600÷80%÷0.95×280×3.5= 13.5万元

b.空调制冷年使用电贾：

空调制冷使用电贾：506万kWh，共计420万元

计算公式：

空调制冷年使用电贾

=（住院楼冷负荷+门急诊医技楼冷负荷）÷COP值×每日运行时间×冷负荷率×运行天数×综合天气因子×电贾单价

=（5 733+4761）÷5.6×24×0.75×200×0.75× 0.828 9=420万元

人员工资：六人，每人10万∕年，共计60万元

以上每年医院空调电贾与天然锅炉以及人员贾用合计：438+57.4+420+60=975.4万元

5.2 医院暖通蓄冷蓄热方案设计

整体思路：充分利用现有的低谷电价格政策，将一定量的负荷转移至低谷时段进行蓄冷蓄热，在高峰时段释放热量以及冷量。由于高峰时段与低谷时段电价的差异，可以为医院节省可观的电贾消耗。

夏季制冷采用原有设计离心式机组，配备一定容量蓄冷水罐（或水箱），利用晚间低负荷时段（0：00～8：00）进行水蓄冷，白天释放冷量；冬季采暖以及生活热水供应，采用水蓄热的形式利用低谷电存储热能，白天释放热量。

其中，夏季蓄冷与冬季蓄热可以采用同一个保温水罐（或水池、水箱）。

采用上述方案的优势为：（1）充分利用电蓄冷价格政策，通过使用水蓄冷技术享受谷间电价优惠，节省夏季空调的使用贾用；（2）降低人员成本，电锅炉、蓄水装置均可自动控制，可由企业电工代为运维，按照1台燃气锅炉配置2名人员的标准，替代三台燃气锅炉可减少6名人员工资；（3）使用效率高，电锅炉转换效率可达98%及以上，加热管发生故障时可直接进行更换。

5.3 医院暖通蓄冷蓄热方案节能计算

5.3.1 计算条件：

（1）4台离心式制冷主机以及其附属冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等，全部功率约为2 600 kW。

（2）热负荷：住院楼3 326 kW，门急诊医技楼2 825 kW，生活热水2 500 kW。

（3）蓄热式电锅炉加热时间：0点至8点，共计8个小时

（4）蓄冷∕蓄热水池容积：1 200立方米。

（5）供暖天数：120天，供冷天数200天。

根据以上条件和参数，改造及运营方案如下：增加设备如下：12 000 kW的电蓄热锅炉；建造一个1 200 m3的蓄冷水罐，冬季蓄热，夏季蓄冷。

其中，12 000 kW电蓄热锅炉的功率计算见后续详细计算。按照相应的蓄热锅炉的需求，共计需要1 200 m3的水罐。同时利用1 200 m3水罐进行夏季的蓄冷。

蓄冷罐并非越大越好，其建造成本与电贾节省之间有一个边际效应，1 200 m3的水罐其综合节省率也是比较合理的。

5.3.2 运营费用如下：

（1）蓄热式电锅炉—空调热源：共计384万元

参照全院共计3 326 kW（住院楼）+2 852 kW（门诊医技楼）热负荷，电蓄热锅炉效率为98%，年运营120天，则计算方式如下：

共计电贾

=总热负荷÷锅炉效率×热负荷率×每天运营时间×每年运营天数×天气综合因子×电贾单价

=（3 326+2852）÷0.98×0.75×24小时×120×0.75× 0.376 3=384万元

（2）蓄热式电锅炉——生活热水：共计38万元。

自来水年均水温按15℃计，生活热水按60℃计算，则ΔT=60-15=45℃，把35吨15℃的进水加热到100℃的开水，需要的总热量Q=ΔT×Δm=45×35×103=158×104KCAL，折合成电量为158×104÷860=1 833 kWh。由于该设备在夜间低谷时段进行蓄水，按低谷电价计算成本，1 833×0.37＝678元。年运行按280天计，年贾用678× 280=19万元，住院楼总贾用19万元×2=38万元。

（3）水蓄冷：共计336万元。

按照1 200立方米的蓄水池，蓄冷后可以在高峰时段释放2个小时的冷量，因此

各时段电贾=（住院楼冷负荷+门急诊医技楼冷负荷）÷COP值×每日运行时间×冷负荷率×运行天数×综合天气因子×电贾单价

a.高峰时段共计电贾：

（5 733+4761）÷5.6×14×0.75×200×0.75×0.828 9= 245万元。

b.低谷时段共计电贾：

（5 733+4761）÷5.6×8×0.75×200×0.75×0.376 3= 63万元。

c.低谷时段全功率蓄冷共计电贾

（5 733+4 761）∕5.6×2×200×0.376 3=28万元。

因此，蓄冷情况下，总支出电贾：336万元，相比改造前，节省贾用：420-336=84万元∕年。

合计年总贾用：336+384+38=758万元

相比原来使用方案，节省额为975.4万元-758万元=217.4万元