天然氣分布式能源在門站的應用

賴建波， 李建勛， 馬鴻敬， 王 林

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100011；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381；3.中國市政工程華北設計研究總院有限公司第四設計研究院，天津300074；4.廣匯能源綜合物流發展有限責任公司，江蘇啟東226200)

1 概述

天然氣分布式能源是以天然氣為燃料，通過對能源的梯級利用，就近為用戶提供冷(熱)、電能源，其能源綜合利用率可達70%以上。2011年10月9日國家發展改革委、財政部、住房和城鄉建設部、國家能源局聯合發布(發改能源[2011] 2196號)《關于發展天然氣分布式能源的指導意見》以來，天然氣分布式能源開始在我國步入快速發展階段。

目前天然氣分布式能源主要應用在醫院、酒店、交通樞紐以及工業園區等負荷需求較大且穩定的用能場所[1],而天然氣分布式能源在門站中的應用目前尚未見報道。門站通常含有綜合辦公樓、輔助用房、工藝裝置區等設施，除有電負荷需求外，還有冷、熱負荷需求。為此，本文針對天然氣分布式能源在門站中的應用進行研究。

2 工程概況

某門站占地面積約3 000 m2，站內設有工藝裝置區、綜合辦公樓(辦公用房、營業廳、控制室、職工宿舍等)、生產輔助用房(變壓器室、高低壓配電間及鍋爐房等)、消防水池和其他相配套的生產輔助設施。其中，綜合辦公樓的建筑面積為2 400 m2，高度為19.8 m。

3 逐時負荷計算

3.1 逐時電負荷計算

門站的電負荷主要來自工藝裝置區、監控系統、消防系統、生產輔助用房、綜合辦公樓和照明，具體的電負荷組成見表1。由表1數據可知，門站的銘牌電負荷為400 kW。

表1 門站電負荷組成

門站電負荷逐時變化特征與設備用電負荷、耗電性能及作息時間有直接關系，因此，我們很難根據設備的銘牌電負荷直接預測門站的全年逐時電負荷。這里采用小時負荷分攤法對門站全年逐時電負荷進行計算[2]。根據現有門站的電負荷運行數據，門站每月內的日電負荷變化不明顯，即每月內每日的電負荷可以近似認為是相同的，但門站的月電負荷和小時電負荷具有明顯的波動性，且近似認為全年每日的電負荷波動規律是一致的。定義門站的月電負荷比例為月電負荷與年電負荷之比，小時電負荷比例為小時電負荷與日電負荷之比。門站的月電負荷比例見圖1，小時電負荷比例見圖2。

圖1 門站月電負荷比例

圖2 門站小時電負荷比例

根據月電負荷比例，將門站的年總電負荷分攤到每月，再將每月的電負荷除以相應月份的日歷天數得到每日的電負荷，再根據小時電負荷比例，將每日電負荷分攤到每個小時，這樣就可以得到門站的全年逐時電負荷。 經計算，門站全年逐時電負荷波動范圍為94～400 kW，大部分電負荷分布在150～250 kW范圍。門站的全年電負荷高峰出現在夏季，時平均最大電負荷為379 kW；低谷出現在過渡季節，時平均最小電負荷為216 kW。

3.2 逐時冷熱負荷計算

門站的冷負荷為綜合辦公樓夏季供冷負荷。熱負荷分為兩部分：一部分是生產熱負荷，為預防調壓設備冰堵需提供300 kW的穩定熱負荷；另一部分是綜合辦公樓冬季供暖負荷。綜合辦公樓的冷、熱負荷具有季節特性,調壓設備的熱負荷具有常年性。

目前，針對建筑物全年逐時冷熱負荷的模擬計算已發展得較為成熟，現有的模擬軟件包括美國的DOE-2、EnergyPlus和清華大學的DeST(建筑熱環境設計模擬工具包)等[3-5]。對建筑物全年逐時冷熱負荷的計算是天然氣分布式能源系統設備選擇和運行優化的基礎。這里采用DeST軟件對綜合辦公樓的逐時冷、熱負荷進行模擬計算，具體操作步驟如下。

① 設置項目地理位置

為了反映室外氣象參數在建筑熱過程中的影響，DeST軟件利用我國194個氣象臺自建站以來約50 a的實測逐日氣象數據(包括氣溫、濕度、太陽輻射、風速風向、日照時間和大氣壓力)模擬生成全年逐時氣象數據的氣象模型—Medpha，并以典型氣象年作為DeST軟件的全年模擬基礎數據。本項目位于我國中部的某城市， 根據建筑熱工分區，該城市屬于寒冷地區，部分室外計算參數如下：

冬季供暖室外計算干球溫度：-3.8 ℃；

夏季空調室外計算干球溫度：34.9 ℃；

夏季空調室外計算濕球溫度：27.4 ℃。

該地區供冷期為5月16日至10月14日，全年供冷期持續時間為152 d；供暖期為11月15日至次年3月15日，全年供暖期持續時間為121 d。

② 繪制建筑模型

綜合辦公樓為地上5層建筑，其中地上1層層高為4.2 m，2～5層層高為3.9 m。建筑內部走廊寬度為2.0 m，每個房間都是7.2 m×5.4 m的矩形房間，每層建筑面積為480 m2。建筑整體為西南朝向，其中東向、南向、西向、北向的窗墻面積比分別為0.15、0.40、0.10、0.26。

③ 設置圍護結構熱工參數

綜合辦公樓為鋼筋混凝土框架結構，其圍護結構熱工性能參數見表2。

表2 綜合辦公樓圍護結構熱工性能參數

④ 設置室內環境參數

夏季室內空調溫度設為25 ℃，冬季室內供暖溫度設為20 ℃。室內熱量只受室外溫度和太陽熱輻射通過墻體的熱作用，而不受室內發熱量的影響。此外，不考慮室外環境風速風向的影響。在通風設定時，只設定房間與室外的通風，各房間之間互相不存在通風。

⑤ 模擬計算結果

由DeST軟件模擬計算，得到綜合辦公樓夏季供冷期和冬季供暖期的逐時冷熱負荷。結合門站全年逐時電負荷，得到門站夏季供冷期典型日(夏季冷負荷最大日)逐時冷負荷、熱負荷、電負荷(見圖3)，冬季供暖期典型日(冬季熱負荷最大日)逐時熱負荷、電負荷(見圖4)，過渡季節典型日(全年電負荷最小日)逐時熱負荷、電負荷(見圖5)。

圖3 供冷期典型日逐時冷負荷、熱負荷、電負荷

圖4 供暖期典型日逐時熱負荷、電負荷

圖5 過渡季節典型日逐時熱負荷、電負荷

4 能源站系統設計

4.1 系統設計原則

為了確保天然氣分布式能源站運行的經濟性，需結合項目的逐時冷、熱、電負荷特點，合理選擇發電機組容量以延長能源站系統的年運行時間。本能源站系統設計遵循發電并網不上網原則來選擇發電機組的容量，以滿足用戶冷熱負荷為主要目標，用戶不足的電力由市政電網補充。

4.2 系統主要設備選擇

4.2.1 選擇原則

① 發電機組容量的選擇應能保證發電機組及余熱利用機組盡可能長時間運行。

② 保證發電機組在運行期間其發電量和余熱量能被充分利用，沒有過度的電力或余熱量被浪費。

股市動態分析周刊記者通過仔細研讀其招股說明書后發現，在報告內米奧會展的營業收入及凈利潤都呈現穩定增長趨勢，但不斷增長的宣傳推廣成本以及轉化潛在客戶的“付費買家計劃”使得公司毛利率逐年下降，沖抵部分利潤，或將對其未來利潤收入造成不利影響。此外，匯率變動、辦展地區政治動蕩也給公司帶來一定經營風險，這些問題不容忽視。

4.2.2 發電機組

天然氣分布式能源系統常選擇的發電機組類型有燃氣內燃機發電機組和燃氣輪機發電機組兩種。發電功率在1 MW以下以燃氣內燃機發電機組為主，發電功率在1 MW以上以燃氣輪機發電機組為主[6-7]。根據門站的全年逐時電負荷變化范圍，本項目應選擇燃氣內燃機發電機組。遵循發電并網不上網原則，燃氣內燃機發電機組選取3種不同容量作為比選方案：方案1，發電機組額定發電功率為232 kW；方案2，發電機組額定發電功率為315 kW；方案3，發電機組額定發電功率為390 kW。取天然氣低熱值為35.7 MJ/m3，天然氣氣價為2.5元/m3,電價為0.87元/(kW·h)，供熱熱價為0.30元/(kW·h)。經計算，不同方案的運行收益見表3。

表3 各方案運行收益

將3個方案的運行收益進行比較得到，方案1的發電機組年運行時間最長且運行收益最好，方案2次之，方案3的年運行時間最短且運行收益最差。因此，本項目采用方案1，選用1臺額定發電功率為232 kW的燃氣內燃機發電機組。

4.2.3 余熱回收設備

由表3可知，燃氣內燃機發電機組排放的煙氣由454 ℃降到120 ℃時可回收的熱流量為143.0 kW，缸套冷卻水溫度由85 ℃降到75 ℃時可回收的熱流量為226.0 kW。選用1臺與燃氣內燃機發電機組相配套的補燃型溴化鋰吸收式熱泵機組(以下簡稱溴化鋰熱泵機組)回收燃氣內燃機發電機組排放的煙氣和缸套冷卻水的熱量進行制冷和制熱。溴化鋰熱泵機組利用煙氣制冷的性能系數為1.45，利用缸套冷卻水制冷的性能系數為0.70。溴化鋰熱泵機組通過位于發生器內的煙氣換熱器和熱水換熱器回收發電機組排放的煙氣和缸套冷卻水熱量，利用煙氣和冷卻水制熱的性能系數為0.93～0.95，本文取0.94。因此，經計算，溴化鋰熱泵機組回收燃氣內燃機發電機組排放的煙氣和冷卻水的熱流量可制取的供冷量和供熱量分別為：煙氣供冷量207.3 kW，煙氣供熱量134.4 kW，冷卻水供冷量158.2 kW，冷卻水供熱量212.4kW。

門站夏季冷負荷最大值為308 kW，冬季熱負荷最大值為540 kW。為此，本項目選用1臺額定制冷量為310 kW、額定制熱量為450 kW的補燃型溴化鋰熱泵機組。制冷期溴化鋰熱泵機組回收發電機組額定工況下排放的煙氣和大部分缸套冷卻水的熱流量即可滿足門站最大冷負荷需求，缸套冷卻水富裕的熱流量為82.2 kW。因此，這里再配置1臺額定換熱量為90 kW的水-水換熱器，以回收缸套冷卻水富裕的熱流量，同時與溴化鋰熱泵機組一起滿足熱負荷。

4.3 系統組成和工藝流程

能源站系統主要由燃氣內燃機發電機組、溴化鋰熱泵機組和水-水換熱器組成，其工藝流程見圖6。

圖6 能源站系統工藝流程

燃氣內燃機發電機組對天然氣進氣壓力范圍的要求為12～20 kPa。天然氣燃燒驅動燃氣內燃機發電機組發電，發出的電力電壓等級為400 V，將該電力并入門站電力內網供內部使用，不足的電力由市政電網補充。燃氣內燃機發電機組產生的余熱分為兩部分：一部分是溫度為454 ℃的煙氣，另一部分是溫度為85 ℃的缸套冷卻水。溴化鋰熱泵機組回收燃氣內燃機發電機組余熱可制取冷水和熱水。燃氣內燃機發電機組富裕的冷卻水熱量通過水-水換熱器制取熱水，門站不足熱量由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。冷水的供回水溫度分別為7 ℃和12 ℃，熱水的供回水溫度分別為85 ℃和65 ℃。水-水換熱器制取的熱水溫度為80 ℃，溴化鋰熱泵機組制取的熱水溫度為90 ℃，二者經混合后再供給門站使用。溴化鋰熱泵機組制冷運行時其冷凝熱不回收。

4.4 系統運行策略

能源站系統運行策略為優先回收燃氣內燃機發電機組的余熱，供熱量不足時由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。供冷期、供暖期、過渡季節典型日供電負荷分布見圖7～9，供冷期、供暖期、過渡季節典型日供冷負荷、供熱負荷分布見圖10～13。

圖7 供冷期典型日供電負荷分布

圖8 供暖期典型日供電負荷分布

圖9 過渡季節典型日供電負荷分布

圖10 供冷期典型日供熱負荷分布

圖11 供冷期典型日供冷負荷分布

圖12 供暖期典型日供熱負荷分布

圖13 過渡季節典型日供熱負荷分布

5 能源站經濟性分析

5.1 工程造價

本項目主要設備包括1臺燃氣內燃機發電機組、1臺溴化鋰熱泵機組和1臺水-水換熱器。燃氣內燃機發電機組單位發電功率設備費取6 000 元/kW, 溴化鋰熱泵機組單位制冷量設備費取1 100 元/kW,水-水換熱器單位換熱量設備費取900 元/kW[5、8]。輔助設備設備費按燃氣內燃機發電機組、溴化鋰熱泵機組和水-水換熱器總設備費的37%計取[5]。設備安裝費按設備費的12%計取，建筑工程費按單位發電功率費用600 元/kW計取，其他費用(設計咨詢費、系統調試費、工程管理費等)按設備費的4%計取[9]。計算得到能源站的工程總造價為304.8×104元，具體構成見表4。

表4 工程造價

續表4

5.2 經濟性計算

本能源站勞動定員為5人。燃氣內燃機發電機組在制冷期運行3 648 h，供暖期運行2 904 h，過渡季節運行1 948 h，即全年累計運行8 500 h。能源站在過渡季節進行維護，維護期間燃氣內燃機發電機組不運行，門站用熱是由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決。

取冷價為0.20 元/(kW·h)，按電制冷價格折算。水價為3.7元/t，年人均職工薪酬為60 000 元，固定資產修理費按0.05 元/(kW·h)計算。經計算，本項目的靜態投資回收期為5.1 a，見表5。由此可見，本項目具有較好的經濟效益。

表5 能源站經濟性計算

根據GB 51131—2016《燃氣冷熱電聯供工程技術規范》(以下簡稱GB 51131—2016)中的式(4.3.8)，能源站聯供系統年余熱供熱總量為799.2×104MJ，年余熱供冷總量為77.8×104MJ，發電機組年耗天然氣量為48.1×104m3，經計算，聯供系統年平均能源綜合利用率為86.3%。根據GB 51131—2016中的式(4.3.10)，取火電廠的平均供電效率為36%，燃氣鍋爐的平均熱效率為90%，電制冷機制冷性能系數為5.0，經計算，聯供系統的節能率為34.3%。

6 結論

城鎮門站布置有綜合辦公樓、工藝裝置及輔助設施等，其中綜合辦公樓有冷、熱負荷需求，工藝裝置中的調壓設備有全年熱負荷需求，通過建設天然氣分布式能源站滿足用能需求。按發電并網不上網的運行原則，設計該門站天然氣分布式能源系統和工藝流程。采用燃氣內燃機發電機組發電，發電機組的煙氣余熱和缸套冷卻水余熱供給補燃型溴化鋰吸收式熱泵機組進行制冷制熱，制冷量能夠滿足冷負荷需求，不足的電力由市政電網補充，不足的供熱量由溴化鋰熱泵機組通過天然氣補燃解決，實現冷熱電聯供。

采用小時負荷分攤法對門站的全年逐時電負荷進行預測，采用DeST軟件對門站全年逐時冷熱負荷進行預測。通過比較3種不同容量燃氣內燃機發電機組的運行收益，選擇發電機組的容量，并配置相應的溴化鋰熱泵機組及水-水換熱器。結合門站冷、熱、電逐時負荷需求來確定運行策略。能源站的年平均能源綜合利用率為86.3%,節能率為34.3%。能源站的靜態投資回收期為5.1 a，具有較好的經濟效益。