天然氣分布式系統“以電定熱”與“以熱定電”運行模式分析研究

張璇哲 孫峻

摘? 要：“以電定熱”和“以熱定電”是天然氣分布式系統兩種傳統的運行模式。“以電定熱”是以電需求為基準，來確定系統的熱需求（冷、熱負荷）輸出;相反的，“以熱定電”是以熱需求（冷、熱負荷）為基準，來確定系統的電力輸出。但在生產實踐中，采用何種運行模式，才能更好的提高能源利用率，目前仍沒有一個明確的界限。文章以武漢某天然氣分布式能源站為例，在其年實際生產運行數據的基礎上，以“年平均能源綜合利用率、熱電比和供熱比”這三個指標進行評價，定量分析“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行模式，給出相應的運行建議：在冷熱負荷需求較大時，采用“以熱定電”方式運行，能有效的提高能源綜合利用率及其他指標。在過渡季節，可采用“以電定熱”方式運行，或對機組進行檢修保養。冷熱負荷是天然氣分布式能源站高效率運行的一個重要的前提條件。提高負荷的需求量，才能更好的提高能源綜合利用率。

關鍵詞：以電定熱;以熱定電;年平均能源綜合利用率;熱電比;供熱比

中圖分類號：TM621? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0080-04

Abstract： "Determining heat by electricity" and "determining electricity by heat" are two traditional operation modes of natural gas distributed system. "Determining heat by electricity" is to determine the required heat demand （cold and heating load） of the system based on electricity demand; on the contrary， "determine electricity by heat" is to determine the power output of the system based on heating demand （cold and heating load）. However， in the production practice， what kind of operation mode， in order to improve the energy efficiency， there is still no clear boundary. Taking a natural gas distributed energy station in Wuhan as an example， on the basis of its annual actual production and operation data， this paper evaluates it with the three indexes， "annual average energy comprehensive utilization ratio， thermoelectricity ratio and heating ratio". This paper quantitatively analyzes the two operation modes of "determining heat by electricity" and "determining electricity by heat"， and gives the corresponding operation suggestions： when the demand of cooling and heating load is large， the mode of "determining electricity by heat" can effectively improve the comprehensive utilization rate of energy and other indexes. In the transitional season， the "determining heat by electricity" mode can be used， or the unit can be overhauled and maintained. Cooling and heating load is an important prerequisite for the efficient operation of natural gas distributed energy station. Only by increasing the demand of load can we better improve the comprehensive utilization rate of energy.

Keywords： determining heat by electricity; determining electricity by heat; annual average comprehensive energy utilization ratio; thermoelectric ratio; heating ratio

引言

天然氣分布式系統以其能源利用率較高、節能效果顯著、污染少等特點，受到研究機構及大眾的廣泛關注。目前而言，“以電定熱”和“以熱定電”是天然氣分布式系統兩種傳統的運行模式。“以電定熱”是以電需求為基準，來確定系統的熱需求（冷、熱負荷）輸出;相反的，“以熱定電”是以熱需求（冷、熱負荷）為基準，來確定系統的電力輸出。

關于“以電定熱”和“以熱定電”的問題，國內外已有研究機構、學者通過多種評價指標對其進行了評價分析。康書碩等[2]是將熱電比和回熱溫度相結合，定量分析其對系統熱電輸出的影響;吳巍等[3]、高弈等[4]則是采用負荷模擬的方法，構建相應的指標模型，分析兩種運行方式的能效特點。同時，國外的一些學者也對此問題做了探討。但以上學者多數采用負荷模擬的方式來進行研究分析，未真正從實際負荷數據角度去分析。

本文以武漢某天然氣分布式能源站為例，在其年實際生產運行數據的基礎上，定量分析“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行模式，給出相應的運行優化建議。

1 項目設備情況及運行模式

該項目已投運主要設備為：1臺4.3MW內燃發電機組，1臺煙氣熱水型溴化鋰機組，3臺7.032MW離心水冷機組，2臺7MW型天然氣熱水鍋爐，2臺6t/h蒸汽鍋爐，12臺600t/h、溫差5℃的冷卻塔，1臺400m3生活熱水蓄水箱。該項目已于2017年9月正式投產，主要負荷為某星級酒店。

根據當地氣候特點，該能源站主要運行模式為：

1.1 夏季運行模式

內燃機燃燒天然氣，產生三種能量，電能、高溫煙氣的余熱、高溫水的余熱。電能基本可滿足酒店的用電負荷及站內自身耗電，在用電高峰時，不足的電量可以由市網買電補充;內燃機高溫排煙可作為煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的高發熱源直接供冷，供冷后的排煙溫度約降至120℃;而90～95℃的缸套水作為煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的低發熱源進行供冷，供冷后溫度降至75℃回到內燃機內繼續利用。由于煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的的配置是主要滿足基本冷負荷，當出現用冷負荷量超過煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的制冷量時啟動調峰的離心式電制冷機組，按照滿足實時的制冷量要求按順序開啟，直到滿足最大冷負荷要求為止。當冷負荷由高值降低時，以相反的順序先降低單臺制冷機的出力，當降低的負荷量達到單臺電制冷機的額定制冷量時，關閉一臺制冷機，以此類推。

生活熱水的熱負荷由熱水鍋爐提供，蓄熱水箱作為調峰設備，滿足各項生活熱水的需求。熱水鍋爐提供的供回水溫度為65℃～55℃。

具體如圖1所示。

1.2 冬季運行模式

冬季模式的三聯供工藝與夏季模式雷同。由于煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的配置是主要滿足基本的熱負荷，當出現用熱負荷量超過煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的制熱量時啟動調峰的熱水鍋爐，按照滿足實時的制熱量要求按順序開啟，直到滿足最大熱負荷要求為止。當熱負荷由高值降低時，以相反的順序先降低單臺鍋爐的出力，當降低的負荷量達到單臺鍋爐的額定制熱量時，關閉一臺鍋爐，以此類推。

生活熱水的熱負荷由內燃機缸套水供給基本負荷，不足部分由燃氣鍋爐補充。同樣，蓄熱水箱依舊起調峰的作用。

具體如圖2所示。

1.3 過渡季節運行模式

過渡季節煙氣熱水型溴化鋰制冷機組以制冷工況為主，不足的冷負荷由電制冷機組補充，供熱負荷由鍋爐提供。熱水負荷仍然由熱水鍋爐供給。

2 系統評價指標與計算

由于目前分布式能源行業尚無相關標準可供執行，所以類似項目的評價指標主要參考火力發電和熱電聯產的相關規定和標準。本文主要從年平均能源綜合利用率、熱電比和供熱比這三個指標進行評價。

2.1 系統評價指標

（1）年平均能源綜合利用率

式中N為年平均能源綜合利用率，%;W為年聯供系統凈輸出電量，kW·h;Q1為年有效余熱供熱總量，GJ;Q2為年有效余熱供冷總量，GJ;B為年聯供系統燃氣總耗量，m3;QL為燃氣低位發熱量，kJ/m3。

對于熱電聯產（CHP）的年平均能源綜合利用率N應達到的值，國家發改委有明確的規定。但是對于燃氣CCHP系統，目前只有行業標準CJJ145-2010《燃氣冷熱電三聯供工程技術規程》和國家發改委、住建部、能源局聯合印發的《天然氣分布式能源示范項目實施細則》中給出的指標：“聯供系統的年平均能源綜合利用率應大于70%”。應注意的是，式（1）中的年有效余熱供冷總量不應包括CCHP系統中電制冷冷水機組的冷量。

（2）熱電比

關于CHP的熱電比，國家發改委有明確的規定;但是CCHP系統目前沒有任何文件給出相應規定，而熱電比是CCHP的重要經濟指標。

（3）供熱比

式中Qy為全年有效余熱供熱和供冷總量，Qy=Q1+Q2，GJ;Qq為全年天然氣可提供的總熱量，Qq=10-6BQL，GJ。

2.2 年度實際負荷曲線

該能源站目前運行模式為“以電定熱”，圖3為該能源站2018年冷熱電實際負荷曲線。

2.3 指標計算

根據以上負荷情況，我們分以下情況進行指標計算：

（1）根據實際負荷計算（圖4、圖5、圖6）

（2）冷熱負荷需求量增加情況

根據前面的分析，我們發現末端負荷需求量對各項指標有一定的影響。基于這個因素，我們假設末端負荷為當前實際負荷的2倍，可以得到各指標的數據（圖7、圖8、圖9）：

3 指標分析結果與討論

3.1 年度實際冷熱負荷分析

通過對年度冷熱電實際負荷曲線分析，我們可以發現：

（1）該能源站末端用戶負荷需求比較明確。5-9月冷負荷需求較大;11-12月、1-2月熱負荷需求較大。過渡季節冷熱負荷均較小。考慮三聯供系統的特性，在過渡季節，當冷熱負荷較小時，存在較多的能量浪費。

（2）該能源站制冷負荷持續時間大于制熱負荷持續時間。

（3）過渡季節發電量較多，冷熱需求量較大季節發電量反而偏小。考慮三聯供系統的特性，機組在冬、夏季節，冷熱負荷需求較大時，應多發電，這樣能充分利用高溫尾氣，提高能源綜合利用率。但本能源站在6-7月份時，未能充分發電，發電量較少，未能達到能源的高效利用。同時，在過渡季節，冷熱負荷需求較小時，即3-4月和10月，應適當控制發電量，進行機組檢修保養，保證冷熱負荷需求較大時，機組能正常穩定運行。

3.2 指標分析

（1）通過對圖4-圖6和圖7-圖9的對比，我們可以看到，當冷熱負荷需求較大，即夏季和冬季時，“以熱定電”的各項指標優于“以電定熱”的各項指標。但是在過渡季節，冷熱負荷需求量較小時，如采用“以電定熱”，則能保證各指標仍比較優異。

（2）橫向對比圖4和圖7、圖5和圖8、圖6和圖9，我們可以發現，冷熱需求負荷增加后，雖然各指標的整體趨勢與前一種情況類似，但分析實際數據，我們能清晰的發現，負荷增加后各項指標的優異情況更明顯，即能源的利用情況更加理想。

（3）在夏冬季冷熱負荷需求較大時，建議采用“以熱定電”方式運行，這樣能有效的提高能源綜合利用率及其他指標。但是在過渡季節，冷熱負荷需求量較小時，宜采用“以電定熱”，這樣能保證各指標仍比較優異。

4 結束語

本文以武漢某天然氣分布式能源站為例，通過對“以電定熱”和“以熱定電”兩種運行模式下，年平均能源綜合利用率、熱電比和供熱比等三個指標進行評價，得出以下結論：

（1）在冷熱負荷需求較大時，采用“以熱定電”方式運行，能有效的提高能源綜合利用率及其他指標。在過渡季節，宜采用“以電定熱”，或對機組進行檢修保養。

（2）冷熱負荷是天然氣分布式能源站能高效率運行的一個重要的前提條件。提高負荷的需求量，才能更好的提高能源綜合利用率。

參考文獻：

[1]殷平.冷熱電三聯供系統研究（3）：經濟分析[J].暖通空調，2013，43（6）：91-97.

[2]康書碩，等.冷熱電聯供系統中“以熱定電”與“以電定熱”的分析研究[J].建筑科學，2012，10（28）：255-265.

[3]吳巍，等.燃氣分布式能源“以熱定電”和“以電定熱”運行模式下的能效對比分析研究[J].工業加熱，2018，47（5）：5-11.

[4]高奕，等.酒店冷熱電三聯供系統不同模式下運行工況的研究[A].供熱工程建設與高校運行研討會論文集[C].2017，5：307-316.