天然气分布式能源站蓄冷方案研究及应用

王学勤，江婷，徐静静，邓亚男，胡永锋

(1.中国华电集团有限公司上海公司，上海 200126； 2.华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100070)

0 引言

随着社会和经济的发展，贴近用户、温度对口、梯级利用的天然气分布式能源系统得到大力发展。天然气分布式能源系统按类型可分为楼宇型分布式能源系统与区域型分布式能源系统，典型用户包括工业园区、酒店、医院、数据中心、商业综合区等。由于主机类型及系统配置不同，楼宇型与区域型分布式能源系统综合能源利用效率有所不同。目前，楼宇型分布式能源系统综合能源利用效率最高可达88%左右，区域型分布式能源系统最高可达85%左右。然而，由于天然气分布式能源系统用户复杂，负荷波动大，设计阶段对冷热电负荷预测分析偏理想化，系统装机配置普遍偏大，从而导致天然气分布式项目投产后的运行效率低于设计效率，项目经济性较难达到设计水平[1]，因此关于天然气分布式能源装机配置以及运行模式的探讨则显得至关重要。

为了实现机组大多数工况下高负荷运行，天然气分布式能源系统一般遵循“以冷(热)定电，欠匹配”的设计原则，冷(热)负荷由基本负荷和峰值负荷组成。为了提高机组运行经济性，基本负荷由燃气发电机(内燃机、微燃机或燃气轮机)的余热利用设备供给，余热设备通常为溴化锂机组或余热锅炉。峰值负荷由调峰设备供给，通常为离心式制冷机组、燃气锅炉或蓄能(蓄冷、蓄热)装置[2-3]。由于蓄能系统具有很好的削峰填谷、平衡负荷的作用，在分布式能源站中配置一定规模的蓄能系统，不仅能够优化系统的运行策略，还可提高能源站的经济性[4]。本文以上海某楼宇型分布式能源站为例，对比分析了采用冰蓄冷系统和水蓄冷系统时系统运行模式的差别，并进行了2种蓄冷系统经济性的对比。

1 蓄冷技术介绍

蓄冷技术在天然气分布式能源站的应用，可充分利用电网低谷时段的低价电能，在夜间电网低谷及空调负荷低谷时间，制冷主机开机制冷并由蓄冷设备将冷量储存起来。待白天电网高峰用电及空调负荷高峰时，再将冷量释放出来满足高峰空调负荷的需要。这样不仅有利于平衡电网负荷，实现移峰填谷，缓解电力的供需矛盾，而且节省了运行费用。在主机出现故障或系统断电的情况下，蓄冷系统作为备用应急恒定冷源，提高了供能可靠性，既获得了较好的经济效益，又提高了供能的安全性。

常用蓄冷系统一般有冰蓄冷和水蓄冷2种，水蓄冷系统指利用水的显热实现冷量的储存，冰蓄冷系统指利用冰的融化潜热储存冷量。

冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白天融冰将所储存冷量释放出来，减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量。由于冰蓄冷主要利用冰的相变潜热进行冷量的储存，冰的溶解潜热为335 kJ/kg，在常规空调7～12 ℃的水温使用范围，其蓄冷量可达386 kJ/kg，是利用水的显热蓄冷的17倍。因此，与水蓄冷相比，储存同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积将比水蓄冷所需的体积小得多。近年来，冰蓄冷空调系统低温送风技术的应用，推动了冰蓄冷技术的发展。

冰蓄冷系统制冷机组的设计冷负荷计算公式为[5]

式中：φ为冰蓄冷空调系统制冷机组的设计冷负荷，kW；i为时间变量；φi为冰蓄冷空调系统承担的逐时冷负荷，kW；c为冰蓄冷空调系统蓄冰时制冷能力的变化率；t1为冰蓄冷空调系统在蓄冰模式下的运行时间，h；t2为冰蓄冷空调系统在供冷模式下的运行时间，h。

水蓄冷技术利用水的显热变化，随着水温的升高，其密度在不断减小，如果不受外力扰动，一般容易形成冷水在下热水在上的自然分层状态，但水在4 ℃以下时，随着水温的降低，其密度却在不断减小。因而水蓄冷水温可利用的下限为≥4 ℃，在4～14 ℃温度段内为宜。一般的水蓄冷技术是在电力负荷低的夜间，用电冷机制冷将冷量以冷水的形式储存起来。在电力高峰期的白天，不开或少开冷机，充分利用夜间储存的冷量进行供冷，从而达到电力移峰填谷的目的。应用在分布式能源领域的水蓄冷技术则是在冷量负荷低的时段将溴化锂吸收式制冷机制取的多余的冷量存储起来，在冷量负荷高的时段将蓄冷罐中的冷量释放出来，这样做一方面起到冷量削峰填谷的目的，减少了电力高峰时段电制冷机耗电量，节约运行成本。另一方面保证各个时间段主机的高负荷运行，提高整个系统能源利用效率。因此，分布式能源结合水蓄冷系统能大大提高系统的综合利用效率，更容易适应负荷的波动。

蓄冷水箱的容积按如下公式[6]计算

式中：Qc为蓄冷量，kW·h；Δt为释能回水温度与蓄能进水温度间的温差，℃；ρ为水的密度，取值为1 000 kg/m3；cp为水的比热容，取值为4.187 kJ/(kg·℃)；δT为蓄能水箱的完善度，考虑混合和斜温层等因素的影响，一般取值为85%～90%；δv为蓄能水箱的体积利用率，考虑布水器的布置和蓄能水箱内其他不可用空间等的影响，一般取值为95%。

2 蓄冷方案介绍

本文以上海某楼宇型分布式能源站为依托，结合设计日冷负荷逐时曲线，对冰蓄冷系统与水蓄冷系统2种不同的蓄冷方式进行了分析。上海某楼宇型分布式能源站8月设计日逐时冷负荷如图1所示。从图中可以看出，设计日负荷波动较大，在供冷工况下，以燃气内燃机及余热溴化锂机组满足基本冷负荷为原则，机组数量保持不变，若以满足最大时刻的冷负荷配置制冷机组，则制冷机组大部分时间将处于闲置或低负荷运行状态，不利于系统经济运行，若考虑加入蓄能系统，则可以有效减少离心式电制冷机组的配置容量，进而可以降低投资，提高系统运行经济性。根据负荷情况，在满足用户最大冷负荷的前提下，结合不同的调峰和蓄冷设备提出了2种调峰系统配置方案，分别为冰蓄冷方案(方案1)和水蓄冷方案(方案2)，2种方案系统配置见表1。

图1 8月设计日逐时冷负荷

方案设备台数规格方案1燃气内燃机84035kW吸收式溴化锂吸收式冷水机组8制冷量:3490kW,冷却水温度:32/38℃,冷冻水温度:6/15.6℃小离心式冷水机组2制冷量:3164kW,冷却水温度:32/37℃,冷冻水温度:6/15.6℃大离心式冷水机组4制冷量:6328kW,冷却水温度:32/37℃,冷冻水温度:6/15.6℃离心式双工况冷水机组4空调工况:制冷量6328kW,冷却水温度:32/37℃,乙二醇温度:8/13.5℃制冰工况:制冷量4115kW,冷却水温度:30.5/35.5℃,乙二醇温度:-5.6/-2.1℃方案2燃气内燃机84035吸收式溴化锂吸收式冷水机组8制冷量:3490kW,冷却水温度:32/38℃,冷冻水温度:6/15.6℃小离心式冷水机组2制冷量:3164kW,冷却水温度:32/37℃,冷冻水温度:6/15.6℃大离心式冷水机组6制冷量:6328kW,冷却水温度:32/37℃,冷冻水温度:6/15.6℃蓄冷水罐2净空:直径20m,高19m蓄冷量:64MW·h

注：表内只给出了系统配置的主要设备，泵等辅助设备并未列入其中。

由表1可以看出，冰蓄冷系统配置了2台制冷量为3 164 kW的小离心式冷水机组、6台制冷量为6 328 kW的大离心式冷水机组和4台离心式双工况冷水机组。水蓄冷系统则配置了2台制冷量为3 164 kW的小离心式冷水机组、6台制冷量为6 328 kW的大离心式冷水机组和2个蓄冷水罐，蓄冷体积共计12 000 m3左右。2种方案的供冷总装机容量均为84 MW。

采用冰蓄冷方案时，离心式双工况冷水机组在低谷电期间内满负荷运行制冰，制取的冷量储存在蓄冰装置中，白天峰电期间，采用外融冰串联回路联合供冷的工况下，开启制冷机组供冷，不足部分由融冰供冷来满足，通过各自板式换热器和冷冻水进行热交换，串联降温，满足供冷需求，蓄冰最大供冷量根据白天对负荷的需求与离心式冷水机组、双工况冷水机组进行协调供给。

采用水蓄冷方案时，在冷负荷低的夜间，将溴化锂吸收式制冷机制取的冷水存储在蓄水罐中，在白天峰电期间，联合溴化锂冷水机组与离心式冷水机组协调供冷，满足供冷的需求。

3 方案运行模式分析

本文根据上海某楼宇式分布式能源站所需求的负荷总量及负荷逐时变化情况，结合不同的调峰和蓄冷设备设计2种机组配置方案。这2种方案均能满足园区内的负荷要求，为保证最大限度的利用余热，则通过调整运行方式来达到不同的负荷需求。通常在能源站装机选型时，根据全年12个月的冷热负荷逐时曲线进行配置和分析，最终汇总得出机组的运行模式。本文重点针对不同蓄冷系统的应用分析，文章仅选择夏季8月份和过渡季4月份的运行模式进行介绍分析。

3.1 夏季8月设计日运行模式分析

冰蓄冷方案夏季8月设计日运行模式如图2所示，从图中可以看出24:00—6:00，由离心式双工况冷水机组开启蓄冷模式，此时属于低谷电时期，供冷负荷由离心式冷水机组供冷。07:00—22:00，开启内燃机和溴化锂主机，07:00—10:00，由溴化锂主机和蓄冰槽协同供冷，随着冷负荷需求加大，10:00—22:00，由溴化锂主机、离心式冷水机组、双工况冷水机组以及蓄冰槽融冰协同供冷。

图2 冰蓄冷方案夏季8月设计日运行模式

水蓄冷方案夏季8月设计日运行模式如图3所示，从图中可以看出与冰蓄冷系统不同的是，内燃机和溴化锂主机在01:00—24:00均开启， 24:00—06:00，溴化锂主机供冷之余，同时将溴化锂主机产生的部分冷水储存到蓄冷罐中，同时开启1台小离心式冷水机组调节供冷。10:00—22:00，由溴化锂主机，离心式冷水机组、蓄冷罐协同供冷。水蓄冷方案较冰蓄冷方案溴化锂主机开启时间长，最大开启台数均为8台，因此内燃机开启时间相应较长，系统发电小时数提高。

图3 水蓄冷方案夏季8月设计日运行模式

3.2 过渡季4月设计日运行模式分析

上海某楼宇型分布式能源站过渡季4月设计日逐时冷负荷如图4所示，可以看出负荷在1 d之内变化较大。

图4 4月设计日逐时冷负荷

表2 2种方案指标

冰蓄冷方案过渡季4月设计日运行模式如图5所示，在过渡季，23:00—5:00系统开启蓄冰模式，此时间段内的冷负荷由离心式冷水机组提供，07:00—22:00，开启融冰供冷模式，09:00—22:00，开启溴化锂主机供能模式，13:00—19:00，同时开启4台溴化锂机组。

图5 冰蓄冷方案过渡季4月设计日运行模式

水蓄冷方案过渡季4月设计日运行模式如图6所示，从图中可以看出，与冰蓄冷工况不同，09:00—24:00，01:00—05:00，溴化锂主机均开启，23:00—05:00，将溴化锂主机制取的冷水存储在蓄冷罐中，07:00—22:00释放出来。01:00—05:00冷负荷则开启1台小离心式冷水机组利用厂用电供冷。对比2种方案过渡季设计日供冷模式可知，水蓄冷方案采用余热蓄冷，内燃机发电小时数较高。具体2种方案的经济性还得看下述经济性分析。

图6 水蓄冷方案过渡季4月设计日运行模式

4 方案经济性分析

冰蓄冷方案和水蓄冷方案的可行性需要综合分析方案的经济性。表2给出了2种方案指标，从表中可以看出，在装机容量相同的情况下，水蓄冷方案比冰蓄冷方案工程动态投资低1 273万元。同时，由于水蓄冷方案采用的是余热蓄冷的方式，水蓄冷方案比冰蓄冷方案每年多用775×104 m3天然气，水蓄冷方案的年发电量和发电设备年利用小时数比冰蓄冷方案分别高37.126 GW·h和1 090 h。不考虑调峰设备的情况下，水蓄能方案比冰蓄能方案年平均综合利用率和节能率分别高1.93%和1.06%。在工程动态投资方面，两方案的投资回收期均为15年左右，相差不大。在内部收益率相同的情况下，反算上网电价，水蓄冷方案比冰蓄冷方案低0.032 元/(kW·h)。综合考虑，水蓄冷方案利用余热蓄冷的经济性更好，运行方式灵活，调节性能较好。

5 结论

本文以上海某楼宇式分布式能源站为依托，从系统配置、运行模式及方案经济性等角度对冰蓄冷方案和水蓄冷方案进行了对比分析。两种蓄冷方案均能满足用户的负荷，投资回收期均为15年左右，具有一定的经济性。但水蓄冷系统较冰蓄冷系统设备简单，投资造价低，同时可利用余热型溴化锂机组产生的多余冷量，年平均综合利用率和节能率高，反算上网电价低。综合考虑，水蓄冷方案利用余热蓄冷的经济性更好，运行方式灵活，调节性能较好。