某迁建项目分布式能源站三联供系统的可行性分析与应用研究

王胜贤 胡冬楠

宁波市城建设计研究院有限公司 浙江 宁波 315000

引言

冷热电三联供系统通常是以燃气内燃技术为依托，注重发电与余热回收利用同步进行。天然气在内燃机内产生动能驱动发电机组发电，输变配系统将产生的电能提供给电力用户使用；而内燃机中天然气与空气的结合所产生缸套水和余热烟气，又会被余热回收装置所回收，进行二次加工和利用，生成热水负荷、冷水负荷等产品，提供给需要的用户夏季制冷或者冬季采暖。而如果夏季或者冬季因为负荷高峰导致余热不足时，可以利用天然气进行余热回收装置的补燃，让用户的日常需求得以满足。作为分布式能源形式之一的冷热电三联供系统，会随着社会经济技术的进一步发展而得到更广泛的应用，因为该模式具备显著的节能降耗的优势，可以有效缓解电力紧张的状况。该模式是目前提升一次能源利用率的较佳途径，通过该系统实现了能源梯级利用的目标，能源利用率大幅度上升，并且可以彼此补充生产，大大提升了系统运行效率和经济效益[1]。

1 分布式能源站三联供系统设备及工艺流程

三联供系统也称CCHP系统，其构成部分包括动力设备、调峰设备、余热利用设备及相关主辅设备。分布式能源站的一次能源主要是天然气，在机组的选择上参照冷热负荷变化规律，原则上是根据热（冷）定电，并网却不上网，采用高效率、高集成度且安装快捷的燃气内燃机发电机组作为本系统的动力设备，同时选取运行方便、空间占用小、热效率高的双效溴化锂机组作为余热回收设备，实现发电余热制冷制热效率的最大化。选取启动迅速、运行效率高的离心式冷水机组和燃气热水锅炉作为调峰设备。在上述组合的基础上配备可靠而灵活的储能设备，整体系统的核心是余热利用系统。首先利用发动机进行天然气与空气的混合，通过涡轮增压器实施增压后在气缸内燃烧做功，燃烧会形成余热烟气以及内燃气形成高温套缸水，这些物质进入烟气热水型溴化锂机组，以备制冷或者供热之需[2]。

2 分布式能源站三联供系统优势分析

2.1 提高能源综合利用率

从综合能源利用率方面分析，传统火电的利用效率只是35%～45%，而分布式功能系统的利用率则可以高达55%～75%。虽然燃气锅炉的直接供热效率能达到90%左右，但最后的能量产出形式都是低品位的热能，而分布式供能系统产出的高品位热能高达45%左右。由此可见，比起传统的大电网供电和燃气锅炉直接供热的模式，分布式供能系统大幅度提升了能源综合利用率。

2.2 改善城市能源结构

传统的能源结构是夏季的用电量高于冬季，而冬季的用气量却明显高于夏季，主要是因为夏季空调的大量使用以及冬季的大量的燃气锅炉使用造成的，这种能源结构的不合理性造成了配套的市政设施低投资的效率，严重浪费了资源。而分析分布式供能系统的可行性，一方面该系统发电功能和吸收式空调技术的应用，能够有效降低夏天大电网的负荷；另一方面也能够利用自身不间断运行的优势平衡冬夏燃气的用量。所以，分布式供能系统的广泛应用是区域能源结构改善的最有效措施，能够最大限度发挥配套能源供应的优越性，是配合国家整体能源政策最直接的手段。

2.3 提高供能安全性

我国都是采用的集中式单一供电系统，主要特征是大电网、大机组、高电压，有一点故障发生都会严重影响整个电网的运行，最严重的后果是大范围停电以至于全网瘫痪。尤其是最近几年极端气候导致的电力灾害，以及全球性的大面积停电事故频发，让人们不得不关注能源安全的重要性。而分布式供能系统进行区域分布、就近建设的模式，可以直接面对能源客户，既有效提升了能源的利用率，也为用户增加了另外的供电、供暖和供冷的有效渠道，在突发事故出现的时候，该系统可以保证供电的安全性和稳定性，削减了用户对集中供能系统的依赖，对用户提供了安全性的保障，具有极大的应用推广价值。

2.4 环保效益明显

分布式供能系统是清洁产能系统，其能源主体是燃料天然气，该系统的排放都符合相关的环保要求，比起传统的热电分供模式，大大减少了CO2的排放量，环保效益十分明显，为推动整体的节能减排工作做出贡献。

2.5 经济性良好

分布式供能系统在发挥供冷和供热的双重功能的同时，还不断地产生高品位的电能，以其多样性的产品和良好的能源利用率形成了燃气、电力价格的波动性的适应能力，比起传统的供能系统，在节省消耗费用上可行性显著[3]。

3 实际案例的可行性分析

3.1 项目概况

本项目用地性质为高等院校用地，为迁建项目。用地面积约131158㎡，建筑高度不大于45m；规划总建筑面积约105000㎡，其中地上建筑面积约86000㎡，地下建筑面积约19000㎡；总体布局结构可总结为“两轴三区”，两轴即南北向主轴和东西向的山水轴线；三区为行政教学区、生活休闲区及运动健身区。中心湖将地块分为南区和北区，北区由会议中心，图书信息楼，行政楼，教学楼，食堂等单体组成，南区由宿舍，文体馆等单体组成。

图1 项目鸟瞰图

3.2 年用能模拟分析

本项目主要的功能业态为教学、办公、宿舍等，参考现有学校实际电负荷数据的调研和分析结果，考虑学校招生率的变化，结合项目的特点，拟在学校新建2个能源站。北区行政教学区域采用常规的能源站，南区采用分布式能源三联供系统能源站，安装600kW等级的发电机组考虑设备选型。南区能源站发电能源供整个学校使用。发电产生的余热供南区制冷、采暖和生活热水用。

本项目电价采用单一电价，采用直接燃烧天然气的方式制冷，其经济性比直接采用电空调方式差，故本项目在调峰的方式上不再考虑燃气的方式制冷，直接采用电空调制冷的方式。采暖调峰则使用燃气锅炉。 按此方案，对方案的可行性做出如下分析：

通过模拟计算可得到南区全年逐时及延时电负荷变化曲线图，如图2：

图2 全年逐时和延时电负荷趋势分析图

通过图2可查看逐时及延时变化曲线，年度电负荷变动和时间有直接影响关系，年度用电负荷量有70小时保持在3000kW以上，而保持在1000kW以上时段较长，其他时间主要维持在600kW以上。

结合上文关于逐时负荷判断，针对南区年用能进行分析，结论如下所示：年总需冷量、年总需热量、年总耗电量、年总需热量、年总耗电量分别是821万kWh，541万kWh，850万kWh、140.8万kWh。其中，年耗电量比按现学校能耗数据推算的耗电量多。年耗冷按照制冷建筑面积折算成每平方米冷能耗为78.1kWh/（m2•a），年耗热按照供暖建筑面积折算成每平方米的热能耗为51.5kWh/（m2•a），党校全年生活热水预测量为2.2万吨。

3.3 分布式能源站三联供系统全年热电比分析

根据南区的全年的冷、热、生活热水及电负荷变化曲线，得出全年的热电比变化曲线如下所示：

图3 全年逐时和延时热电比变动趋势图

结合上述年度热电比延时变化曲线可判断，全年热电比高于3的时间持续400h；有2500h小时左右的时间热电比稳定在 1～3之间，热电比大于1以上的时间约为 3000h左右。

4 实际案例的应用

根据前面的可行性分析，该学校南北区能源站分开设置，北区采用常规能源的能源站，南区采用分布式能源三联供系统。南区冷负荷为4670kW、热负荷为3016kW、生活热水负荷为1175kW。

4.1 能源站系统选型

能源站空调供冷，利用1台制冷量为630kW的烟气热水型溴化锂冷（温）水机组、1台制冷量为1340kW水冷螺杆冷水水机组，1台制冷量2637kW变频离心式冷水机组，设置分集水器，分3路供给供冷，供回水温度分别为7℃和12℃。冷冻水系统为一次泵变流量系统。

能源站空调供热，选择1台制热量为310kW的烟气热水型溴化锂冷（温）水机组、2台制热量为1275kW燃气热水锅炉，对系统实施集中供热，供回水温度分别为60℃和50℃，空调热水系统选择一次泵变流量系统。

能源站供生活热水，生活热水供回水温度为85/60℃，内燃机组高温缸套水90/80℃为优先预热生活热水，不足部分由1台制热量为127kW的燃气热水锅炉提供。

内燃机组90/80℃高温缸套水为优先预热生活热水，多余部分夏季作为烟气热水补燃型溴化锂冷水机组制冷的一次热媒，冬季通过板式换热器制取空调热水。

图4 能源站机房现场

4.2 能源站运行模式

4.2.1 供冷运行时：启动内燃机组系统和烟气热水型溴化锂冷（温）水机组系统，提供7℃的冷冻水，不足部分由电制冷冷水机组供给。

4.2.2 供热运行时：空调热水：启动内燃机组系统，以及相应的缸套水板换，提供60℃空调热水，不足部分由燃气热水锅炉供给。

生活热水：启动内燃机组系统，以及相应的缸套水板换，提供85℃生活热水，不足部分由燃气热水锅炉供给。

4.3 能源站自动控制

4.3.1 溴化锂冷水机组启停台数控制：通过对机组总供回水温度和流量的监测，再对运行的机组的负荷进行匹配，控制机组开启台数。

4.3.2 水泵控制：部分负荷运行时，根据主机开启台数，控制水泵的开启台数。

4.3.3 冷水机组和燃气热水锅炉启停台数控制：通过对机组总供回水温度和流量的监测，计算出空调系统的实际负荷，将计算结果与当时冷水机组投运下的总供冷量或总热量作比较，决定开启台数。

5 实际案例经济性分析

该学校应用的三联供系统发电运行原则：并网后并不上网，系统所配备的发电机组主要满足能源站内设备的用电需求，多余电力供给学校全区用电，当发电机组所发电力不足时，从市政电网购电补充。从运行的经济性考虑，能源站内发电机组全天不间断运行，过渡季故障检修。

将能源站配置方案与常规能源配置方案年运行结果进行对比，如下表所示：

表1 运行费用比较分析表

通过上文的计算和分析，对比常规分布式能源系统方案，能有效降低运行费用，分布式能源系统相对冷水机组+燃气锅炉每年可降低115万元成本，分布式能源系统相对燃气直燃机每年可降低188万元成本，分布式能源系统的天然气能源综合利用效率可达80%左右。

6 结束语

综上所述，多级利用能源的宗旨是梯级利用和循环利用兼顾。因此更凸显出传统能源利用方式的缺陷。所以，怎样达到能源的合理利用、避免浪费能源，是目前和今后一个时期研究的课题。本文对冷热电三联供系统进行了可行性分析，介绍了其工作流程，并通过具体案例的计算和分析，可以看出分布式能源三联供系统比起常规的能源系统该系统具备明显的节能、环保和节能优势。该项目作为宁波地区分布式能源三联供系统的应用起到积极的示范与推广作用。