微燃机在民用建筑微能网热电联供工程的应用

2019-04-04

福建质量管理 2019年7期

(中国建筑设计研究院有限公司北京 100044)

引言

近年来，世界各国对于分布式发电技术的重视逐步提高，其正向着高效、经济、多样化、可再生等方向发展。我国分布式发电技术起步较晚，却有着能源和电力消费能力的增长速度远高于能源生产增长速度的现状，因此更高效地利用能源必定是未来发展的重要方向。微型燃气轮机作为分布式发电设备的一种，在微能源网热电联供工程应用时具有传输距离短，能源损耗低，可靠性高，可用于调峰等特点。微型燃气轮机在建筑工程的引入将“微电网”的概念扩充为“微能源网”，使供热网与供电网不再是相对孤立的两个网，而是相互紧密联系的两个能源网络。热电联供利用了微燃机发电后废气的余热，提高了一次能源利用率，不仅节能而且提供了另一种形式的供暖来源，提升了供暖的灵活性。

一、系统设计

(一)微型燃气轮机供电方式

微型燃气轮机作为一种较为可靠的发电机，满足自备应急电源的要求。但若完全按照自备应急电源的要求使用——在平时处于热备用状态，仅事故或应急时启动，则微型燃气轮机就丧失了可热电联供的优势。而作为应急电源，微型燃气轮机在燃料贮藏条件、启动时间、设备价格等方面均不及技术成熟的柴油发电机。

工程应用时希望利用微型燃气轮机可靠性高这一优势，因此提出可以利用微型燃气轮机作为平时供电设备，兼作自备应急电源使用，但是《供配电系统设计规范》规定：应急电源与常用电源之间，应采取防止并列运行的措施。所以此运行方案虽有诸多优点，但不可代消柴油发电机。

微型燃气轮机，由于发电功率小，其适用范围是类似民用建筑供配电网的低负荷系统，因此电压等级通常为380V。接入配电网时，除常规的断路器、隔离开关等设备之外，还应加设监测与控制设备，目前多集成为并网柜与控制柜。

微型燃气轮机作为常用电源的运行策略因工程需求不同而有所差异。由于我国大多数工程无需常年供暖，所以微型燃气轮机仅需在供暖期运行。工程设计可根据负荷等具体情况选择微型燃气轮机，并制定运行策略和供电关系。微型燃气轮机为部分三级负荷供电，并为部分一、二级负荷提供一路电源，市政电网用于满足其余负荷需求。

多数情况下，为保证供电可靠性，系统都应采取并网运行的方式，但综合各方面因素，民用建筑中包含微型燃气轮机的分布式发电系统所发电能通常是并网不上网。

微型燃气轮机作为旋转式同步发电机接入民用建筑配电网，其性能与电力系统中其他发电机相似，电压、频率、波形稳定，故可用作提供孤网运行状态下的基准电压、频率、相位的主电源。微型燃气轮机所发电能为交流电，没有电力电子器件带来的各种问题，且功率比蓄电池大。但是微型燃气轮机只能顺向地向电网输送电能，不能如蓄电池般在配电网电能过盛时逆向地储存电能。

(二)微型燃气轮机供暖方式

供暖通常是为了提高冬季室内人员的舒适性，同时保护部分室内设备不受低温破坏。利用微型燃气轮机的回收余热供暖是一种自主供暖形式，可以部分取代热水锅炉供暖，能提高供暖的灵活性。

微型燃气轮机的烟气余热回收换热器可以作为唯一供暖来源，也可以附加热水锅炉、电蓄热设备等形成复合热源。使用复合热源时，需要控制系统根据热源供热功率以及负荷需求对热源的供能比例进行调整。由于微型燃气轮机同时作为电源和热源，因此不宜因供热负荷的变化而调整其功率，电蓄热设备及热水锅炉相对更容易调整。

(三)微型燃气轮机热电联供系统的控制方式

随着控制技术的发展，微型燃气轮机的启停控制已经可以完全通过PLC等嵌入式控制器实现，已经简化至一键启停。

能源管理系统是伴随着主动配电网和多能互动系统而产生的，用于解决不同种类分布式能源的协调问题。该系统与传统建筑能效管理系统相比，除了具备能耗分项计量，远程抄表等功能以外，还具备对各项分布式发电系统及各项负荷的监测、分析、预测、保护、控制以及调度等功能。针对光伏和风电发电性能受天气影响严重的特点，能源管理系统采用根据气象站监测的天气情况对其发电功率进行监测和预测的方法保证系统稳定。对于微型燃气轮机、市电等相对稳定的供电形式，能源管理系统根据负荷与风光供电情况控制其功率输出；供暖时，能源管理系统根据热电联供设备运行情况，调节电蓄热设备，热水锅炉等设备的工作状态。

二、经济分析

微型内燃机同样可以作为民用建筑热电联供系统的能源设备，本节将微型燃气轮机与微型内燃机热电联供以及市政供电供暖的各项经济参数进行对比，综合评价微型燃气轮机在民用建筑热电联供工程中的应用价值。本节以美国某品牌的微型燃气轮机与日本某公司生产的微型内燃机为代表，进行各项经济对比。

(一)设备价格分析

本文分别以柴油发电机和燃气热水锅炉作为发电和供暖设备的代表，将民用建筑热电联供系统与传统分产形式在裸机价格方面进行对比。发电与供暖设备裸机价格对比如表1所示。

表1 各种发电&供暖设备裸机价格比较

分析表1可知，微型燃气轮机的每千瓦价格略低于微型内燃机，但二者相差不大。与分产系统裸机价格相比，二者均无价格优势。

(二)运行维护收支估算

•运行成本分析

C65微型燃气轮机与CP25微型内燃机为例进行运行成本的分析，二者的性能参数如表2所示。

表2 C65微型燃气轮机与CP25微型内燃机参数

由表2可知，微型燃气轮机的发电效率和一次能源利用率均低于微型内燃机，余热回收效率高于微型内燃机。

表3 C65微型燃气轮机与CP25微型内燃机每小时产出

由表3可知，电能是热电联供系统的运行最为主要的价值部分。在2.6元/m3的天然气价格下，无论是微型燃气轮机还是微型内燃机，其发电的平均价格均介于平价电(0.68元/kWh)与峰价电(1.02元/kWh)之间。因此，只在峰价电与尖峰价电时运行热电联供系统，其他时段使用市政供电供暖是最为经济合理的运行方案。

•维护成本分析

微型燃气轮机因结构合理而维护成本相对较低。微型内燃机与柴油发电机由于均采用活塞结构，运行过程中各构件的磨损严重，因此而每运行一段时间后需要维护或更换部件。国产微型内燃机平均每工作2个月即需要进行一次维护，此部分成本约提高0.1元/kWh的发电电价。柴油发电机需要根据运行时间，进行不同等级的维护。故微型燃气轮机的优势可在维护成本中充分体现。

(三)经济性综合分析

虽然如前文所述，热电联供系统仅峰价电与尖峰价电时间运行，其他时间使用市政供暖供电这一运行方式最为经济，但峰价电与尖峰价电时间零碎，而供暖系统不宜频繁切换，因此本节按照热电联供系统冬季供暖时期非谷电时间运行计算整体系统的经济性。本节供暖时长按120天/年计算，计算结果如表4所示。

表4 C65微型燃气轮机与CP25微型内燃机年度运行经济性对比

由表4可见，使用天然气的热电联供系统若采用恰当的运行方式，则可以在运行时产生一定的经费节省，但这远不能弥补其裸机价格高昂的缺点。

我国各省市天然气价格会有所差别，我国各省市天然气价格介于3.86元/m3与1.2元/m3之间不等。基于此价格，可计算得表5。

表5 基于不同天然气价格的微型燃气轮机与微型内燃机平均电价

由表5分析可知，当天然气价格高于2.31元/kWh时，微型内燃机即使考虑维护成本，其电价也低于微型燃气轮机；当天然气价格低于2.31元/kWh时，微型燃气轮机可通过维护成本的优势使平均电价低于微型内燃机。

三、项目案例

(一)项目建设概况

本文工程案例为某工厂生产区，包括两幢独栋实验车间，一幢办公研发中心和一幢新能源展示中心。园区配置光伏电池板、风力涡轮机、蓄电池、固体电蓄热、微型燃气轮机作为能源设备为负荷供能。发电与相应控制设备均接入配电网组成主动配电网，电蓄热设备于供暖期间夜间利用谷价电积蓄热能，全天时间配合微型燃气轮机为两实验车间供暖。

本工程重要负荷的功率大约为120kW，故使用两台65kW的微型燃气轮机作为热电联供的能源设备，在热电联供的同时，保障重要负荷的供电可靠性。工程利用微型燃气轮机在平时作为普通电源使用，当市电故障时，微型燃气轮机仅为重要负荷提供电源。另设柴油发电机作为自备应急电源，在微型燃气轮机与市电同时故障时启动，保证重要负荷的供电。

由于本工程远离市区，市政集中供暖无法到达，所以供暖必须就地自行解决。采用微型燃气轮机配合电蓄热装置供暖是一种解决方案。

2台C65微型燃气轮机作为热电联供来源，每小时可回收余热220kWh，每天运行4.77小时可满足5℃供暖需求，非谷电时间(16小时)运行可满足8℃供暖需求。

由上述分析，本文提出以下两种供暖期间的运行方案：

方案一：运行时间为该单位工作时间，即为9:00—17:00，微型燃气轮机运行8小时，回收余热1760kWh，实验车间温度在5℃以上8℃以下。

方案二：在整个非谷价电时间(7:00—23:00)运行，微型燃气轮机运行16小时，余热回收3520kWh，实验车间温度高于8℃。