燃气分布式能源在某医院中的应用分析

王 健

无锡华光锅炉股份有限公司

引言

燃气分布式能源系统是指以天然气清洁能源为燃料，应用燃气轮机、燃气内燃机等各种热动力发电机组和余热利用机组的能量转化设备，为用户提供冷、热、电等各种负荷需求的分布式供能系统。燃气分布式供能系统既能实现能源的梯级利用，将年平均能源综合利用率控制在70%以上，节约能源，同时由于燃气分布式能源系统多采用清洁的天然气能源，能减少污染物排放，环保效果明显。随着人们生活水平的提高以及对生活质量要求的提高，能源问题逐渐成为制约人类发展的重大问题［1-2］。能源消耗量的不断增加，以及环境的日益恶化，使人们已意识到提高能源利用率和保护环境的重要性与迫切性。考虑到实际情况，大力发展能同时提供冷能、热能和电能的燃气分布式能源系统对实现建设资源节约型社会具有非常重要的意义。

医院在常规公共建筑中属于用能大户，其能源消耗大约是一般公共建筑的2倍，同时对供电的可靠性要求特别高［3］。燃气分布式能源作为一种相对独立的供能系统，除常规供电系统外，可以为医院多提供一路可靠的电源和冷热源，摆脱对大电网的依赖，增加了医院供能的可靠性。

燃气分布式能源系统最重要的因素之一，是冷热电负荷的稳定性，而医院一般用能负荷较大且同时具备冷热电负荷，最适合应用燃气分布式能源系统，且适合常年运行分布式能源系统。

在设计燃气分布式能源系统时，一般基于某一固定工况，当用户的冷热电负荷变化较大时，系统全年实际运行时低负荷时段相对较多，全年运行效率远低于设计值。医院负荷波动较大，因此在设计燃气分布式能源系统时必须根据实际情况，综合考虑各方面因素来确定燃气分布式能源系统的配置，结合其运行工况，保证系统全年高效运行［4］。

本文以无锡某新建医院为例，对其负荷需求进行分析，设计与其负荷匹配的燃气分布式能源系统，并分析其运行方式及经济性。

1 项目负荷分析

该新建医院为无锡某医院的分院，建成后向医院提供冷、热、电三种能源，鉴于供冷与供热的经济性和系统运行的稳定性，本项目中燃气分布式能源系统主要向该医院提供电力、热水和蒸汽，制冷采用常规空调机组。

作为新建项目，项目冷、热、电的负荷数据来自于前期设计资料。在设计方对建筑物进行冷热电负荷预测和供能设备选型时，考虑到需要保证用户在最恶劣室外温度环境条件下的用能需求以及运行的可靠性，往往根据建筑物的最大负荷并留出一定的余量进行冷热电设备设计选型配置。在最大负荷与设计负荷之间留有一定的设计余量。另外，因运行季节的不同，冷热源设备的负荷也会发生变化，在最大负荷和最小负荷之间也会有较大的差距。因此，对供能用户实际负荷的预测就显得尤为重要[5]。

1.1 热负荷

根据业主和设计院提供的前期设计资料，整个医院设计总热负荷为3 600kW，最低热负荷为800kW，主要用于采暖（每年11月15日～3月15日供暖），部分用于每日的消毒、餐饮。卫生用热水采用太阳能，不足部分用蒸汽加热。

1.2 热水负荷

根据规范［6］，生活热水定额按如下标准选取：医院住院部100L/(床·d)，医务人员90L/(人·班)，门诊部10L/(人·次)。选取合理的用水人数，预测日均热水负荷约为100t，该热水负荷包含在医院设计总负荷3 600kW以内。

1.3 蒸汽负荷

蒸汽主要用于医院消毒、蒸汽加湿、厨房蒸煮和洗涤烘干等，其中蒸汽消毒主要用于医院无菌用品的清洗、打包和消毒灭菌，蒸汽加湿主要是负责供应病房和门诊大楼[7]。根据设计负荷，该医院的蒸汽负荷约为1t/h。

1.4 空调冷负荷

根据设计资料，整个医院的最大冷负荷为7 200kW，最低冷负荷为1 600kW，平均冷负荷为5600kW。

1.5 电负荷

根据业主和设计院的前期设计资料，医院变压器容量为2台1 600kVA，最大用电负荷为2 800kW，最小用电负荷为500kW，平均用电负荷为1 500kW。医院用电电压等级为400V，因此发电机组并网点接入400V端可满足医院的用电电压等级，可供医院用电设备使用。本方案在进行燃气分布式能源系统容量设计时，采用“以热定电”原则，同时结合电力接入处变压器的实际用电负荷（“以电定热”）及变压器容量等因素。

2 系统设计方案

2.1 设计原则

在进行分布式供能系统容量设计时，除根据“以热定电”原则考虑用户用热（热水和空调）负荷外，还要考虑电力接入处变压器的实际用电负荷（“以电定热”）及变压器容量等因素。为了保证分布式供能系统的发电机组能长期在较高的工况下运行而不发生向电网倒送电的现象，同时又要获得较高的经济效益（“热电平衡”），因此机组的容量不宜选得过大，但也不宜过小。

供电方面，采用并网不上网方式，由燃气内燃机为医院提供电负荷，不足负荷由市电提供；供冷方面，直接采用中央冷源电制冷系统，设备配置为：2 800kW水冷机组2台、1 600kW水冷机组1台。供热方面，首先利用发电机余热通过余热直燃机为用户供热，不足部分由燃气锅炉提供。用户目前总的配电容量为2×1600kVA。因此发电机组的单机容量不宜超过400kW。为保证项目的规模效益及供电的安全性，同时兼顾项目经济收益，保证余热利用率，该项目总装机容量建议不要太大，保证机组具备满负荷运行条件。

该项目商业电价0.80元、气价3.20元，气电价格比为4，此值较高，因此需要选用热、电效率高、总效率高的发电机组，充分利用一次能源和余热，达到最高的经济性。本方案测算按照选用一台德国进口MTU12V400GS热电联产机型，主要设备配置参数见表1。

表1 主要设备配置参数

当发电机容量和类型确定后，可供利用的余热量也同时确定。制热工况时，初步考虑用余热锅炉和高效板式换热器，分别回收机组排气和缸套水废热生产热水。本方案为一台热电联产机组总余热供热负荷454kW，余热负荷占医院总设计供热负荷的12.6%，不足的部分由燃气锅炉补充。其系统原理如图1。

图1 燃气热电联供机组系统原理图

当燃气热电联供机组输出制热量无法满足医院采暖和热水负荷需求时，采用燃气热水锅炉进行调峰。根据上述负荷分析，考虑部分设计余量，调峰锅炉装机容量为一台4t/h热水锅炉（折合2 800kW），实际运行时优先考虑采用燃气发电机组输出的余热量，根据实际选型后发电机组的制热量，对本项目配置的燃气热水锅炉可降低运行负荷。为满足医院消毒、食堂最大用蒸汽的需求，另配置1台蒸发量为1t/h的燃气蒸汽锅炉（折合700kW），总的供热能力为3 954kW，大于设计总热负荷3 600kW，完全满足医院的热需求。其系统原理如图2。

图2 分布式能源站系统原理图

2.2 燃气内燃机主要技术参数

本方案测算按照选用一台德国进口MTU12V400GS热电联产机型，主要技术参数如表2。

表2 燃气内燃机技术主要参数

3 运行模式

本方案只采用一台燃气内燃机，供热能力454kW，占医院总热负荷的12.6%，最低热负荷为供电能力357kW，占医院总电负荷的12.75%。

由于分布式供能系统根据能源梯级利用原理进行设计，具有显著地节能减排效果，且运行时间越长，其经济性越好。因此，对于分布式供能系统能够提供的能源需求，应由分布式供能系统优先提供；其供能不足部分，由其他设备（系统）补足，形成分布式供能系统优先运行，其他供能设备作为备用和调峰的运行模式。由于分布式供能系统在整个能源构成比例中属于基本负荷部分，可以始终处于较高负荷运行。

由于该医院热负荷主要是冬季采暖，非冬季的热负荷由太阳能热水系统及燃气热水锅炉供应，而且本方案配置的机组占该医院热负荷和电负荷的比例较小，因此燃气分布式能源系统只在冬季的时候运行，运行小时数为2 800h（11月15日至次年的3月15日），机组能够满负荷运行。

4 经济性分析

本方案机组选型相对较小，仅满足该医院部分热负荷和电负荷，因此我们将燃气分布式能源系统供应的热和电与常规供能系统进行比较，分析采用天然气分布式能源系统后降低能源消耗。

以冬季运行为例，本方案机组每小时消耗天然气98.5Nm3，生产357kW电能及454kW热能，消耗能源成本为315.2元/h。本方案中，天然气价格3.2元/Nm3，电价0.8元/kWh，燃气锅炉效率90%，天然气热值8 300kcal/Nm3，则采用常规能源的话，生产357kW电能及454kW热能需要消耗市电357kWh，天然气52.27Nm3，消耗能源成本为452.86元/h。因此，采用本方案中的燃气分布式能源系统能够减少能源成本137.66元/h。

5 结语

医院负荷种类较多，电、热、冷负荷波动大，但医院用能时间较长，采用天然气分布式能源系统为医院供能需根据医院的负荷波动选择合理的机组容量和运行方式[8]。

由于燃气分布式能源系统装机价格相对较高，因此需保证机组运行时间较长，在制定装机方案时，需与医院负荷分析数据相匹配，防止设备选型过大，无法高负荷运行，降低设备效率；针对不同时段医院的负荷变化情况，制定合理的运行模式，可以提高系统的整体运行效率，降低运行成本。在合理的机组运行模式下，燃气分布式能源系统可以降低医院的用能成本，减少运营费用。