樓宇型天然氣分布式能源系統的典型案例分析

陳卉，劉穎，趙龍生

（1. 東南大學建筑設計研究院有限公司，南京210096；2. 南京工業職業技術學院，南京210096）

0 引 言

冷、熱、電三聯供（即CCHP 系統）是以天然氣為原料，能源利用有三個層級。第一層是用天然氣發電，第二層利用發電余熱制冷或采暖，實現冷、熱、電三聯供，能源綜合利用率一般都會達70%以上。由于天然氣分布式能源對電力體系形成了重要的補充，可改善我國能源結構，具有利用效率高、環境污染小、管理體系先進、可靠性高和綜合效益好等優勢，受到了市場的極大關注。

1 冷、熱、電負荷分析

1.1 電負荷分析

能源中心電負荷主要是空調系統、照明、電梯、消防系統、辦公設備和能源中心數據機房動力設備的耗電。根據對能源中心功能分區分析并結合《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）和《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）對各類建筑物（辦公室、營業廳、客房、醫院建筑、學校內建筑等）的平均照明密度提出的明確規定，包括標準值和目標值，對能源中心用電負荷進行預估，電負荷如表1所示。

表1 電負荷一覽表Tab.1 Table of electrical load

1.2 冷、熱負荷分析

根據《城鎮供熱管網設計規范》（CJJ34—2010）中空調熱指標、冷指標的推薦值及對應的負荷如表2～表3所示。

表2 空調冷、熱負荷指標推薦值Tab.2 Table of cooling and thermal load index for air conditioner

表3 空調冷、熱負荷Tab.3 Table of cooling and thermal load of air conditioner

用能端夏季典型日逐時冷、熱負荷如圖1 和圖2所示。

能源站的供能設計負荷如表4所示。

能源站的全年逐時負荷如圖3所示。

圖1 夏季典型日逐時冷負荷Fig.1 Hourly cooling load of typical days in summer

圖2 冬季典型日逐時熱負荷Fig.2 Hourly heat load of typical day in winter

表4 能源站用能需求Tab.4 Energy demand of energy station MW

圖3 全年逐時負荷Fig.3 Figure of the annual hourly load value

2 能源站裝機方案

該能源站位于蘇州市吳中區，為其能源中心配套的供能系統，除對能源中心供應冷熱電負荷，還對外供應冷/熱負荷。天然氣分布式能源系統按“以熱（冷）定電、自發自用、余電上網”為原則進行設計，以滿足冷/熱負荷需求、滿足能源中心備用電源需求。

通過比較分析，得出該分布式能源站推薦方案，即2 臺單機裝機容量2 MW 內燃發電機組+2 臺單機裝機容量3 MW 內燃發電機組+配套4 臺煙氣-熱水型溴化鋰冷（溫）水機組+4 臺6.3 MW 的離心式電制冷（熱泵）機組+1 臺2.1 MW 的地源熱泵機組+2臺7 MW 的天然氣熱水鍋爐（補充、備用）+2臺6 800 m水蓄冷（熱）系統，能源工藝由天然氣冷、熱、電三聯供系統、地源熱泵系統、蓄能（冷、熱）系統及電制冷調峰系統等組成，形成能源梯級利用的綜合系統。結合能源站所在地當地資源，充分利用天然氣、土壤能等清潔、低品位的能源，采用天然氣三聯供、蓄能（冷、熱）技術達到天然氣、電力移峰填谷的目的，充分發揮天然氣管網、電網的效率。樓宇式分布式能源系統示意圖如圖4所示。

圖4 樓宇型分布式能源系統示意圖Fig.4 Diagram of the building-type CCHP system

供能站配置的內燃機主要參數如表5所示。

表5 內燃機主要參數Tab.5 The main parameters of internal combustion engine generator

利用天然氣燃燒產生的高品位熱能發電，為能源中心提供電能，燃燒后的煙氣熱量及高溫缸套水熱量進入煙氣-熱水型溴化鋰冷（溫）水機組，溴化鋰機組與發電機一一對應，1 臺2 MW 內燃機制冷/熱量為1.907 MW，1 臺3 MW 內燃機制冷/熱量為3.083 MW，4 臺煙氣-熱水-型溴化鋰冷（溫）水機組的總制冷量為9.98 MW，夏季最小冷負荷量為13.298 MW，最大冷負荷量65.894 MW，冷負荷波動較大；過渡季冷負荷量為6.92 MW；冬季冷負荷量為6.92 MW（信息中心），最大熱負荷量25.238 MW，最小熱負荷量6.452 MW。

1）為充分利用地下淺層地熱資源，采用地源熱泵系統。采用雙U 換熱器，設計埋管間距5 m×5 m，有效換熱井深120 m，共設242 口地源井。豎直埋管管材采用HDPE，管徑D32×3.0，公稱壓力1.6 MPa。地源側水通過地源收集井接至電制冷機房。

2）水蓄冷空調系統按節能運行模式設計，可以有效地減少冷水機組白天運行時間，保證冷水機組運行在高效區間。對于時峰、谷電差價較大地區，可顯著降低空調系統的運行費用，同時對電網可起到平衡、削峰填谷的作用。根據冷、熱平衡的計算，能源站設置2個直徑為16 m，高30 m的蓄能水罐，提高系統的穩定性和安全性。單個蓄能水罐的有效容積為6 800 m，單罐蓄冷量為65.031 MWh，單罐蓄熱量為76.507 MWh（按10 ℃溫差）。蓄水罐的設計液面標高為13 m，兼做系統定壓裝置。

3）采用10 kV 上網方案。設置10 kV 母線段。4臺發電機分為2組，每組發電機出口處分別設置1段10 kV母線段，通過10 kV聯絡線并入電網，10 kV采用單母線分段的接線形式。電制冷機組和水水熱泵從10 kV 母線引出，溴化鋰冷水機組、地源熱泵、水泵、冷卻塔風機及其他用電設備通過廠用變從400 V母線引接。

3 能源站供能運行方案

能源站內燃發電機與市電并列運行，內燃機只帶基本負荷，不足部分由市電補充，夜間內燃機不運行。

夏季利用內燃機發電余熱提供空調冷水，制冷水溫5.5/12.5 ℃，內燃發電機組發電產生的煙氣和缸套水作為余熱進入煙氣熱水型溴化鋰機組制冷，冷量不足部分由電制冷機組補充。白天供冷高峰時，離心式制冷機根據供需情況確定開啟臺數及負荷進行調峰。

冬季利用內燃機發電余熱提供空調熱水，制熱水溫75/45 ℃，內燃機產生的煙氣進入煙氣熱水型溴化鋰機制熱，缸套水通過板式換熱器直接供熱。冬季夜間低谷時段，兩臺離心機制冷機組運行在制冷工況，為數據中心提供冷負荷，另外兩臺運行在制熱工況，制冷工況的離心機的冷卻水作為制熱工況的離心機的熱源。

另設蓄冷罐2 臺，一臺離心式電制冷機組利用夜間0～8 點低谷時的電能進行蓄冷，產生4 ℃的冷水，存儲于蓄冷罐內，白天放冷，單臺蓄冷罐日存放量如圖5所示。

圖5 單臺蓄冷罐日存放冷量曲線圖Fig.5 Daily storage capacity curve of single cold storage tank

4 技術經濟性分析

4.1 約束條件

對于供、用電，其能量平衡公式如下：

式中：代表供應用戶端電量；代表內燃機發電量；代表電網上下行電量；代表電制冷機消耗電量；代表地源熱泵消耗電量；∑代表制冷或采暖水泵及風機等消耗電量總和。

對于供冷設備，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用戶端冷、熱量；代表煙氣-熱水型溴化鋰機組供冷/熱量；代表 地源熱泵供冷/熱量；表電制冷機組供冷/熱量。

對于供熱設備，其能量平衡公式如下：

式中：代表供用戶端冷/熱量；代表煙氣-熱水型溴化鋰機組供冷/熱量；代表地源熱泵供冷/熱量；代表電制冷機組供冷/熱量。

4.2 算例分析

4.2.1 技術指標

通過分析，得出能源站的主要技術指標如表6所示。

4.2.2 經濟指標

1）邊界條件

能源站的經濟指標需要在一定的邊界條件下進行計算，供能站的邊界條件如表7所示。

2）經濟指標

在上述邊界條件下，供能站的內部回收期等主要經濟數據如表8所示。

經過敏感性分析，能源站經濟上是可行的。能源站的敏感性分析情況如圖6所示。

5 節能及環境效益分析

5.1 節標煤量及節能率

經計算，能源站可節標煤量12 564 t/年。節能率：

表6 能源站技術指標（內燃機ISO工況）Tab.6 The technical index of energy station（ISO condition of internal combustion engine generator）

表7 邊界條件Tab.7 Table of boundary condition

式中：代表節能率；代表聯供系統年凈輸出電量（kWh）；代表聯供系統年余熱供熱總量（MJ）；代表聯供系統年余熱供冷總量（MJ）；代表聯供系統年天然氣總耗量（Nm）；代表天然氣低位發熱量，=34.2 MJ/Nm；代表常規供電方式的平均供電效率，計算結果為38.57%；代表常規供熱方式的天然氣鍋爐平均熱效率；COP代表常規供冷方式的電制冷機平均性能系數，可按5.0 取值；代表電廠供電標準煤耗（g/kWh），可取上一年全國統計數據，本工程取298 g/kWh；代表供電線路損失率，可取上一年全國統計數據，本工程取6.47%。

表8 經濟指標一覽表Tab.8 Table of economic indicators

圖6 敏感性分析Fig.6 Figure of sensibility analysis

CCHP 系統節能率20.7%，滿足并高于國家標準《燃氣冷熱電聯供工程技術規范》（GB 51131—2016）中節能率大于15%的要求。

5.2 環境效益

能源站CCHP 系統污染物減排情況如表9所示。

表9 能源站污染物減排一覽表Tab.9 Table of the pollutant reduction （t·a-1）

6 結 論

能源站內燃機帶基礎電負荷運行，高溫煙氣進入煙氣-熱水型溴化鋰冷（溫）水機組供部分冷熱負荷，保障了能源的梯級利用，不足部分由電制冷機組及地源熱泵等機組供應。分布式能源系統選用成熟可靠的技術設備，在技術上是可行的。

另外，樓宇型分布式能源站還設置蓄冷/熱裝置，可以達到削峰填谷，降低容量配置的作用，可節省投資，利用峰谷電價差，降低運行費用，同時提高運行靈活性和系統效益，節能減排效果顯著。