污水處理廠多能互補的綜合能源供應系統構建及經濟性分析

孫振宇，沈明忠，陳北洋，王建華

（1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.華電水務控股有限公司，北京 100160）

污水處理廠多能互補的綜合能源供應系統構建及經濟性分析

孫振宇1，2，沈明忠1，陳北洋2，王建華2

（1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.華電水務控股有限公司，北京 100160）

在節約能源、降低排放的壓力下，利用可再生能源成為企業實現降本增效的重要手段。污水處理廠結合所在地太陽能資源豐富、建構筑物遮擋率低以及污水熱源豐富的優勢，在廠內建設分布式光伏，安裝污水源熱泵，構建了多能互補的綜合能源供應系統。系統中污水處理廠日均處理水量為4萬m3，用電量巨大；光伏發電供污水處理及污水源熱泵使用，剩余電量上網出售，平均年發電量為1059018 kW·h，平均年等效利用小時數為1170，自用率達94%，每年節約電費及余電上網收入為119萬元；同時，污水源熱泵比空調系統年節約電量150763 kW·h。多能互補的綜合能源供應系統每年節約標準煤387.1 t，減排483.6 t二氧化碳以及其他大氣污染物，可提高資源利用率，促進節能減排，有效降低生產運營成本。

多能互補；綜合能源供應系統；污水處理廠；分布式光伏；污水源熱泵；節能環保

0 引言

隨著經濟的不斷發展，能源需求持續增長，能源問題日益嚴峻，開發新能源、減少能源消耗勢在必行。作為新能源的水能、生物質能、風能、太陽能、地熱能和污水熱能等具有資源潛力大、環境污染低、可永久利用的優點，充分發揮新能源優勢，提高利用效率，已成為行業共識［1－2］。國家出臺一系列優惠政策鼓勵新能源的發展，具體包括加大資金支持力度、實行稅收扶持政策、改善金融服務等。污水源熱泵采用污水作為熱源，根據污水夏季溫度低于室外溫度，冬季高于室外溫度的特點，借助熱泵機組系統內部制冷劑的物態循環變化，消耗少量的電能，從而達到制冷制暖效果的一種技術，具有零污染，穩運行，高效能，不產生廢渣、廢水、廢氣和煙塵的特點。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能。國家發改委于2013發布了《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》，明確對分布式光伏發電實行全電量補貼政策，電價補貼標準為0.42元/（kW·h）［3］，這一政策的出臺刺激了光伏產業的發展。

本文以某污水處理廠為背景，采用污水源熱泵采暖/制冷，分布式光伏發電－市電雙電源協同供電，整合污水熱能、太陽能和電能，探索多能互補、能效最大的運行模式，分析三者協同的經濟性和環境性問題，為完善污水處理廠綜合能源供應系統提供依據。

1 多能互補的綜合能源供應系統

多能互補的綜合能源供應系統整合了污水熱能、太陽能和電能，實現污水處理廠能源利用最大化，該供應系統分為污水處理、污水源熱泵和分布式光伏發電3個部分。污水處理廠日均處理水量為4萬m3，電費占日常運行成本的一大部分。分布式光伏項目利用污水處理廠所在地太陽能資源豐富、建構筑物遮擋率低的優勢，嵌套在污水處理廠內，所發電量供應污水處理、污水源熱泵及日常辦公，剩余少量電量上網出售，合理利用廠區空間，形成光伏發電、市電的雙供電模式，保障污水處理廠的日常運行；同時，廠區常年污水資源豐富，再生水熱能通過污水源熱泵夏天制冷，冬天采暖，供應辦公區域（約3000 m2）。該系統能源供應關系如圖1所示。

1.1 污水處理

污水處理采用A2/O底曝氧化溝－高效澄清池－變孔隙濾池工藝，污泥濃縮脫水后填埋處理。污水來源于生活污水，出水水質優于一級A標準。再生水可用于電廠水處理系統、景觀河道、綠化園林等領域。

1.2 分布式光伏發電

根據廠區平面布置及設備用電量需求，光伏發電裝機總容量為904.8 kW，共安裝3 480塊峰值功率為260 W的光伏組件，主陣列由20塊組件組成，部分陣列由10塊組件組成。

圖1 多能互補的綜合能源供應系統示意

組件采用固定式支架朝正南放置，角度為31°。光伏板經30臺30 kW組串式逆變器至4個交流匯流箱，出口電壓為0.4kV，經電纜兩兩分別接至配電室低壓配電柜，實現分布式光伏發電－市電協同供電體系，如圖2所示。

圖2 分布式光伏發電與市電雙重供電體系示意

依據污水處理廠所在區域太陽能資源狀況和負荷特性，進行光伏發電出力與負荷曲線的匹配分析，如圖3所示。曲線對時間的積分為電量，主要分為3部分：光伏發電上網電量，光伏發電作為電源時用戶的用電量，市網作為電源時用戶的用電量［4］。

圖3 光伏發電出力和用電負荷之間的關系曲線

1.3 污水源熱泵

市政污水是一種優良的低溫熱源，包含40%生活中排放的廢熱，全年流量幾乎恒定。夏季水溫低于室外溫度，冬季水溫高于室外溫度，而且在整個供暖、供冷季水溫波動不大。污水水溫與處理水量、所處地域、污水來源及季節等有關，華北地區一般冬季水溫不低于10℃，夏季不超過30℃［5－6］，處理后的再生水水溫常年為17～20℃。

系統中污水源熱泵以再生水為冷熱源，選用高溫型水源冷熱水機組，制冷供回水溫度為10℃，采暖供回水溫度為45℃，其采暖制冷系統由3個子循環系統構成，即污水循環、中介循環和末端循環。污水經污水換熱器將熱量傳遞給清潔水，清潔水進入水源熱泵機組，在污水換熱器和熱泵機組之間形成中介循環，末端系統循環水在熱泵機組與末端散熱設備之間的循環為末端循環，如圖4所示。

圖4 污水源熱泵系統原理

2 多能互補的綜合能源供應系統運行分析

污水處理廠為二級負荷，耗電量與處理水量變化趨勢一致。2016年上半年污水處理廠平均月用電量為352632 kW·h，2月用電量最少，5月最多。

光伏項目2016年2月投產，發電量統計到6月，統計結果見表1。光伏發電的平均自用率達到94%，外網電量消耗量約占總用電量的73%，大部分用電量仍然依靠外網。

表1 光伏項目第1年實際發電量

光伏全年發電量采用國際上使用較為廣泛的PVSYST軟件進行計算，需要的參數有年各月總輻射量和氣象站多年平均氣溫，軟件所需的代表年逐小時輻射數據由軟件通過數值計算的方法生成。PVSYST軟件計算發電量時，部分發電量損失參數需人工設定，主要包括光伏組件功率偏差、直流匯集電纜長度及截面和污穢損失等［7－8］。計算得出第1年的各月發電量見表2，實際發電量與模擬發電量存在偏差（如圖5所示），因為模擬發電量代表的是各月多年平均發電量，而實際生產中天氣復雜多變。

表2 光伏項目第1年模擬各月發電量kW·h

圖5 實際發電量與模擬發電量對比

光伏組件的光電轉換效率會隨著時間的推移而降低，按首年衰減2%，次年起每年衰減0.8%，運營期20年進行考慮，發電量計算結果見表3。光伏電站20年平均年發電量為1 059 018 kW·h，20年平均年等效利用小時數為1170。

表3 光伏電站20年各年發電量kW·h

與其他供暖方式相比，污水源熱泵采暖制冷系統投資少、運營成本低、便于維護。污水源熱泵空調系統設備投資、年運行費用、年運行成本分別為地下水熱源系統的84.1%，85.0%，72.5%，為燃氣空冷空調系統的77.1%，35.0%，46.2%［9］。

污水源熱泵制冷量為153 kW，制熱量為140 kW；夏季制冷能效比為5.5，冬季制熱能效比為3.5；夏季用電功率為27.8 kW，冬季用電功率為40.0 kW。按照夏季用電時長720 h、冬季用電時長2664 h計算，年耗電總量為126576 kW·h。電力空調采暖系統夏季制冷能效比為3.00，冬季制熱能效比為1.55，年耗電總量為277339 kW·h，年節約電量150763 kW·h。

3 多能互補的綜合能源供應系統經濟性分析

污水處理廠年均用電量為4 272 330 kW·h，其中污水源熱泵年耗電量為126 576 kW·h。光伏項目20年平均年發電量為1059018 kW·h，按照自用率94%計算，其中自用電量為995477 kW·h，上網電量為63541 kW·h。

分布式光伏自發自用，余電上網運營模式下所發電的綜合電價可以表示為

式中：P0為綜合電價；P1為外網電價；P2為燃煤機組標桿電價；K為自用率。

污水處理廠屬于大工業用電，電價分時段計費，而在日常運營中電量只統計到日，為了便于計算，通過總電費/總用電量計算得出外網電價為0.72元/（kW·h）。當地燃煤機組標桿電價為0.419 6元/（kW·h），光伏發電補貼為0.42元/（kW·h），根據94%的自用率和6%的上網率，得出綜合電價為0.72×0.94＋0.419 6×0.06＋0.42＝1.122［元/（kW·h）］，20年平均每年節省電費716 743.4元，余電上網收入為471449.4元，總計1188192.8元。

光伏項目動態投資為806.61萬元，7年左右可收回成本。因為光伏項目和水廠共用一套維護運營人員，在不考慮運營費用的情況下，減去光伏項目成本，20年共節約的電費及售電收入共計1 569.78萬元。

4 多能互補的綜合能源供應系統環境效益分析

燃煤機組發電時向大氣排放大量的硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等，對大氣環境造成很大影響。近年來，新建燃煤機組全部配套建設脫硫裝置，二氧化硫排放量得到很好的控制，但是電力行業在能源轉換過程中排放的二氧化碳約占全國排放總量的50%，火電二氧化碳平均排放量約為0.4kg/（kW·h）［10］。

光伏發電是清潔、可再生能源，光伏發電項目裝機容量為900 kW（峰值功率），每年平均發電1059018 kW·h，與燃煤電廠相比，按每發1 kW·h電消耗標準煤320 g計算，每年可節約標準煤338.9 t，減少二氧化碳排放423.6 t，同時還減少了其他大氣污染物以及大量灰渣的排放，改善了大氣環境質量。污水源熱泵每年節約電量150763 kW·h，可節約標準煤48.2 t，減排60.3 t二氧化碳。

本文污水處理廠采用的多能互補的綜合能源供應系統每年共節約標準煤387.1t，減排483.9t二氧化碳以及其他大氣污染物，環境效益顯著。在大氣污染問題嚴重的地區，該系統具有很高的應用價值和示范意義。

5 結論

多能互補的綜合能源供應系統充分利用污水熱能、太陽能，達到能源轉換以及節約的目的，使能源利用最大化。光伏發電供給污水處理廠以及污水源熱泵，剩余電量上網，自用率達到94%，絕大多數電量內部消耗，工業用電的平均價格高于燃煤脫硫標桿電價，所以自用率越高，污水處理廠節約電費越多。但由于污水處理廠用電量巨大且光伏項目只能白天發電，74%的用電量仍需依靠市電供給。

系統中光伏20年平均發電量達1 059 018 kW·h，采用自發自用、余電上網的運行模式，平均每年節省電費716743.4元，余電上網收入471449.4元，總計1188192.8元；同時，應用污水源熱泵可比空調系統年節約電量150763kW·h。多能互補的綜合能源供應系統每年可節約標準煤387.1 t，減排483.6 t二氧化碳以及其他大氣污染物，具有良好的環境效益和經濟效益。

綜上所述，多能互補的綜合能源供應系統無論在新建污水處理廠還是技改水廠都具有較大的推廣價值，可有效促進降本增效的實現。

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（本文責編：劉芳）

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1674－1951（2016）10－0073－04

孫振宇（1987—），女，江蘇東海人，工程師，理學博士，從事太陽能發電方面的研究（E-mail：sunzy＠chec.com.cn）。

2016－09－07；

2016－09－20