天然氣分布式供能和冰蓄冷系統在節能方面的應用

申能(集團)有限公司 馬平

0 前言

隨著我國社會經濟的高速發展以及工農業生產對于能源需求的加大，國內大部分城市都面臨著電力供應緊張的問題。在現代大型公共建筑中，空調系統的能耗問題較為突出，一些大中城市空調用電量已占其高峰用電量的 30%以上，使得電力系統峰谷荷差加大，電網負荷率下降，電網不得不實行拉閘限電，嚴重制約工農業生產和投資環境。基于電力等能源供需矛盾這一世界性難題，國外已將天然氣分布式供能(DES)系統在新建建筑和既有建筑中考慮或廣泛運用，提高了能源效率，一次能源利用率可以高達70%~90%，而典型的集中式電站僅僅為30%~45%。由于天然氣DES系統具有很高的能源效率、經濟性和環保性能，近年來在全球范圍內已獲得越來越廣泛的應用。

針對我國現有的電價模式，在優化能源利用降低現代建筑制冷系統的電能消耗方面，國內已經大量安裝和使用冰蓄冷空調，起到了“移峰填谷”的作用，提高發電設備利用率，冰蓄冷空調是在夜間供電低谷段低電價時開制冷機制冰蓄冷，然后在白天空調高負荷時可同時開機供冷和融冰釋冷，在供電高峰段可以少開機或不開機，這樣不但可以減少制冷機的裝機容量，并可大幅度降低電費。

這種20世紀80年代在發達國家興起的技術，90年代在我國也已迅速發展起來。本文將結合申能能源中心分布式供能和冰蓄冷系統運行的實際情況，分析分布式供能和冰蓄冷系統運行策略和節能效果。

1 概況

申能能源中心大樓位于上海市閔行區虹井路，建筑面積共4.9萬m2，其中，地上建筑面積3.4萬m2，地下建筑面積1.6萬m2。能源中心冷、熱、電的設施設備主要包括：電力系統采用2臺1 600 kVA變壓器，變配電為10 kV/0.4 kV，兩路10 kV獨立電源供電，另外還配置了 50 kW 的太陽能發電設備；供熱系統采用：熱電聯產和天然氣熱水鍋爐相結合的方式，天然氣熱水鍋爐配置為2臺單機容量為1 400 kW；供冷系統主要采用：2臺單機容量為1 361 kW的螺桿雙工況制冷機組、1臺單機容量為553 kW 的螺桿基載制冷機組、熱電聯產和 231 RTH(冷噸時)冰蓄冷設備，見圖1。

圖1 申能能源中心能源供應系統示意

2 供能系統構成

2.1 天然氣分布式供能系統

分布式供能系統通常由原動機、余熱利用設備、電氣系統、發電機控制系統、輔機控制系統、排氣系統和通風系統等組成，申能能源中心分布式供能系統采用了一臺美國原裝的Capstone C200低壓型(自帶燃氣增壓機)微型燃氣輪機發電機組，兩臺日本Yazaki CH-KE4040煙氣補燃型溴化鋰冷溫水空調機組，以及配電柜、控制柜、并網柜、系統檢測儀表，以及泵、閥、冷卻塔(循環冷卻水系統)等輔助設備。系統中發電機組額定功率為200 kW，單臺冷溫水機組的額定制冷量為 141 kW，額定制熱量為 134 kW。發電機組采用“并網不上網”為的主要運行模式，機組所發電力并在低壓母線上。

供能系統中的發電機組排出的高溫煙氣進入煙氣補燃型冷、溫水機組，夏季溴化鋰空調機組利用余熱產生用于降溫的冷水，進入大樓螺桿式冷水機系統，并入二次循環水系統進入大樓空調終端，冬季產生溫水進入大樓燃氣鍋爐供熱系統，見圖2。

圖2 系統原理

2.2 冰蓄冷系統

冰蓄冷空調技術是指建筑物空調所需冷量的部分或全部在非空調時間(深夜)制備好，并以冰的形式儲存起來供用電高峰時的空調使用，從而將電網高峰高電價時的空調用電轉移至電網低谷低電價時使用，達到節約電費的目的。

根據本樓的使用特點，主機選用兩臺單機制冷量為1 400 kW的雙工況制冷機組。一臺單機制冷量為880 kW的基載制冷機組。雙工況制冷機組在空調工況下單機制冷量為1 400 kW。制冰工況下單機制冷量為 970 kW。制冰工況下進出溶液溫度分別為-6.5 ℃和2.2 ℃，空調工況下進出水溫分別為10 ℃和4 ℃。兩臺雙工況機組可在夜間全量蓄冰，充分利用夜間低谷電價。晚間的加班或臨時需要空調供冷的區域可由基載制冷機組承擔。雙工況主機采用在低溫工況下運行穩定的螺桿式制冷機組。系統的儲冰裝置與雙工況主機串聯布置，主機位于循環回路的上游，儲冰裝置位于主機的下游。

3 運行優化管理

申能能源中心的供冷負荷由常規電制冷機、蓄冷和分布式供能系統同時提供，并通過合理制定運行策略，在滿足舒適性的前提下達到節能、降本的效果。夏季的供冷通常先開啟分布式供能系統，一旦供冷量不足就開啟冰蓄冷，如果供冷量還不滿足要求就要開啟電制冷機。

3.1 天然氣分布式供能系統運行優化分析

分布式供能系統從2011年1月至2011年9月進行了調試和試運行，根據系統設計要求和試運行結果的分析以及電網供電用電峰谷的價格不同，在峰谷電價價目 8:00～17:00期間開啟該系統，冬季市電平均價0.865元/kW·h，夏季1.00元/kW·h。因此系統全年的發電增益是不同的。供熱(冷)增益指冬季利用余熱后可以減少燃氣鍋爐耗氣的支出量，或者夏季減少基載制冷機組用電的支出。分布式供能的收益與設備投入運行的時間有關，但是根據并網不上網的原則，申能能源中心的三聯供系統只在大樓辦公時運行，通常為每天的8:00~17:00，共9 h。冬季采暖期和夏季制冷期燃氣的效率不同，單位天然氣的發電量和發電成本也不同。采暖期和制冷期每 1 m3的天然氣所發電量分別為 3.048 kW·h和2.946 kW·h。上海市政府為了鼓勵燃氣三聯供的應用，給予三聯供項目的天然氣優惠價格為 2.43元/m3，因此采暖期和制冷期發電成本分別為0.797元/kW·h和0.825元/kW·h。分布式供能系統已經試運行一年，運行結果表明系統運行穩定發電成本低于市電。為了進一步優化系統運行，結合市電峰谷價格，系統開啟時間為市電峰值期，系統發電機組每天發電量約1 600 kW·h，當季節性用電高峰時，能源中心大樓所申請變壓器基本用電負荷可能還會有缺口，這部分缺口可以由微燃機組功率輸出來填補，因此可以申請減少基本用電量、降低用電成本、避免限額電量超標遇罰。在今后的運行中，要充分利用三聯供發電優點結合契約數的合理運用，在夏季用電高峰時滿負荷運行三聯供系統的基礎上降低用電契約數預估申請，從而達到節約契約電費并開啟三聯供溴化鋰機組來補充供冷。

3.2 冰蓄冷系統運行優化

3.2.1 運行節能分析

在冰蓄冷空調系統的運行控制中，利用夜間谷值電充分制冰，白天充分利用融冰制冷；以夏季每天空調實際負荷運轉為例，節能分析按照未采用制冰系統和采用制冰系統的空調負荷計算每天需消耗的能源和費用，采用比未采用冰蓄冷裝置所發生的用電量多900 kW·h/d，節約電費0.17萬元/d。

3.2.2 運行優化運行控制策略

為提高冰蓄冷系統的運行效率，在現有設備狀況下采取優化措施如下：

(1)蓄冷設備優先運行：在冰蓄冷空調系統的運行控制中，為了保證冷量的充足儲存，必須保證蓄冷設備優先運行的控制策略，即在冰蓄冷空調的系統運行中一定要保證蓄冷設備優先釋放冷氣，當超出其釋放冷氣能力時，應采取制冷機組供冷的方式以滿足空調系統的運行負荷。與制冷機組的運行控制相比，蓄冷設備的內部構造較為復雜，其運行控制策略也相對困難。當冰蓄冷空調的蓄冷設備進行冷量儲存時，應盡可能的將已儲存的冷量全部釋放，其主要目的是進一步降低空調系統的運行費用，而且最大限度的利用了蓄冷設備的性能。另外，采取蓄冷設備優先運行的控制策略，應對冷量的釋放量進行嚴格的控制，防止冰蓄冷空調在城市電網低谷時段出現停止運行或運行負荷不足的現象。在進行冰蓄冷空調系統的運行控制時，設備管理人員應根據空調的常規負荷分布圖，準確預測出當日制冷機組的最小供冷量分布時段，以合理控制蓄冷設備的儲存和釋放冷量。

(2)制冷機組優先運行：在冰蓄冷空調系統的運行控制中，蓄冷設備優先運行策略的實施可以取得較為理想的效果，同時也要根據實際情況制定科學的制冷機組優先運行策略與蓄冷設備優先運行策略相比，制冷機組運行優先主要是指通過制冷機組直接供冷，當其供冷能力無法滿足空調系統的運行負荷時，采取蓄冷設備釋放冷量的方式解決。

(3)完全利用夜間谷值電充分制冰，白天充分利用融冰制冷。以夏季每天空調實際負荷運轉為例，采用制冰系統按空調負荷預計節能費用約14~18萬元。夏季高峰融冰冷量不夠時采取平值電階段單機供冷，三聯供溴化鋰機組和融冰供冷聯合供冷等方式，達到最優化空調組合供冷。

(4)充分利用智能系統，根據天氣溫濕度情況合理設置及時調整空調運行參數，如出水溫度供回水溫差等，避免過冷過熱現象。供回水溫差設定合理，冷卻水、冷凍水利用水泵合理控制流量。

(5)降低送風的溫度：現代建筑中冰蓄冷空調的常規送風溫度為 l2 ℃，可以根據實際需要將其調整為5~10 ℃，其主要目的是減少相同負荷下的送風量，而且降低了空調系統運行中的能量消耗。

4 結語

綜上所述，在全球能源日趨緊張的形勢下，對于在公共建筑配備節能型能源供應系統的建設以及研究提高能源系統運行優化控制具有重要作用和意義。針對目前國內實行的階梯電價，結合建筑本身的能源需求情況，設備管理人員要不斷改善分布式供能和冰蓄冷設備、制冷機組的結構和性能，根據空調負荷合理調整其控制策略，保證能源供應系統的平穩、節能、經濟、安全運行。分布式供能和冰蓄冷都是是一項促進能源、環境、經濟協調發展的實用節能技術。雖然在運行過程對能源合理利用和節約運行成本有很好的經濟效益，但仍然需借鑒國內外項目的良好經驗，合理的設計方案、精心的施工安裝、科學的運行管理對空調系統的節能都是至關重要的。