楼宇型天然气分布式能源系统的典型案例分析

2021-03-29陈卉刘颖赵龙生

南方能源建设 2021年1期

陈卉，刘颖，赵龙生

（1. 东南大学建筑设计研究院有限公司，南京210096；2. 南京工业职业技术学院，南京210096）

0 引言

冷、热、电三联供（即CCHP 系统）是以天然气为原料，能源利用有三个层级。第一层是用天然气发电，第二层利用发电余热制冷或采暖，实现冷、热、电三联供，能源综合利用率一般都会达70%以上。由于天然气分布式能源对电力体系形成了重要的补充，可改善我国能源结构，具有利用效率高、环境污染小、管理体系先进、可靠性高和综合效益好等优势，受到了市场的极大关注。

1 冷、热、电负荷分析

1.1 电负荷分析

能源中心电负荷主要是空调系统、照明、电梯、消防系统、办公设备和能源中心数据机房动力设备的耗电。根据对能源中心功能分区分析并结合《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）和《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）对各类建筑物（办公室、营业厅、客房、医院建筑、学校内建筑等）的平均照明密度提出的明确规定，包括标准值和目标值，对能源中心用电负荷进行预估，电负荷如表1所示。

表1 电负荷一览表Tab.1 Table of electrical load

1.2 冷、热负荷分析

根据《城镇供热管网设计规范》（CJJ34—2010）中空调热指标、冷指标的推荐值及对应的负荷如表2～表3所示。

表2 空调冷、热负荷指标推荐值Tab.2 Table of cooling and thermal load index for air conditioner

表3 空调冷、热负荷Tab.3 Table of cooling and thermal load of air conditioner

用能端夏季典型日逐时冷、热负荷如图1 和图2所示。

能源站的供能设计负荷如表4所示。

能源站的全年逐时负荷如图3所示。

图1 夏季典型日逐时冷负荷Fig.1 Hourly cooling load of typical days in summer

图2 冬季典型日逐时热负荷Fig.2 Hourly heat load of typical day in winter

表4 能源站用能需求Tab.4 Energy demand of energy station MW

图3 全年逐时负荷Fig.3 Figure of the annual hourly load value

2 能源站装机方案

该能源站位于苏州市吴中区，为其能源中心配套的供能系统，除对能源中心供应冷热电负荷，还对外供应冷/热负荷。天然气分布式能源系统按“以热（冷）定电、自发自用、余电上网”为原则进行设计，以满足冷/热负荷需求、满足能源中心备用电源需求。

通过比较分析，得出该分布式能源站推荐方案，即2 台单机装机容量2 MW 内燃发电机组+2 台单机装机容量3 MW 内燃发电机组+配套4 台烟气-热水型溴化锂冷（温）水机组+4 台6.3 MW 的离心式电制冷（热泵）机组+1 台2.1 MW 的地源热泵机组+2台7 MW 的天然气热水锅炉（补充、备用）+2台6 800 m水蓄冷（热）系统，能源工艺由天然气冷、热、电三联供系统、地源热泵系统、蓄能（冷、热）系统及电制冷调峰系统等组成，形成能源梯级利用的综合系统。结合能源站所在地当地资源，充分利用天然气、土壤能等清洁、低品位的能源，采用天然气三联供、蓄能（冷、热）技术达到天然气、电力移峰填谷的目的，充分发挥天然气管网、电网的效率。楼宇式分布式能源系统示意图如图4所示。

图4 楼宇型分布式能源系统示意图Fig.4 Diagram of the building-type CCHP system

供能站配置的内燃机主要参数如表5所示。

表5 内燃机主要参数Tab.5 The main parameters of internal combustion engine generator

利用天然气燃烧产生的高品位热能发电，为能源中心提供电能，燃烧后的烟气热量及高温缸套水热量进入烟气-热水型溴化锂冷（温）水机组，溴化锂机组与发电机一一对应，1 台2 MW 内燃机制冷/热量为1.907 MW，1 台3 MW 内燃机制冷/热量为3.083 MW，4 台烟气-热水-型溴化锂冷（温）水机组的总制冷量为9.98 MW，夏季最小冷负荷量为13.298 MW，最大冷负荷量65.894 MW，冷负荷波动较大；过渡季冷负荷量为6.92 MW；冬季冷负荷量为6.92 MW（信息中心），最大热负荷量25.238 MW，最小热负荷量6.452 MW。

1）为充分利用地下浅层地热资源，采用地源热泵系统。采用双U 换热器，设计埋管间距5 m×5 m，有效换热井深120 m，共设242 口地源井。竖直埋管管材采用HDPE，管径D32×3.0，公称压力1.6 MPa。地源侧水通过地源收集井接至电制冷机房。

2）水蓄冷空调系统按节能运行模式设计，可以有效地减少冷水机组白天运行时间，保证冷水机组运行在高效区间。对于时峰、谷电差价较大地区，可显著降低空调系统的运行费用，同时对电网可起到平衡、削峰填谷的作用。根据冷、热平衡的计算，能源站设置2个直径为16 m，高30 m的蓄能水罐，提高系统的稳定性和安全性。单个蓄能水罐的有效容积为6 800 m，单罐蓄冷量为65.031 MWh，单罐蓄热量为76.507 MWh（按10 ℃温差）。蓄水罐的设计液面标高为13 m，兼做系统定压装置。

3）采用10 kV 上网方案。设置10 kV 母线段。4台发电机分为2组，每组发电机出口处分别设置1段10 kV母线段，通过10 kV联络线并入电网，10 kV采用单母线分段的接线形式。电制冷机组和水水热泵从10 kV 母线引出，溴化锂冷水机组、地源热泵、水泵、冷却塔风机及其他用电设备通过厂用变从400 V母线引接。

3 能源站供能运行方案

能源站内燃发电机与市电并列运行，内燃机只带基本负荷，不足部分由市电补充，夜间内燃机不运行。

夏季利用内燃机发电余热提供空调冷水，制冷水温5.5/12.5 ℃，内燃发电机组发电产生的烟气和缸套水作为余热进入烟气热水型溴化锂机组制冷，冷量不足部分由电制冷机组补充。白天供冷高峰时，离心式制冷机根据供需情况确定开启台数及负荷进行调峰。

冬季利用内燃机发电余热提供空调热水，制热水温75/45 ℃，内燃机产生的烟气进入烟气热水型溴化锂机制热，缸套水通过板式换热器直接供热。冬季夜间低谷时段，两台离心机制冷机组运行在制冷工况，为数据中心提供冷负荷，另外两台运行在制热工况，制冷工况的离心机的冷却水作为制热工况的离心机的热源。

另设蓄冷罐2 台，一台离心式电制冷机组利用夜间0～8 点低谷时的电能进行蓄冷，产生4 ℃的冷水，存储于蓄冷罐内，白天放冷，单台蓄冷罐日存放量如图5所示。

图5 单台蓄冷罐日存放冷量曲线图Fig.5 Daily storage capacity curve of single cold storage tank

4 技术经济性分析

4.1 约束条件

对于供、用电，其能量平衡公式如下：

式中：代表供应用户端电量；代表内燃机发电量；代表电网上下行电量；代表电制冷机消耗电量；代表地源热泵消耗电量；∑代表制冷或采暖水泵及风机等消耗电量总和。

对于供冷设备，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用户端冷、热量；代表烟气-热水型溴化锂机组供冷/热量；代表地源热泵供冷/热量；表电制冷机组供冷/热量。

对于供热设备，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用户端冷/热量；代表烟气-热水型溴化锂机组供冷/热量；代表地源热泵供冷/热量；代表电制冷机组供冷/热量。

4.2 算例分析

4.2.1 技术指标

通过分析，得出能源站的主要技术指标如表6所示。

4.2.2 经济指标

1）边界条件

能源站的经济指标需要在一定的边界条件下进行计算，供能站的边界条件如表7所示。

2）经济指标

在上述边界条件下，供能站的内部回收期等主要经济数据如表8所示。

经过敏感性分析，能源站经济上是可行的。能源站的敏感性分析情况如图6所示。

5 节能及环境效益分析

5.1 节标煤量及节能率

经计算，能源站可节标煤量12 564 t/年。节能率：

表6 能源站技术指标（内燃机ISO工况）Tab.6 The technical index of energy station（ISO condition of internal combustion engine generator）

表7 边界条件Tab.7 Table of boundary condition

式中：代表节能率；代表联供系统年净输出电量（kWh）；代表联供系统年余热供热总量（MJ）；代表联供系统年余热供冷总量（MJ）；代表联供系统年天然气总耗量（Nm）；代表天然气低位发热量，=34.2 MJ/Nm；代表常规供电方式的平均供电效率，计算结果为38.57%；代表常规供热方式的天然气锅炉平均热效率；COP代表常规供冷方式的电制冷机平均性能系数，可按5.0 取值；代表电厂供电标准煤耗（g/kWh），可取上一年全国统计数据，本工程取298 g/kWh；代表供电线路损失率，可取上一年全国统计数据，本工程取6.47%。