新型分布式能源三聯供系統的建設與分析

張洪偉 中國五環工程有限公司 武漢 430223

1 概述

新型分布式能源系統(Distributed Energy System，簡稱DES)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，通過能量梯級利用原理，使熱工設備產生的具有高品位的蒸汽∕燃氣帶動發電機發電或利用燃料電池技術供電，冬季可利用熱工設備的抽汽或排汽向用戶供熱，夏季可利用余熱吸收式制冷機向用戶供冷以及全年提供衛生熱水或其它用途的熱能一體化多聯產或分產系統［1］。同時，微型自動化能源裝置和通過網絡技術進行的智能化優化能力克服了以往小型化裝置不易于管理和控制、運行成本過高的缺點，實現系統化、智能化和經濟最優的目的。

DES 主要是以下設備集成的系統:發電設備(汽輪機、燃氣輪機、微型渦輪機、內燃機或燃料電池)、供熱或制冷設備(溴化鋰吸收式冷熱水機組、電制冷機組)、鍋爐或蓄熱系統、汽-水熱交換器、為用汽戶提供合適蒸汽參數的調節裝置以及建筑控制設備等。可應用于DES 的能源有化石燃料(煤炭)、氣體燃料(天然氣、煤層氣、沼氣等)、液體燃料(石油)、可再生能源(太陽能、風能以及潮汐能等)、核能以及城市固體垃圾廢物等。

國內外研究的實踐表明，DES 在溫室氣體排放、環境保護、能源的高效利用等方面表現出了極大的優勢，擁有巨大的市場潛力和商業價值，已成為能源動力產業發展的主要方向之一。

首先，DES 利用各種熱工設備進行分布式供電，與常規燃煤火力發電相比能更有效控制有害氣體的排放，易于小水力、太陽能、核能或其他新能源技術的介入，是可持續發展最有希望的技術之一。

近年來，大型電站的不斷建設投產，使電網急速膨脹，給供電的安全與穩定蒙上一層陰影。我們可以從美國新增電站發展歷史［2］(見圖1)情況上看出:在主體電力供應系統已經形成規模的情況下，電站建設的規模不應該一味求大，應該強調發展靈活性更大、效益更好的中小型聯供電站，可有效提高供電安全，彌補大電網在安全穩定性方面的不足。

圖1 美國新增電站平均容量的發展歷史

其次，DES 在降低CO2等污染空氣的排放物方面具有很大的潛力。據專家估算，美國如果從2000年起每年有4%的現有建筑供電、供暖和供冷采用分布式能源系統，從2005年起25%的新建建筑及從2010年起50%的新建建筑采用此系統，到2020年的CO2的排放量將減少19%。如果將現有建筑實施DES 的比例從4%提高到8%，到2020年二氧化碳的排放量將減少30%［3］。雖然在我國這方面的數據還沒有明確提出，但是可以預見到在大量采用DES 后，我國CO2的排量將會大幅減少。

再次，DES 與集中式發電—遠程送電比較，可以大幅提高能源利用效率。大型發電廠的發電效率一般為35% ～55%，扣除廠用電和線損率，終端的利用效率只能達到30% ～47%。而DES 的能源利用率可達到90%，沒有輸電損耗［3］。

另外，傳統動力系統的技術開發以及商業化的努力方向主要著眼于單獨的設備，例如，集中供熱、直燃式中央空調及發電設備。這些設備的共同問題在于單一目標下的能耗高，在忽視環境影響和不合理的能源價格情況下，具有一定的經濟效益。但是，從科學技術角度出發，這些設備都尚未達到有限能源資源的高效和綜合利用，而DES 將這些設備進行最優化擬合，達到有限能源資源的高效和綜合利用。

隨著我國城市化水平的進一步提高，規模在100，000m2左右的民用、公用和商用建筑已經相當普遍。文中筆者將設計一種技術可靠、適用性強、經濟性能良好，適用于住宅、醫院、酒店、綜合辦公大樓等用戶需求的新型分布式能源冷熱電三聯供綜合技術解決方案，替代和優化整合目前由常規的燃煤、燃油、燃氣鍋爐的采暖系統。

由于本課題是一項多目標多約束條件的研究課題，所以本文采用多方案的選擇與計算方法進行分析，并假定比較分析的各種約束條件不隨方案的變化而改變。通過對不同方案的優化計算，得出相應方案的各項特性指標，同時對各項指標配以不同的權重，從整體角度對各方案的優劣進行綜合評判。

2 系統各項設計指標的確定

項目建設地點選在南方某市。由于公用性和商用性建筑用能結構具有典型性，所以在項目的設計過程中，冷熱電三項指標將以這兩種建筑的相應標準選取。需要指出的是，計算冷熱負荷時，按慣例設計部門根據1990年建設部頒布的標準進行設計，一般取極限值，但根據各地項目的實際運行情況，在絕大多數條件下，建筑對冷熱的需求是達不到設計要求的。例如，上海某醫院25，000 m2的面積，按設計規范要求選用了一臺1，180 kW 燃氣輪機，系統建成后電和熱均無法全部消化，設備出力的最高負荷只有600 kW，所以按極限值配置系統必然造成設備投資的極大浪費。因此，在項目設計過程中，將根據地區實際測量指標進行設計，并取同時利用系數為0.9 左右。另外，項目各方案都可以通過增加補燃量滿足設計極限條件的需要。

建設地室外氣象參數見表1。

表1 建設地室外氣象參數

項目對冷、熱、電三項設計指標的取值，以及項目對冷、熱、電三部分能源的總體設計需求見表2。

表2 冷、熱、電設計指標以及項目對冷、熱、電的總體需求

3 新型分布式能源系統方案的擬定及設備

項目能源的需求主要是電力、采暖、制冷和生活熱水。由于熱力和制冷一般無法得到外部支持，而電力可以依靠電網補充，所以燃氣發電裝置的功率選擇，主要依照“以熱(冷)定電”的原則。根據項目實際情況，計劃在制冷和供熱兩項需求上基本滿足平均負荷需求，電力解決25%～50%的負荷需求，保證關鍵部位的電力供應安全。由于用戶對能源的需求具有非恒定性，所以項目需要通過蓄熱和蓄冷技術進行調節，力求總量平衡。同時，盡量減少機組在夜間低谷低電價的時段運行，避免浪費，提高系統的經濟性。

根據世界能源消費結構的發展趨勢和國際上的最新設計理念，本系統擬采用美國索拉透平公司的小型燃氣輪機和中國遠大空調公司的溴化鋰吸收式空調系統，為用戶提供電力、制冷、采暖和生活用熱水。

3.1 系統選擇的擬定

通過以上的計算與分析，系統選擇三種方案。

(1)方案1:一臺Solar Saturn20 燃氣輪機和一臺型號為BZE600 煙氣直燃機組合匹配，冷熱供應滿足需要，電力滿足系統25%的需求。以天然氣為燃料送入燃氣輪機燃燒后，高溫排氣進入直燃機，夏季供冷、冬季供熱，電力不足部分由電網提供。

(2)方案2:一臺Solar Saturn20 燃氣輪機和一臺余熱利用鍋爐(采暖、生活用熱水以及制冷蒸汽源)以及一臺型號為BS600 的雙效蒸汽機組合匹配，冷熱供應滿足需要，電力滿足系統25%的需求。天然氣送入燃氣輪機燃燒發電后，高溫排氣送入余熱鍋爐制取蒸汽，夏季蒸汽經分汽缸至BS600 型雙效蒸汽機供冷;冬季蒸汽經分汽缸至換熱器制取熱水供暖;電力不足部分由電網提供。

(3)方案3:兩臺Solar Saturn20 燃氣輪機和兩臺型號為BE300 的雙效煙氣機組合匹配，冷熱供應滿足需要，電力滿足系統50%的需求。以天然氣為燃料送入燃氣輪機燃燒后，高溫排氣進入BE300 型雙效煙氣機，夏季供冷、冬季供熱，電力不足部分由電網提供。

3.2 系統設備

3.2.1 燃氣輪機系統

位于美國圣地亞哥的Solar 透平公司主要生產1 ～13MW 小型燃氣輪機，產品大量應用于冷熱電聯產項目，Solar 燃氣輪機的特點如下:

(1)以Solar 小型燃機為主體的熱電聯產系統比其他熱電聯產系統更加堅固耐用，一般可以連續運行30年，Solar 燃機的大修周期為3 ～4 萬小時。

(2)適用于多種氣體燃料和液體燃料。還可以在不同形態的燃料之間隨時進行切換，這一性能無論對燃氣管道的安全運行，還是供電供熱用戶的供能安全，都極其重要。

(3)余熱回收方式簡單，熱電聯產千瓦造價低。

(4)生產高品質余熱，不僅可用于各種工藝方式，還可以實現聯合循環熱電聯產，達到能源高效利用。

(5)運行費用低，熱效率高，經濟效益好。

3.2.2 溴化鋰吸收式制冷系統

本項目中，擬用中國遠大空調公司的三種不同形式溴化鋰吸收式空調機組進行方案的組合。遠大溴化鋰吸收式空調機組的特點如下:

(1)煙氣直燃機

煙氣直燃機利用燃氣輪機的發電尾氣制冷和制熱，不僅可以大幅度節能，還可以利用天然氣獨立提供冷或熱，適用于大型建筑和區域空調系統。優點是在正常發電的情況下，制冷、制熱不需要能源，少發電或不發電時也可以提供冷和熱。缺點是該系統的投資成本和保養費用較高。

(2)雙效蒸汽機

由燃氣輪機利用天然氣發電，將尾氣中的余熱通過余熱鍋爐回收轉換成蒸汽利用，冬季依靠熱交換器轉換為熱水采暖，夏季依靠蒸汽溴化鋰吸收式空調機組制冷。

由余熱鍋爐—雙效蒸汽機組成的系統是一個傳統的解決方案，適合于蒸汽需求量較大、蒸汽品質要求較高的項目，適合有蒸汽鍋爐和蒸汽溴化鋰吸收式空調機組的單位進行冷熱電聯產改造。但系統中可能還需要一臺小型蒸汽鍋爐來提供冬季、夏季燃氣輪機不運行時段的采暖、制冷的蒸汽需求。系統較復雜，運行維護成本高，增加了壓力容器，所以安全要求也較高。

(3)雙效煙氣機

雙效煙氣機完全利用燃氣輪機排出的尾氣作為制冷熱源，制冷和供熱完全不需要燃料，從而大幅度提高了能源利用率。但系統本身存在一些制約因素，即發電和制冷供熱必須同步，如果只需要電時，尾氣沒有被利用;如果不需要電時，空調就沒有了熱源。

3.2.3 余熱鍋爐

余熱鍋爐是技術非常成熟的產品，不僅能充分利用各種廢熱，也可以采用補燃技術，增加供熱能力，提高供熱靈活性。項目采用杭州鍋爐廠的余熱鍋爐。Solar Saturn20 機組和余熱鍋爐補燃在海拔高度約700m、空氣濕度為80%、年平均氣溫16.6℃的基本狀況下各性能參數的比較見表3。

表3 余熱鍋爐補燃工況比較

根據表3 數據說明，本項目在方案二中采用余熱鍋爐補燃到927℃的工況，是整個系統各性能參數達到最優匹配的工況。

3.3 系統各方案比較

本項目保障100，000m2的采暖/制冷需求和部分電力供應，對不同的技術解決方案，根據供熱制冷的基本要求，從機組所能達到的技術指標角度進行分析比較，見表4。

表4 各方案機組所能達到的技術指標

設備容量備用系數即系統對能源的需求占設備最大出力的百分比。表4 的計算結果表明:方案三是最合理的技術解決方案，此方案采用兩套機組，不僅滿足了項目對制冷和采暖的需求，增強了系統的靈活性，而且供電既穩定又安全。

4 系統運行時間

每一個項目都有自身的內部需求以及需求規律，因此設備利用時間也有所不同。由于燃氣輪機年利用周期是一個對項目進行經濟評價的關鍵因素，所以在對項目進行熱經濟性分析之前，需要確定設備在采暖期、制冷期和非采暖制冷期的實際運行時間，見表5。

表5 項目設備的年利用時間

三個方案采用相同的運行規律，冬季和夏季機組滿負荷持續運行，通過減少補燃來解決機組供熱和制冷調峰問題。在春秋非采暖制冷期，方案一和方案二始終保持機組50%出力運行，方案三保持一套機組滿負荷運行，解決建筑對熱水等用熱的需求，電力不足部分由電網供給。

5 系統的熱經濟性分析

5.1 設備的投資預算

本項目的設備投資主要為燃氣輪機、溴化鋰吸收式空調機組和余熱利用鍋爐。

(1)燃氣輪機需從國外進口，這里燃氣輪機進口稅率按30%計，如果業主是中外合資企業，則可以申請免稅。燃氣輪機的報價以Solar 公司的報價作為參考，一般為664 萬元，其中包括控制系統和天然氣/柴油雙燃料系統。燃機生產的電力可直接與用戶380V 供電系統連接，并在客戶端進行調頻調峰，設備現場無須人員職守。

(2)溴化鋰吸收式空調機組的報價以遠大空調公司的報價為參考，設備本身包括輔助燃燒系統、控制系統等，控制系統可以同燃氣輪機匹配銜接，實現無人職守。

系統設備投資預算見表6。

5.2 系統收益分析

對于業主而言，系統在建成投產后，主要包括兩個方面的經濟收益，即電收益和冷熱收益。

首先，項目投資的第一項收益是所節約的電費。

表6 系統建設的設備投資預算分析

由于我國商業和非普通工業用電的價格構成比較復雜，為便于計算與分析，這里按平均電價0.65 元/kWh 進行計算。前面已經敘述，項目的設備發電效率是按照當地的平均條件進行考慮的，所以在計算過程中不考慮其它的衰減因素，發電收益見表7。

表7 項目的發電收益分析

其次，項目投資的第二項收益是冷熱收益。

項目中，由于使用了三種不同系統，因此對冷熱價格的確定產生了一定的影響。為了方便對各系統進行對比分析，以系統生產冷熱的最大成本作為方案比較的冷熱參考價格，因此按方案二進行確定。按熱值計算法天然氣燃料的價格為30.7 元/GJ，由于余熱鍋爐補燃后熱利用效率為89.84%，所以熱價為34.17 元/GJ。同時，還需要支付水處理成本2 元/t 左右，預計成本價格超過36 元/GJ。由于采用的是冷熱無收益評價方法進行分析，因此建議冷熱價格按36 元/GJ 考慮，冷熱收益見表8。

表8 項目的冷熱收益分析

5.3 系統成本支出費用分析

5.3.1 天然氣消耗比較

系統建成投產后，主要的成本支出包括燃料費用和運行費用，其它的小額費用支出，這里暫不考慮。

由系統的配置可知，在系統消耗的燃料種類之中，天然氣占了絕對的比重。除燃氣輪機消耗的燃料外，煙氣直燃機和余熱鍋爐的補燃也需要大量的燃料，所以燃用天然氣產生的費用是系統最大的成本支出。出于模型的簡單化，這里只考慮設備本身所消耗的天然氣量，而未按照系統實際運行時燃料消耗的實際情況進行計算。天然氣消耗量及成本支出見表9。

表9 天然氣消耗量及成本支出

5.3.2 運行費用比較

有關運行費用的計算，本文以國際上的統計數據作為參考，按系統發電量計算，見表10。

表10 項目各方案的運行費用分析

5.3.3 綜合比較

雖然在系統的初步設計及設備選型時，完全滿足了項目對冷熱的需求，但由于各方案中設備的配置不同，所以各有優缺點，各方案綜合比較分析見表11。

表11 項目各方案的綜合比較分析

方案一選用了煙氣直燃機，雖然在制冷系統這個環節上設備投資加大，但增強了系統的靈活性與適應性。由于方案匹配中燃機發電尾氣不能夠完全被消化吸收，造成一定的浪費，因此方案可增加其它的余熱利用裝置。此方案適合于除制冷、采暖和生活用水以外對蒸汽還有更大需求的單位，比如醫院等。

方案二采用了余熱鍋爐和雙效蒸汽機，雖然系統配置也可以滿足項目對能源的需求，但是由于系統中增加了余熱鍋爐以及水處理設備，導致系統復雜化，運行維護成本及安全要求都比較高。

方案三采用兩套機組，雖然在投資成本上高于另外兩個方案，但是雙效煙氣機可以完全吸收利用燃機尾氣進行制冷制熱，而且系統發電量是前兩個方案的二倍，成本回收只需要3.9年。

6 結語

通過對各個方案特點的分析，筆者認為，方案一和方案三適用范圍更廣，是未來進行新型分布式能源冷熱電聯產系統建設的主導方案。本文采用的是供熱制冷無收益的評價方法進行計算，設備可以在約4.5年收回成本，具有良好的經濟效益。

需要指出的是，不同的項目對冷熱的要求不同，所以在對具體項目進行設計時，應按實際情況進行參數的選取。

1 張洪偉，黃素逸，龍妍. 分布式能源系統與可持續發展戰略［J］. 節能，2004 (2):41 -44.

2 Weinberg Carl J. Keeping the lights on sustainable scenarios for the future ［J］. Cogeneration and On -site Power Production，2001，2 (3):49 -64.

3 徐建中. 分布式供電和冷熱電聯產的前景［J］. 節能與環保，2002 (3):10 -14.