用于區域供冷的燃氣分布式能源站系統設計探討

常　麗，秦　淵，馬彥濤

（中南電力設計院有限公司，湖北武漢430071）

用于區域供冷的燃氣分布式能源站系統設計探討

常麗，秦淵，馬彥濤

（中南電力設計院有限公司，湖北武漢430071）

本文簡述了燃氣分布式能源站及區域供冷的系統特點，提出燃氣分布式能源站用于區域供冷時的設計難點，并以廣東省某項目為例，介紹了項目的負荷情況、供冷需求及系統配置情況，通過兩種方案的技術經濟比較，提出用于區域供冷的燃氣分布式能源站設計建議。

燃氣分布式能源站；區域供冷；系統配置；技術經濟性分析

0　引言

隨著城市化進程的加快和人民生活質量的改善，高能耗建筑比例不斷增大，勢必會加劇能源危機，因此，中國乃至世界各地都在積極尋找途徑跟高效更環保的能源利用方式。區域供冷和燃氣分布式能源站作為目前大力推廣的高效能源利用方式，必將得到更廣泛的推廣和應用。本文將對用于區域供冷系統的燃氣分布式能源站的設計進行探討。

1　區域供冷與燃氣分布式能源站系統特點

區域供冷系統（district cooling system，簡稱DCS）是指在一個建筑群中設置集中的制冷站制備空調冷水，再通過輸送管道，向各個建筑供給冷量的系統。燃氣分布式能源站是指利用天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，在負荷中心就近實現能源供應的能源供應方式，綜合能源利用效率在70%以上，是天然氣高效利用的重要方式。

1.1區域供冷系統特點

（1）與常規制冷機房相比，區域供冷系統供冷范圍大，供能范圍內建筑類型多，通常有酒店、商業、辦公、住宅等，冷負荷的互補性強，逐時冷負荷曲線平緩，各建筑同時使用率低，這樣相同的供冷面積，可減小制冷機房裝機容量，減少機房占地面積和運維成本[1]。

（2）區域供冷系統中制冷機房規模較大，有條件采用更先進的制冷設備、能量輸送設備及智能化控制系統，并能有效保證大型制冷設備在高效滿負荷情況下運行，提高能源利用效率，比常規集中式空調系統節能約35%[2]。

（3）《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中提出，區域供冷系統應優先選用分布式能源站、熱電廠等余熱作為制冷能源，選用溴化鋰吸收式冷水機組作為冷源設備，利用余熱供冷，實現能源的梯級利用節能減排[3]。

（4）區域供冷系統供冷半徑不宜超過1.5km，盡量采用大溫差供冷，降低輸送能耗[4]。

1.2燃氣分布式能源站系統特點

（1）燃氣分布式能源站是建立在用戶附近的能源站利用系統，以天然氣為輸入能源，對外提供電力、冷凍水及熱水，系統配置一般為發電機組+余熱利用設備+調峰供冷供熱設備，發電機組余熱類型一般為蒸汽、熱水、煙氣，余熱利用設備依據發電機組余熱類型選取，能源綜合利用率一般在75%~85%。

（2）燃氣分布式能源站在系統配置應遵循以冷熱負荷定發電量的原則，而這里所提出的冷熱負荷不是指能源站的設計冷熱負荷，而是經過經濟技術比較之后，確定的相對穩定的冷熱負荷[5]。

（3）燃氣分布式能源站產出的電力的使用存在“并網不上網”、“并網運行，余電上網”、“就地直供，余電上網”等運行模式，發電機組的容量確定除受冷熱負荷限制外，也受電力使用方式限制。

1.3用于區域供冷的燃氣分布式能源站系統特點

（1）采用溴化鋰吸收式冷水機組作為冷源設備，實現發電機組余熱的就地利用，降低制冷機房運行成本。但由于溴化鋰機組本身制冷原理的限制，冷凍水供水溫度一般為5～6℃，無法滿足區域供冷的供水溫度要求，冷凍水需要采取進一步降溫措施后外供。

（2）發電機組為能源站內電力驅動的冷源設備提供電力，該部分電力將作為能源站的廠用電，實現電能的就地消納，減少電網輸送損耗及電網調度壓力，避免電力“就地直供”等政策性壁壘[6]。

（3）在與冰蓄冷系統結合使用時，分布式能源站受作為“發電型”企業的限制，在購電運行時很難爭取到峰谷電價，因此采用冰蓄冷作為系統調峰及降低供冷溫度的措施要經過技術經濟比較后確定。

2　案例分析

2.1項目概況

該項目位于廣東省某新興商務區，供冷范圍約73萬m2，建筑面積約332萬m2，供冷范圍內業態主要為五星級酒店、商業廣場、購物中心等，能源站對各冷用戶間接供冷，要求低溫供冷，供冷溫度3℃。根據供冷區域年冷負荷曲線及夏季典型日負荷曲線如圖1、圖2所示，并考慮能源站自用冷負荷，能源站設計冷負荷取85MW。

根據冷負荷分析結果，確定能源站系統配置方案：發電機組選用3臺燃氣內燃機，余熱利用設備選用煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷水機組，調峰設備選用的離心式冷水機組或冰蓄冷裝置。由于能源站配置內燃機發電機組，為售電型企業，上網購電是不享受峰谷電價政策，購電價格統一按照商業用電0.89元/kWh。其余邊界條件如下：天然氣價格：2.65元/Nm3；售電價格：0.81元/kWh；售冷價格0.55元/kWh。

2.2溴化鋰機組與離心機串聯供冷方案

為實現3℃供水溫度，采用溴化鋰機組上游、離心機下游的串聯供冷方案，溴機進出水溫度13/8℃，溴機下游串聯離心式冷水機組進出水溫度8/3℃，內燃機發電機組+煙氣熱水型溴化鋰機組+串聯離心式冷水機組單元制設置，煙氣熱水型溴化鋰機組與下游離心式冷水機組通過水路串聯運行，載冷劑為純水。供冷系統原理圖如圖3所示。

考慮到過渡季節及夜間冷負荷低谷時段，在滿足冷用戶舒適性要求的前提下，可適當提高冷凍水供水溫度，煙氣熱水型溴化鋰機組選型時需復核機組在冷凍水供回水溫度6/13℃及7/13℃時可穩定運行，同時復核下游離心式冷水機組在冷凍水供回水溫度3/13℃時可穩定運行。溴化鋰機組與離心機串聯供冷方案主要設備參數見表1。

表1　溴化鋰機組與離心機串聯供冷方案主要設備參數表

依據能源站裝機配置方案，煙氣熱水型溴化鋰機組為余熱利用設備，利用內燃機發電機組余熱制冷，運行經濟性最佳，串聯離心式冷水機組與煙氣熱水型溴化鋰機組配套設置、運行；大溫差離心式冷水機組利用能源站自發電或者夜間購電制冷，只在夜間冷負荷低負荷時段或白天余熱供冷量不滿足要求時運行。

在能源站的實際運行過程中，能源站管理系統會依據氣象條件及用戶末端冷熱負荷變化情況調整煙氣熱水型溴化鋰機組、溴化鋰機組下游串聯離心式冷水機組、大溫差離心式冷水機組的運行模式，以達到能源站收益最高。能源站100%負荷日運行策略如圖4所示。

表2　溴化鋰機組與冰蓄冷串聯供冷方案主要設備參數

2.3溴化鋰機組與冰蓄冷串聯供冷方案

為實現3℃供水溫度，采用溴化鋰機組上游、冰蓄冷下游的供冷方案。內燃機發電產生的高溫煙氣及高溫缸套水進入煙氣熱水型溴化鋰機組，制取6℃冷凍水，冰蓄冷系統融冰板換串聯在溴化鋰機組下游，將6℃冷凍水降溫至3℃外供；供冷系統供回水溫度3/13℃。溴化鋰機組與冰蓄冷串聯供冷方案主要設備參數見表2。

由于項目沒有峰谷電價政策，為保證系統運行的經濟型，應盡量采用能源站自發電蓄冰，根據冷負荷分布情況，發電機組僅在每天7:00~21:00運行，該時段也是冷負荷高峰時段，為避免邊蓄冰邊融冰的運行模式，設置兩個容量100MWh的蓄冰槽，切換運行。能源站100%負荷日運行策略如圖5所示。

2.4經濟性分析

項目的邊界條件如下：天然氣價格：2.65元/Nm3；購電價格：0.89元/kWh；售電價格：0.81元/kWh；售冷價格0.55元/kWh。能源站在采用溴化鋰機組與離心機串聯供冷方案或溴化鋰機組與冰蓄冷串聯供冷方案的系統配置時管網系統設計相同，在此不作比較。

分別計算兩種方案在100%、75%、50%、25%負荷工況日的運行策略計算運行收益。經濟性比較詳見表3。

與溴化鋰機組與離心機串聯供冷方案相比較，溴化鋰機組與冰蓄冷串聯供冷方案初投資高1550萬元，運行年收益低542.8萬元，可見在沒有峰谷電價政策的情況下，即使使用能源站的自發電蓄冰供冷，運行經濟性仍然較差，且冰蓄冷系統存在初投資高、控制系統復雜、蓄冰及融冰存在換熱損失等特點。因此在用于區域供冷的燃氣分布式能源站項目中，當沒有峰谷電價政策時，推薦采用溴化鋰機組與離心式冷水機組串聯供冷方案。

表3　典型負荷工況日的經濟性比較

3　用于區域供冷的燃氣分布式能源站項目設計注意事項

3.1系統配置的靈活性

采用溴化鋰機組與離心式冷水機組串聯供冷方案時，在機組選型時需要復核溴化鋰機組、離心式冷水機組獨立運行時的穩定性安全性。在系統設置上，供冷系統通過閥門的切換，可實現煙氣熱水型溴化鋰機組與離心機串聯供冷、煙氣熱水型溴化鋰機組單獨供冷、離心式冷水機組單獨供冷、煙氣熱水型溴化鋰機組與離心機并聯供冷四種運行模式。

3.2系統控制的安全性

采用溴化鋰機組與離心式冷水機組串聯供冷方案時，離心式冷水機組串聯在煙氣熱水型溴化鋰機組下游運行，在設備選型時要復核離心機和溴機允許流量變化范圍及變化率，確保設備運行安全，防止出現凍管、結晶等問題。根據冷負荷分析結果，制定合理的運行策略，盡量延長溴機運行時間，保證能源站整體經濟性。在冷負荷需求下降時，冷凍水回水溫度降低，保持溴化鋰機組供冷量不變，優先卸載離心式冷水機組，溴化鋰機組出口溫度降低至機組保護溫度（建議設定為6℃）時，再開始卸載煙氣熱水型溴化鋰機組。

3.3管網敷設的經濟性

燃氣分布式能源站用區域供冷時，由于供冷范圍擴大，供冷管網龐大，因此管網流速及敷設形式的確定需要經過詳細分析論證，同時計算管網保溫材料的選取及厚度，減少輸送損失。

4　結語

本文闡述了用于區域供冷的燃氣分布式能源站系統特點，并以廣東省某燃氣分布式能源站為例，分析了其系統配置情況、運行策略、經濟性，提出設計時注意事項，同時提出以下結論及建議：

（1）采用燃氣分布式能源站作為區域供冷冷源，利用天然氣發電機組排放余熱制冷，提高一次能源綜合利用率，符合國家能源政策。且隨著天然氣價格改革、分布式能源投資補貼、燃氣發電上網電價補貼諸多利好政策的出臺，用做區域供冷的燃氣分布式能源站將得到更快的推進和發展。

（2）用于區域供冷的燃氣分布式能源站具有其自身特點，要根據冷負荷分析情況，結合天然氣價、購電價格、售電價格、售冷價格等外部條件，合理配置系統裝機方案，確定經濟可行的運行策略。在有低溫供冷需求時，是否采用冰蓄冷方案應經過技術經濟比較后確定。

（3）區域供冷多采用間接供冷方式，冷用戶與供冷管網之間通過板換隔開，板換一次側的控制由能源站實現，板換二次側的控制由冷用戶負責，各用戶控制隨意性較大時，會造成能源站供回水溫差減少，造成輸送能耗增加等問題。在能源站控制系統設置中要采取防范措施，如在與用戶簽訂的供冷協議中規定用戶側回水溫度等措施。

[1]殷平.冷熱電三聯供系統研究（4）：區域供冷和區域供熱[J].暖通空調，2013，43（7）：10-17.

[2]GB50189-2015,公共建筑節能設計[S].

[3]GB50736-2012,民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[4]陸耀慶，等.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[5]CJJ145-2010,燃氣冷熱電三聯供技術規程[S].

[6]康英姿.區域供冷系統與燃氣分布式能源系統的結合[J].煤氣與熱力，2007，27（2）：62-66.

Discussion of Distributed Energy Station Used in District Cooling System

CHANG Li，QIN Yuan，MA Yan-tao
（Central Southern China Electric Power Design Institute，Wuhan 430071，China）

Thispaperbriefly describes the system characteristic ofgasdistributed energy station and districtcooling system,propose difficultiesin design ofgasdistributed energystation used in districtcooling system,then,takinga projectin GuangDong province for example,introduces the the condition of load,cooling demand and system configuration,through two kinds of schemes of technicaland economic comparison,give design recommendation forgas distributed energy station used in districtcooling system.

gas distributed energy station；district cooling system；system configuration；technical and economic analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.002

TU83

B

2095-3429（2016）05-0005-05

常麗（1982-），女，湖北武漢人，高級工程師，從事暖通及燃氣分布式能源站設計。

2016-08-17

2016-10-10