微燃機在民用建筑微能網熱電聯供工程的應用

(中國建筑設計研究院有限公司 北京 100044)

引言

近年來，世界各國對于分布式發電技術的重視逐步提高，其正向著高效、經濟、多樣化、可再生等方向發展。我國分布式發電技術起步較晚，卻有著能源和電力消費能力的增長速度遠高于能源生產增長速度的現狀，因此更高效地利用能源必定是未來發展的重要方向。微型燃氣輪機作為分布式發電設備的一種，在微能源網熱電聯供工程應用時具有傳輸距離短，能源損耗低，可靠性高，可用于調峰等特點。微型燃氣輪機在建筑工程的引入將“微電網”的概念擴充為“微能源網”，使供熱網與供電網不再是相對孤立的兩個網，而是相互緊密聯系的兩個能源網絡。熱電聯供利用了微燃機發電后廢氣的余熱，提高了一次能源利用率，不僅節能而且提供了另一種形式的供暖來源，提升了供暖的靈活性。

一、系統設計

(一)微型燃氣輪機供電方式

微型燃氣輪機作為一種較為可靠的發電機，滿足自備應急電源的要求。但若完全按照自備應急電源的要求使用——在平時處于熱備用狀態，僅事故或應急時啟動，則微型燃氣輪機就喪失了可熱電聯供的優勢。而作為應急電源，微型燃氣輪機在燃料貯藏條件、啟動時間、設備價格等方面均不及技術成熟的柴油發電機。

工程應用時希望利用微型燃氣輪機可靠性高這一優勢，因此提出可以利用微型燃氣輪機作為平時供電設備，兼作自備應急電源使用，但是《供配電系統設計規范》規定：應急電源與常用電源之間，應采取防止并列運行的措施。所以此運行方案雖有諸多優點，但不可代消柴油發電機。

微型燃氣輪機，由于發電功率小，其適用范圍是類似民用建筑供配電網的低負荷系統，因此電壓等級通常為380V。接入配電網時，除常規的斷路器、隔離開關等設備之外，還應加設監測與控制設備，目前多集成為并網柜與控制柜。

微型燃氣輪機作為常用電源的運行策略因工程需求不同而有所差異。由于我國大多數工程無需常年供暖，所以微型燃氣輪機僅需在供暖期運行。工程設計可根據負荷等具體情況選擇微型燃氣輪機，并制定運行策略和供電關系。微型燃氣輪機為部分三級負荷供電，并為部分一、二級負荷提供一路電源，市政電網用于滿足其余負荷需求。

多數情況下，為保證供電可靠性，系統都應采取并網運行的方式，但綜合各方面因素，民用建筑中包含微型燃氣輪機的分布式發電系統所發電能通常是并網不上網。

微型燃氣輪機作為旋轉式同步發電機接入民用建筑配電網，其性能與電力系統中其他發電機相似，電壓、頻率、波形穩定，故可用作提供孤網運行狀態下的基準電壓、頻率、相位的主電源。微型燃氣輪機所發電能為交流電，沒有電力電子器件帶來的各種問題，且功率比蓄電池大。但是微型燃氣輪機只能順向地向電網輸送電能，不能如蓄電池般在配電網電能過盛時逆向地儲存電能。

(二)微型燃氣輪機供暖方式

供暖通常是為了提高冬季室內人員的舒適性，同時保護部分室內設備不受低溫破壞。利用微型燃氣輪機的回收余熱供暖是一種自主供暖形式，可以部分取代熱水鍋爐供暖，能提高供暖的靈活性。

微型燃氣輪機的煙氣余熱回收換熱器可以作為唯一供暖來源，也可以附加熱水鍋爐、電蓄熱設備等形成復合熱源。使用復合熱源時，需要控制系統根據熱源供熱功率以及負荷需求對熱源的供能比例進行調整。由于微型燃氣輪機同時作為電源和熱源，因此不宜因供熱負荷的變化而調整其功率，電蓄熱設備及熱水鍋爐相對更容易調整。

(三)微型燃氣輪機熱電聯供系統的控制方式

隨著控制技術的發展，微型燃氣輪機的啟停控制已經可以完全通過PLC等嵌入式控制器實現，已經簡化至一鍵啟停。

能源管理系統是伴隨著主動配電網和多能互動系統而產生的，用于解決不同種類分布式能源的協調問題。該系統與傳統建筑能效管理系統相比，除了具備能耗分項計量，遠程抄表等功能以外，還具備對各項分布式發電系統及各項負荷的監測、分析、預測、保護、控制以及調度等功能。針對光伏和風電發電性能受天氣影響嚴重的特點，能源管理系統采用根據氣象站監測的天氣情況對其發電功率進行監測和預測的方法保證系統穩定。對于微型燃氣輪機、市電等相對穩定的供電形式，能源管理系統根據負荷與風光供電情況控制其功率輸出；供暖時，能源管理系統根據熱電聯供設備運行情況，調節電蓄熱設備，熱水鍋爐等設備的工作狀態。

二、經濟分析

微型內燃機同樣可以作為民用建筑熱電聯供系統的能源設備，本節將微型燃氣輪機與微型內燃機熱電聯供以及市政供電供暖的各項經濟參數進行對比，綜合評價微型燃氣輪機在民用建筑熱電聯供工程中的應用價值。本節以美國某品牌的微型燃氣輪機與日本某公司生產的微型內燃機為代表，進行各項經濟對比。

(一)設備價格分析

本文分別以柴油發電機和燃氣熱水鍋爐作為發電和供暖設備的代表，將民用建筑熱電聯供系統與傳統分產形式在裸機價格方面進行對比。發電與供暖設備裸機價格對比如表1所示。

表1 各種發電&供暖設備裸機價格比較

分析表1可知，微型燃氣輪機的每千瓦價格略低于微型內燃機，但二者相差不大。與分產系統裸機價格相比，二者均無價格優勢。

(二)運行維護收支估算

?運行成本分析

C65微型燃氣輪機與CP25微型內燃機為例進行運行成本的分析，二者的性能參數如表2所示。

表2 C65微型燃氣輪機與CP25微型內燃機參數

由表2可知，微型燃氣輪機的發電效率和一次能源利用率均低于微型內燃機，余熱回收效率高于微型內燃機。

表3 C65微型燃氣輪機與CP25微型內燃機每小時產出

由表3可知，電能是熱電聯供系統的運行最為主要的價值部分。在2.6元/m3的天然氣價格下，無論是微型燃氣輪機還是微型內燃機，其發電的平均價格均介于平價電(0.68元/kWh)與峰價電(1.02元/kWh)之間。因此，只在峰價電與尖峰價電時運行熱電聯供系統，其他時段使用市政供電供暖是最為經濟合理的運行方案。

?維護成本分析

微型燃氣輪機因結構合理而維護成本相對較低。微型內燃機與柴油發電機由于均采用活塞結構，運行過程中各構件的磨損嚴重，因此而每運行一段時間后需要維護或更換部件。國產微型內燃機平均每工作2個月即需要進行一次維護，此部分成本約提高0.1元/kWh的發電電價。柴油發電機需要根據運行時間，進行不同等級的維護。故微型燃氣輪機的優勢可在維護成本中充分體現。

(三)經濟性綜合分析

雖然如前文所述，熱電聯供系統僅峰價電與尖峰價電時間運行，其他時間使用市政供暖供電這一運行方式最為經濟，但峰價電與尖峰價電時間零碎，而供暖系統不宜頻繁切換，因此本節按照熱電聯供系統冬季供暖時期非谷電時間運行計算整體系統的經濟性。本節供暖時長按120天/年計算，計算結果如表4所示。

表4 C65微型燃氣輪機與CP25微型內燃機年度運行經濟性對比

由表4可見，使用天然氣的熱電聯供系統若采用恰當的運行方式，則可以在運行時產生一定的經費節省，但這遠不能彌補其裸機價格高昂的缺點。

我國各省市天然氣價格會有所差別，我國各省市天然氣價格介于3.86元/m3與1.2元/m3之間不等。基于此價格，可計算得表5。

表5 基于不同天然氣價格的微型燃氣輪機與微型內燃機平均電價

由表5分析可知，當天然氣價格高于2.31元/kWh時，微型內燃機即使考慮維護成本，其電價也低于微型燃氣輪機；當天然氣價格低于2.31元/kWh時，微型燃氣輪機可通過維護成本的優勢使平均電價低于微型內燃機。

三、項目案例

(一)項目建設概況

本文工程案例為某工廠生產區，包括兩幢獨棟實驗車間，一幢辦公研發中心和一幢新能源展示中心。園區配置光伏電池板、風力渦輪機、蓄電池、固體電蓄熱、微型燃氣輪機作為能源設備為負荷供能。發電與相應控制設備均接入配電網組成主動配電網，電蓄熱設備于供暖期間夜間利用谷價電積蓄熱能，全天時間配合微型燃氣輪機為兩實驗車間供暖。

本工程重要負荷的功率大約為120kW，故使用兩臺65kW的微型燃氣輪機作為熱電聯供的能源設備，在熱電聯供的同時，保障重要負荷的供電可靠性。工程利用微型燃氣輪機在平時作為普通電源使用，當市電故障時，微型燃氣輪機僅為重要負荷提供電源。另設柴油發電機作為自備應急電源，在微型燃氣輪機與市電同時故障時啟動，保證重要負荷的供電。

由于本工程遠離市區，市政集中供暖無法到達，所以供暖必須就地自行解決。采用微型燃氣輪機配合電蓄熱裝置供暖是一種解決方案。

2臺C65微型燃氣輪機作為熱電聯供來源，每小時可回收余熱220kWh，每天運行4.77小時可滿足5℃供暖需求，非谷電時間(16小時)運行可滿足8℃供暖需求。

由上述分析，本文提出以下兩種供暖期間的運行方案：

方案一：運行時間為該單位工作時間，即為9:00—17:00，微型燃氣輪機運行8小時，回收余熱1760kWh，實驗車間溫度在5℃以上8℃以下。

方案二：在整個非谷價電時間(7:00—23:00)運行，微型燃氣輪機運行16小時，余熱回收3520kWh，實驗車間溫度高于8℃。

(二)項目的建設意義評估

本小節將本工程與熱電分產系統比較分別用于評估其節能性與經濟性。

表6 方案一節能性對比

由表6可見，方案一每年供暖期間可節省30722.04m3天然氣。方案二運行，各項指標均為方案一的2倍。

方案一與分產形式的經濟性比較如表7所示。

表7 方案一每日運行經濟性比較

方案二的運行采用全部非谷電時間經濟性比較見表8。

表8 方案二每日運行經濟性比較

由表7，表8可以評估兩種方案的經濟性。方案一的聯產形式的運行成本高于市政分產形式的運行成本；方案二的聯產形式的運行成本略低于市政分產形式的運行成本，每年供暖時間113天總共可節省5152.8元。

四、結論

微型燃氣輪機作為一種新形式的分布式發電技術，可作為建筑熱電聯供的電源和熱源，但其不宜作為建筑自備應急電源使用；熱電聯供時，在一定條件與運營方案下可節省一定費用，但除維護成本外，均不及微型內燃機經濟效果顯著。