基于燃氣分布式能源的綜合能源系統應用分析

馬偉

上海航天智慧能源技術有限公司

0 引言

隨著我國經濟快速發展和“碳達峰、碳中和”目標的提出，減少碳排放的綜合能源技術得到了更廣泛的關注和討論[1]。天然氣分布式能源、蓄能等能源技術因為其能源綜合利用效率高、清潔環保、經濟節能等特點，在產業園區、商辦樓宇、數據中心、酒店等不同場景供能系統中得到了應用研究[2-3]。

面向終端用戶電、熱、冷等多種用能需求，將分布式能源、蓄能、地源熱泵、常規供能或可再生能源等兩種或多種供能形式耦合起來，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用的綜合能源供應系統，就近向園區內集中供應電能、空調冷水、采暖熱水等，能有效地降低能源消耗、減少碳排放并提高項目經濟效益[4-5]。

本文以上海市某產業園區為例，研究分析了基于分布式能源技術及水蓄能技術的綜合能源系統的技術方案、技術經濟性、節能減排效果等。

1 綜合能源系統原理

1.1 綜合能源系統組成

燃氣分布式能源為核心，與蓄能技術、常規電制冷及鍋爐供熱等能源技術耦合，形成綜合能源系統，屬于第三代分布式能源技術[6]，可滿足區域能源冷、熱、電協同供應需求，節約供能成本，實現能源梯級利用。工藝系統原理見圖1。

圖1 綜合能源站工藝系統原理圖

1.2 燃氣分布式能源

燃氣分布式能源是以天然氣等為燃料，采用內燃機、燃氣輪機等原動機發電，并利用不同能源品位的煙氣或缸套水等余熱制冷或制熱，可為用戶提供冷、熱、電等多種能源形式，布置在負荷中心附近的供能系統[7]。分布式能源系統實現了能源梯級利用，提高了能源綜合利用效率，節約一次能源，降低碳排放。

分布式能源系統根據供能種類的不同，可分為熱電聯供系統或冷熱電三聯供系統（CCHP）。其中熱電聯供系統主要用于蒸汽、熱水等熱負荷而冷負荷較少的工業或商業項目。冷熱電三聯供系統主要用于空調冷熱負荷為主的公建項目。

本項目主要負荷為空調冷熱負荷，所以采用燃氣冷熱電三聯供形式的分布式能源系統，原動機選用發電效率較高、功率段合適的內燃機。典型的冷熱電三聯供系統由燃氣發電機組、余熱型溴化鋰冷熱水機組以及燃氣進氣系統、煙氣脫硝系統、冷卻系統、并網配電系統等輔助系統組成。典型以內燃機為原動機的燃氣冷熱電三聯供（CCHP）分布式能源系統流程示意圖見圖2。

圖2 燃氣冷熱電三聯供分布式能源系統原理圖

1.3 蓄能

蓄能技術是將冷熱能以顯熱和潛熱的形式儲存在介質中。常用的蓄能技術有水蓄能和冰蓄能。

水蓄能是利用水的顯熱進行冷量或熱量儲存的，它具有初投資少、系統簡單、維修方便、技術要求低、兼顧蓄冷蓄熱等特點[8]。但常規的水蓄冷系統單位容積蓄冷量較小，使得占地面積和和空間較大。

冰蓄冷是利用乙二醇溶液的相變潛熱進行冷量的儲存，與水蓄冷相比，冰蓄冷系統的蓄能能力提高，并可使蓄能槽體積減小。但冰蓄冷系統的技術要求較高，必須使用特定的雙工況制冷機組，制冷劑的蒸發壓力要低，壓縮機耗能高。冰蓄冷系統需增加乙二醇溶液系統，設計和運行維護比水蓄冷系統復雜很多。冰蓄能只能蓄冷不能蓄熱[9]。

鑒于水蓄能在初投資、運行維護和兼顧蓄冷蓄熱的優勢，本項目綜合供能系統建議采用水蓄能系統。

2 負荷分析

本項目供能范圍園區總占地面積12.5 公頃，其中空調建筑面積16.45 萬m2，建筑業態包括商業、辦公、酒店等。辦公建筑園區內各地塊情況及設計負荷數據見表1。本項目綜合能源站設計總冷負荷為18.5 MW，設計總熱負荷為11.5 MW。

表1 園區各地塊建筑面積及設計負荷

園區不同建筑業態負荷疊加后的典型日逐時冷熱電負荷波動情況見圖3。

圖3 典型日逐時冷熱電負荷波動圖

3 系統設計

3.1 設計原則

①采用“并網不上網”方式，燃氣發電機組10 kV出線，所發出的電能全部供園區自身消納。

②最大限度利用發電機組余熱制冷制熱，保持系統的高效運行。

③利用夜間電價低谷時段蓄冷蓄熱，日間高峰時段釋熱。

3.2 設備配置

本項目綜合能源站由燃氣冷熱電三聯供分布式能源系統、水蓄能系統和電制冷機、鍋爐等常規供能系統組成。

1）考慮到分布式能源系統的單位投資、負荷穩定性要求相對較高，選用2 臺1000 kW 燃氣內燃發電機組，同時配套2 臺煙氣熱水型溴化鋰機組，滿足基礎負荷，提高分布式能源系統全年穩定滿發運行小時數。

2）綜合考慮尖峰負荷、投資、占地等條件，水蓄能系統設置4000 m3蓄能水罐，削峰填谷，降低能源中心運行費用。

3）常規供能系統設置2 臺1500RT 離心式制冷機組，2 臺500RT 磁懸浮制冷機組和2 臺4200 kW 燃氣真空熱水鍋爐，用于調峰及備用，2 臺1050 kW 電真空熱水鍋爐用于夜間蓄熱。

表2 綜合能源站主要設備表

3.3 運行策略

綜合能源系統依據預測曲線并結合實際負荷波動追蹤運行，白天優先運行分布式能源系統及蓄能系統的釋能工況，電制冷或燃氣鍋爐作為調峰機組，夜間電制冷機或電鍋爐進行蓄能工作。全年運行時間為2640 h。

4 技術經濟分析

4.1 工程投資

本項目綜合能源站土建由園區總體負責，投資僅考慮機電設備采購、安裝等機電工程費用，項目投資概算約6992 萬元（表3）。

表3 綜合能源站機電工程投資（單位：萬元）

4.2 計算邊界條件

1）能源價格

①電價：上海市10 kV 一般工商業分電價表見表4。能源站供能期間全年加權平均電價為0.731 元/kWh，蓄能期間全年加權平均電價為0.254 元/kWh。

表4 上海市10 kV 一般工商業分電價表

②燃氣價格：燃氣鍋爐氣價按市場價3.8 元/Nm3，上海市分布式能源優惠氣價為2.7 元/Nm3。燃氣熱值35.5 MJ/Nm3。

③冷熱價格：0.6 元/kWh。

2）負荷率預測

前四年負荷率10%、30%、50%，80%，第四年后負荷率90%穩定達產運行。

3）節能補貼

根據上海市2020 年7 月發布的《上海市天然氣分布式供能系統發展專項扶持辦法》，本項目分布式能源系統裝機2000 kW，年運行小時數2640 h，能源綜合利用效率85.8%，可享受上海市節能補貼標準為1800 元/kW，總計360 萬元。

4.3 技術經濟數據

本項目綜合能源站在100%負荷率運行時的全年技術經濟數據，見表5。

表5 綜合能源站運行技術經濟數據匯總

4.4 經濟效益分析

項目建設期1 年，運營期20 年，分別計算綜合能源系統及分系統的投資經濟效益（見表6）。項目內部收益率8.2%，投資回收期11.1 年，通過分布式能源和水蓄能的應用提高了綜合能源站的經濟性。

表6 綜合能源系統及各分系統的經濟性對比

4.5 供能成本比較

基于分布式能源及水蓄能的綜合能源方式和常規供能方式在不同負荷率的可變成本、綜合成本比較分析如下：

1）燃氣、電、水、脫硝、維保等可變成本：如圖4a 所示，常規供能可變成本保持不變。綜合能源系統在低負荷時優先使用分布式能源及蓄能系統，可變成本較低，隨著負荷率提高，常規供能設備投入使用，可變成本提高。100%負荷率時，綜合能源方式可變成本比常規供能方式降低20%。

2）考慮可變成本以及人工管理、折舊攤銷等固定成本的綜合成本：如圖4b 所示，隨著負荷率提高，系統供能收益增加，固定成本占比減少，綜合成本逐漸降低。100%負荷率時，綜合能源方式綜合成本比常規供能方式降低10%。

圖4 綜合能源和常規供能方式的成本對比

5 節能減排效益分析

5.1 能源綜合利用率和節能率計算

根據《分布式冷熱電能源系統技術條件第1 部分：制冷和供熱電源》（GB/T 36160.1-2018），分布式能源系統的年平均能源綜合利用率計算公式如下：

節能率計算公式如下：

式中：υ 為年平均能源綜合利用率；γ 為節能率；W 為年凈輸出電量；Q1為年余熱供熱總量；Q2為年余熱供冷總量；B 為年燃氣總耗量；QL為燃氣低位熱值；ηe0為常規供電方式的平均供電效率；η0為常規供熱方式的燃氣鍋爐平均熱效率；COP0為常規制冷方式的電制冷平均性能系數；M 為電廠供電標準煤耗；θ 為供電線路損失。

根據國家能源局發布的《2020 年全國電力工業統計數據》，供電標準煤耗為305.5 g/kWh，供電線路損失5.62%。本項目天然氣折算標煤系數為1.21 kg/Nm3。經計算，本項目分布式能源系統的年平均能源綜合利用率為85.8%，節能率為29.8%，每年可以節約標煤量640 噸。

5.2 碳減排分析

根據生態環境部應對氣候變化司研究發布的《2019 年中國區域電網基準線排放因子》，華東區域電力碳排放因子為0.7921 tCO2/MWh。根據政府間氣候變化委員會推薦的天然氣CO2排放因子為56.1kg/GJ，天然氣熱值折算后的CO2排放因子為1.9916 kg/Nm3。

分布式能源系統年供電501.6 萬kWh，供熱235.0萬kWh，供冷316.7 萬kWh，CO2排放量為2480 噸。若采用常規供能方式，每年需耗燃氣量26.5 萬Nm3及電量565.0 萬kWh，CO2排放量為5002 噸。采用分布式能源系統，比常規供能方式每年可減少CO2排放量2522 噸，減排率50%。

6 結論

1）原動機為內燃機的燃氣冷熱電三聯供分布式能源和兼顧蓄冷蓄熱的水蓄能技術，與電制冷機、鍋爐等常規供能組成的綜合能源系統，提高了項目經濟性和節能減排效益，可降低可變成本20%、綜合成本10%，適合用于園區集中供能系統。

2）本項目綜合能源系統運行時應優先使用分布式能源和蓄能系統，分布式能源滿足基礎負荷保證年運行時間，蓄能系統電價谷時蓄能、峰時釋能，做到經濟效益最大化。

3）相對于常規供能系統，本項目分布式能源系統的年平均能源綜合利用率為85.8%，節能率為29.8%，每年可節約標煤量640 噸，每年可減少CO2排放量2522 噸，減排率50%。