某醫院分布式能源系統的方案設計

上海航天能源股份有限公司 張杰 郭甲生 張丹 徐振華 李巡案

某醫院分布式能源系統的方案設計

上海航天能源股份有限公司 張杰 郭甲生 張丹 徐振華 李巡案

以某醫院現有供能方式作為設計基礎,詳細介紹了分布式能源系統發電機組選擇、系統發電容量和余熱回收的設計,滿足了醫院的安全電源和熱水負荷需求.整個分布式能源系統靈活、可靠,具有明顯的經濟效益和社會效益.

分布式能源系統;醫院;可行性;

據統計,醫院建筑空調系統的年一次能耗一般是辦公建筑的1.6-2.0倍.在國家建筑節能減排的大環境下,在保證醫院正常發展、滿足人們需求及提高醫療質量的前提下,降低醫院建筑造價、減少醫院建筑能耗及運行費用中的不合理部分已成為醫院建筑建設的重要課題.以微型燃氣輪機和吸收式制冷等設備組成的分布式能源系統,具有效率高、占地小、保護環境、可減少供電線損和應急突發事件等綜合功能,在有條件的醫院逐步推廣.

本文結合某醫院的實際用能情況,詳細地設計了該醫院的分布式能源系統,總結了相關經驗.

1 醫院實際情況

1.1 醫院用能分析

該醫院屬于重點用電園區,供電系統為10kV進線,配有4臺1600kVA的變壓器,,用電負荷較大且用電負荷波動較小.

醫院空調系統配置一臺螺桿式制冷機組,兩臺直燃型溴化鋰冷溫水機組和一臺煙氣補燃型溴化鋰冷溫水機組,3臺溴化鋰冷溫水機組額定參數相同,額定制冷量1436kW(冷水溫度:7/13℃),額定采暖量2163kW(熱水溫度:65/80℃).當直燃型溴化鋰冷溫水機組供能不足時煙氣補燃型溴化鋰冷溫水開啟.一臺蒸汽鍋爐制取184℃的過熱蒸汽,滿足醫院殺菌、消毒的蒸汽負荷.

醫院現有床位600張,計劃再增設床位300張.以現有床位數計算,熱水定額取100L/(床.日),則平均小時熱水需求量為:2.5t/h.

醫院供能和采暖流程為:夏季制冷時,直燃型溴化鋰冷溫水機組開啟,供應冷水,冷水匯集到冷水分水器,然后供應醫院各個分區.

取熱水/生活熱水時,高溫發生器流出的80℃熱水,分為2個支路,一路流經熱水分水器,一路流經生活熱水分水器,然后供應醫院各區熱水/生活熱水負荷需求.

1.2 發電機房尺寸

醫院配有一發電機房,已設置發電機組煙氣余熱管道,整個發電機房實測尺寸:8.7X5.8X4m,發電機房位于控制室和鍋爐房(包含制冷設備)之間,距離1號和3號變壓器約30m.

2 分布式供能站系統設計

2.1 系統發電機組的選擇

目前天然氣分布式能源站中應用較多的發電機形式以燃氣輪機、燃氣內燃機和微燃機為主.由于受發電機房空間、醫院低噪音、低排放以及現有設備供能網絡改造限制,本方案選擇微型燃氣輪機作為發電設備,力求機房布置簡單緊湊,節省面積,在滿足高效運行的前提下實現低噪音、低排放、運行維護方便等優點.

2.2 系統發電容量設計

(1)技術規范

根據《分布式供能系統工程技術規程》,分布式能量容量的選擇應根據宜熱(冷)定電,熱(冷)電平衡的原則,并根據電、熱(冷)負荷的特性和大小合理確定.機組的發電量宜自發、自用、自平衡.并入電網的分布式供能系統的總裝機容量應不大于相應電力系統接入點上級變電站容量的30%,該醫院單臺變壓器容量為1250kVA,因此分布式供能系統的總裝機容量不應超過300kW.

(2)場地實際情況

通過現場測量,發電機房實際尺寸約為8.7X 5.8X4m,考慮發電機組輔助設備和實際的安裝維護,查閱相關發電機組樣本,能滿足場地要求的發電機組發電量≤300kW.

(3)維護方便

選擇同一品牌的微型燃氣輪機不僅有利于系統的運行、監控和維護,而且有利于減少分布式能源系統的維護費用.綜合考慮產品的發電量、尺寸和發電機組機房空間,選擇2臺100kW微型燃氣輪機.

2.3 余熱回收設計

分析醫院現有的直燃型溴化鋰冷溫水機組供應1kW的冷水、熱水和生活熱水負荷所需天然氣見表1.

表1 制冷、采暖和生活熱水負荷所需天然氣

從表1中可以看出,供應單位熱水和單位生活熱水所需天然氣消耗量最大,供應單位制冷天然氣消耗量最小.即供應熱水/生活熱水的成本較高.因此優先滿足醫院熱水負荷和生活熱水負荷,分布式能源系統經濟性更好.

(2)能源利用率

采用微型燃氣輪機煙氣通往煙氣補燃型冷溫水機組制取生活熱水時排煙溫度約為120℃,而微型燃氣輪機煙氣通過板換制取生活熱水時排煙溫度約為70℃,因此,如本分布式能源系統采用微型燃氣輪機通過板換制取生活熱水效果更好.但是由于受現有設備能源供應網絡改造限制,而且采用煙氣/熱水換熱制取熱水增加初始投資,經綜合考慮,本系統采用微型燃氣輪機尾氣通往煙氣補燃型溴化鋰冷溫水機組制取熱水.

本分布式能源系統主要利用煙氣余熱,通往煙氣補燃型溴化鋰冷溫水機組直接供應生活熱水,在保證全院熱水負荷需求后,多余的余熱供應冷水/熱水.

圖1 分布式能源系統流程示意圖

3 系統運行模式

分布式能源系統運行時,醫院的電力、生活熱水和空調負荷均優先由分布式能源系統供應.系統流程示意圖如圖1所示.

(1)發電模式

兩臺微燃機的電力分別接入離發電機組房較近的1號和3號變壓器低壓端(400V).分布式能源系統電力接入區域電網(市電),與大電網構成電力補充,按照并網不上網的原則,功率跟蹤和智能調度.

(2)冷水供應模式

常州城區河道主要清淤方式為傳統工程清淤，雖然有著立竿見影、施工方案便捷、成本低的優勢，但是也面臨不少問題。

制冷時,煙氣從煙氣補燃型溴化鋰冷溫水機組排出溫度和補燃煙氣溫度約170℃,煙氣余熱量較大,采用煙氣/熱水換熱器,加熱熱水集水器回水,為充分回收煙氣余熱,提高能源利用率.

醫院空調系統除分布式能源系統供應外,還有直燃型溴化鋰冷溫水機組,螺桿式制冷機組,整個機組的冷水供應管網連為一體:夏季制冷,優先采用分布式能源系統供冷,不足通過開啟醫院現有螺桿式制冷機組制冷,仍不足,開啟直燃型溴化鋰冷溫水機組制冷.

(3)熱水和生活熱水供應模式

過渡季節和冬季采暖時,排煙溫度約為120℃,同樣也采用通過煙氣/熱水換熱器,加熱集水器回水,提高能源利用率.

過渡季節沒有冷熱負荷需求,機組設備只運行一臺,每天運行14h.

4 效益分析與節能減排分析

設計該系統全年運行350d,其中夏季運行120d,24h/d運行;冬季運行150d,每天運行24h/d,過渡季節80d,單臺機組運行14h/d.

(1)經濟效益分析

目前,按照分布式能源系統的優惠氣價2.83元/Nm3,系統經濟性分析見表2.

表2 分布式能源系統經濟性分析

可以看出分布式能源系統提供的電能、冷水、熱水和生活熱水與現有分產(市電+直燃型冷溫水機組)相比,本分布式能源系統年節省運行費用約56萬元.

(2)年平均能源綜合利用率分析

天然氣分布式能源全年綜合利用效率應根據《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》(CJJ 145-2010)3.3.5公式進行計算:

式中:v--年平均能源綜合利用率(%);

W--年凈輸出電量(kWh);

Q1--年有效余熱供熱總量(MJ);

Q2--年有效余熱供冷總量(MJ);

B--年燃氣總耗量(m3);

QL--燃氣低位發熱量(MJ/m3).

根據表2中所示的分布式能源系統運行數據,計算該系統年平均能源利用率,得到系統年平均能源綜合利用率為71.75%,符合國家天然氣分布式能源全年綜合利用效率高于70%的要求.

(3)年利用小時數分析

分布式供能系統年利用小時數計算公式為:

式中:h-年利用小時數(h);

W-年聯供系統凈輸出電量(kWh);

KW-發電機組額度裝機容量(kW).

本分布式能源系統年利用小時數為: 1408000/200=7040h

符合國家天然氣分布式能源年利用小時數高于2000h的要求.

(4)節能減排量分析

按照2013年中國醫院所屬區域電網基準線排放因子-該地區的碳排放因子0.7125kg/kWh和IPCC聯合國政府間氣候變化專門委員會的天然氣數據折算其排放系數1.9916kg/m3,計算分布式能源系統年CO2減排量約為411t.

5 結語

(1)分布式能源系統中的各個發電機組可起到互為補充、互為備用的作用,以提高整體系統的靈活性和安全性.

(2)分布式能源系統在醫院的應用時必須根據實際情況,綜合考慮各方面因素來確定分布式能源系統的配置,特別是醫院改造項目.

(3)在醫院中應用分布式能源系統具有明顯的經濟效益和社會效益.

(4)微型燃氣輪機可以作為醫院的備用電源,替代傳統的柴油發電機和蓄電池UPS,間接降低系統的總投資,提高投資回報率.

(5)本系統約在明年投入運行.

An Project Design of Distributed
Energy Supply System Applied to A Hospital

Zhang Jie,Guo Jiasheng,Zhang Dan,Xu Zhenhua,Li Xun an

Thechoiceofdistributedenergysystempowergenerationunits,system capacity and the design of waste heat recovery were introduced in this paper.The design of the system was based on the existing power mode of a hospital in shanghai,and the safety source and hot water load were meet the needs of the hospital.The distributed energy system was flexible,reliable and the economic benefits and social benefits was obvious.

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張杰,(1988-),男,碩士,工程師.從事分布式能源系統的設計與優化應用研究.