北方分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)介紹

1、北方分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)介紹倪允之 1，晉宏師 2，王愛華 2，張洪偉 2，隋軍 31.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.中國電力投資集團(tuán)公司，北京 100030； 3.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100080)摘要： 針對北方地區(qū)氣候寒冷，冬長夏短 的特點(diǎn)，提出一種適合北方地區(qū)的分布式 聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案，方案中采用了先進(jìn)燃 氣輪機(jī)發(fā)電技術(shù)、余熱驅(qū)動的熱泵技術(shù)和 分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的集成技術(shù)，并采用 0 引言分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)因具有安全可 靠、能源效率高、環(huán)境友好、社會效益和 經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)而受到廣泛重視 1-3 。分布 式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng) 中前景

2、最為明朗、最具實(shí)用性和發(fā)展活力 的技術(shù)4-6。分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)不僅在節(jié) 能、環(huán)保、可靠性等方面具有 “第二代能源 系統(tǒng)”的先進(jìn)性，對推進(jìn)節(jié)能減排工作具有 積極的作用，還能為解決城市電力和燃?xì)?負(fù)荷的季節(jié)峰谷問題及電網(wǎng)應(yīng)急備用開辟 新的途徑，并能展示我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào) 整的開放性、靈活性以及實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化配 置的多元化特點(diǎn)。近年來，美、日等發(fā)達(dá) 國家正在研究和開發(fā)以天然氣為燃料的小 型或微型能源技術(shù)與分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系 統(tǒng)共同構(gòu)架的“第二代能源系統(tǒng)”，力圖將 能源利用水平和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高到一個新的 層次。在我國，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，作為 清潔燃料的天然氣在城市能源消費(fèi)中的比 新型熱泵技術(shù)和冷暖負(fù)荷

3、的調(diào)配措施，以 發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能。關(guān)鍵詞： 分布式聯(lián)產(chǎn)供能；冷熱電聯(lián)產(chǎn)； 供能系統(tǒng)；優(yōu)化配置方案例將大幅提高，而冷熱電聯(lián)產(chǎn)則是實(shí)現(xiàn)天 然氣高效利用的先進(jìn)技術(shù)。國家能源中 長期發(fā)展規(guī)劃綱要中將分布式聯(lián)產(chǎn)供能 系統(tǒng)列入“能源規(guī)劃與節(jié)能規(guī)劃”的優(yōu)先 發(fā)展內(nèi)容，目前分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)與集 中發(fā)電的有機(jī)結(jié)合是新世紀(jì)能源工業(yè)的發(fā) 展方向。高效清潔利用天然氣是提高能源 利用效率、促進(jìn)節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化 的重要措施。分布式能源技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天然 氣綜合梯級利用，有利于改善天然氣消費(fèi) 結(jié)構(gòu)、提高用戶的經(jīng)濟(jì)效益。本文將結(jié)合北方某分布式聯(lián)產(chǎn)供能系 統(tǒng)示范工程項(xiàng)目，介紹一種適合北方地區(qū) 的分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方

4、案。1 項(xiàng)目方案簡介本項(xiàng)目選擇北方某文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園作 為示范工程，采用分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)為 園區(qū)約10萬m2商業(yè)建筑提供采暖、生活 熱水、園區(qū)供冷以及全部電力供應(yīng) 。該方 案以天然氣為能源，符合北方地區(qū)氣候、 資源和環(huán)境的要求，方案中選用小型高效 低污染排放的燃?xì)廨啓C(jī)和高效吸收式制冷 /熱泵機(jī)組，采用了先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技 術(shù)、余熱驅(qū)動的熱泵技術(shù)和分布式聯(lián)產(chǎn)供 能系統(tǒng)的集成技術(shù)。該項(xiàng)目針對北方地區(qū) 氣候寒冷，冬長夏短的特點(diǎn)，還采用了新 型熱泵技術(shù)和冷暖負(fù)荷的調(diào)配措施，冬季 以熱泵方式供熱，充分利用環(huán)境熱源的熱 量；結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)低 NOx 排放和天然氣含 硫量低的特點(diǎn)，通過強(qiáng)化余熱回收和熱能 的

5、梯級利用，發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，實(shí)現(xiàn) 天然氣的綜合、高效轉(zhuǎn)換和利用。此外還 考慮燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式機(jī)組和壓縮式機(jī)組 的形式、容量和系統(tǒng)形式選擇等有利于能 的梯級利用的合理手段，并對系統(tǒng)的流程 和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo) 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案的各項(xiàng) 指標(biāo)為：節(jié)能率，與常規(guī)冷熱電分產(chǎn)系 統(tǒng)相比，該方案的節(jié)能率在30%以上； 可靠性，由分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及大電 網(wǎng)系統(tǒng)互補(bǔ)構(gòu)成了電力供應(yīng)雙重保障，由 吸收式機(jī)組、壓縮式機(jī)組、余熱鍋爐等實(shí) 現(xiàn)了供冷、供熱的多級保障；環(huán)保，選 用先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)，其NOx排放約為15 25ppm，低于鍋爐直接供熱或其他動力系 統(tǒng)的NOx排放（約為2001000

6、ppm）。方 案強(qiáng)調(diào)節(jié)能，總體性能較優(yōu)，對于創(chuàng)建節(jié) 約型社會具有現(xiàn)實(shí)的社會意義，可為北方 地區(qū)典型分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的應(yīng)用和天 然氣綜合利用提供參考。1.2 區(qū)域規(guī)劃及其負(fù)荷情況 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)主要為園區(qū) 的 10 萬 m2 商業(yè)建筑提供采暖、 生活熱水、 供冷以及全部電力供應(yīng)。 園區(qū)占地約 7.8 萬m2，分為商業(yè)、古風(fēng)民苑、大觀園等 功能區(qū)域。園區(qū)規(guī)劃建設(shè)如下設(shè)施：1個標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)游泳館； 1 個污水處理廠， 具有 1 套 6350m3/d 規(guī)模的中水處理設(shè)施 或地?zé)崂庙?xiàng)目，循環(huán)水量為 500 m3/h， 約 4 口井。根據(jù)園區(qū)開發(fā)方提供的規(guī)劃資 料及建筑類型和層高，估算設(shè)計(jì)熱負(fù)荷

7、指 標(biāo)分別取70W/m2110W/m2,包括游泳 館在內(nèi)的總熱負(fù)荷約為9.7MW，按照其中 有3萬m2建筑采用集中供冷，冷負(fù)荷約 為3.6MW，園區(qū)電負(fù)荷初步估算約為 4MW。具體負(fù)荷以園區(qū)實(shí)際設(shè)計(jì)負(fù)荷為 準(zhǔn)。分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)為園區(qū)冬季供熱 供電，夏季供冷供電。2 工程總體方案2.1 主要設(shè)計(jì)原則園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案結(jié)合北 方地區(qū)的氣候特點(diǎn)，以小型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱 電聯(lián)產(chǎn)為主要能源供應(yīng)方式，突出小型燃 氣輪機(jī)、熱泵等單元技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù) 在發(fā)電、回收其排氣余熱用于熱泵供熱和 制冷等方面的優(yōu)勢， 并依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念， 通過一次性規(guī)劃，分階段實(shí)施（并留有擴(kuò) 容能力），建設(shè)面向未來的水循環(huán)與能

8、源、 資源綜合高效利用的社區(qū)新模式，為周邊 和區(qū)域的負(fù)荷發(fā)展提供高效清潔的能源保 障。園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案在規(guī)劃 和設(shè)計(jì)中遵循的原則如下：（ 1）梯級利用熱能。根據(jù)“溫度對口， 梯級利用”原則，對燃燒過程中產(chǎn)生的不 同溫度區(qū)間內(nèi)的熱量進(jìn)行不同方式的利 用，以達(dá)到能源的最合理使用，如：高溫 段發(fā)電；中溫段用于驅(qū)動熱泵和制冷機(jī)， 從環(huán)境提取更多有用的熱量；低溫段直接 滿足一般的用熱需求；排放時盡量降低排 放溫度，減少排放損失和環(huán)境污染。（ 2）綜合利用傳統(tǒng)能源、 環(huán)境能源和 水資源。作為北方新建的高檔社區(qū)，園區(qū) 社區(qū)在規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案中結(jié)合北方地區(qū)的 特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源與環(huán)境能源、水資源 的綜

9、合利用及天然氣與地?zé)?、水資源的綜 合互補(bǔ)利用， 重視綠色能源的推廣、 應(yīng)用。 區(qū)域內(nèi)擬修建污水處理與回收設(shè)施，產(chǎn)生 的中水可作為景觀、衛(wèi)生、灌溉用水，并 為分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)提供低溫?zé)嵩春铜h(huán) 境熱阱；結(jié)合園區(qū)建筑低密度（均為14 層）的特點(diǎn)，采用地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，實(shí) 現(xiàn)與中水相同的低溫?zé)嵩垂δ?，且采用?中水在區(qū)域內(nèi)應(yīng)達(dá)到自我平衡。（ 3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無縫連接并網(wǎng)運(yùn)行。 將 分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)與市政配電網(wǎng)系統(tǒng)無 縫連接，以提升電力系統(tǒng)的開放性和靈活 性。（ 4）實(shí)現(xiàn)能源、 環(huán)境與人文的一體化 設(shè)計(jì)。在考慮園區(qū)歷史、文化內(nèi)涵的背景 下，實(shí)現(xiàn)能源技術(shù)的先進(jìn)性、工程項(xiàng)目與 建筑規(guī)劃及環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及項(xiàng)目

10、與歷史 文化的相容性。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)由燃?xì)廨?機(jī)、吸收式制冷系統(tǒng)及壓縮式與吸收式結(jié) 合的雙級水源熱泵等設(shè)備組成，見表 1 所 示，其工作流程如圖1所示。其中：采 用了燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)可靠 性；采用吸收式熱泵與壓縮式熱泵聯(lián)合 運(yùn)行，配合中水資源的有效利用，環(huán)境溫 度低時以熱泵方式供熱；采用吸收式制 冷機(jī)對部分區(qū)域進(jìn)行集中供冷，并擬在區(qū) 域內(nèi)建設(shè)冷庫、制冰等項(xiàng)目，以提高冷負(fù) 荷，改善冷熱負(fù)荷的匹配關(guān)系。園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的運(yùn)行工況如下：（ 1 ）夏季工況。 燃?xì)廨啓C(jī)高溫排煙進(jìn) 入余熱鍋爐生產(chǎn)壓力為 0.5MPa 的飽和蒸 汽，然后飽和蒸汽送入雙效吸收式

11、制冷機(jī) 組，為園區(qū)供冷，部分余熱用于加熱游泳 池水溫。（ 2）冬季工況。 燃?xì)廨啓C(jī)高溫排煙送 入余熱鍋爐生產(chǎn)飽和蒸汽，壓縮式熱泵將 溫度為15 C左右的地下水熱量提升到 3040 C,然后將這部分熱量與飽和蒸汽 一起送入吸收式熱泵機(jī)組，飽和蒸汽驅(qū)動 吸收式熱泵運(yùn)行，將壓縮式熱泵制取的熱 量進(jìn)一步提高的6070C為園區(qū)供熱，余熱鍋爐的排煙進(jìn)一步通過低溫余熱換熱器 使排煙溫度降低到 100 C以下再排入環(huán) 境，同時生產(chǎn)熱水用于加熱游泳池水溫。(3)春秋季工況。在春秋季節(jié)，由壓 縮式熱泵加熱游泳池水溫。該方案突出可靠性、技術(shù)先進(jìn)性和環(huán) 境友好型。與常規(guī)方式相比，分布式供能方案能源效率與污染物排放情況

12、將明顯改 善。根據(jù)園區(qū)冷熱電負(fù)荷情況，園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)設(shè)備初步選型見表 1。表1園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)設(shè)備表設(shè)備名稱型號、參數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)ST40，發(fā)電功率4039kW余熱鍋爐0.5MPa飽和蒸汽，容量7t/h蒸汽型雙效吸收式制冷機(jī)SXZ8-407DH2，制冷量 4070 kW高溫級蒸汽驅(qū)動吸收式熱泵制熱功率7200kW低溫級壓縮式熱泵制熱功率2700kW低溫?fù)Q熱器換熱功率2500kW3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析冷的分產(chǎn)供能系統(tǒng))的方案進(jìn)行比較，并年供電量/萬kWh1424為了考核園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)設(shè) 計(jì)方案，特將采用分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的 本方案和采用傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)(指從電天然氣空氣水源排煙采暖生活

13、熱水，泳池加熱電 空調(diào)圖1園區(qū)分布式冷熱電系統(tǒng)示意圖 網(wǎng)購電一燃?xì)忮仩t米暖一電壓縮式空調(diào)制 在滿足相同的冷熱電負(fù)荷需求時，對其技 術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析。3.1技術(shù)性能分析系統(tǒng)每年在2個主要時間段運(yùn)行，分 別為供暖季和制冷季。系統(tǒng)熱力性能按以 下假設(shè)條件進(jìn)行估算：供暖季為180天， 平均每天滿負(fù)荷運(yùn)行18 h;制冷季為60 天，平均每天滿負(fù)荷運(yùn)行12 h;春秋季， 只有壓縮式熱泵運(yùn)行，為游泳池加熱水溫 提供熱量。系統(tǒng)的年熱力性能見表 2。表2系統(tǒng)年熱力性能項(xiàng)目聯(lián)供系統(tǒng)年供熱量/萬 kW2916年供冷量/萬 kW259年（泳池）加熱量/萬kW301年耗氣量/萬 Nm3488由表2可知，本方案年消耗天然氣

14、量為488萬Nm3，而由傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)（指 從電網(wǎng)購電一燃?xì)忮仩t米暖一電壓縮式空 調(diào)制冷）供應(yīng)相同的冷熱電負(fù)荷則需消耗 天然氣791萬Nm3,即：本方案每年可節(jié) 省天然氣303萬Nm3,年平均節(jié)能率達(dá) 30%以上。3.2經(jīng)濟(jì)性分析對園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)和傳統(tǒng)分 產(chǎn)供能系統(tǒng)的年功能總費(fèi)用進(jìn)行的比較結(jié) 果見表3。表3分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)與傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)的年功能總費(fèi)用比較萬元比較項(xiàng)目聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)系統(tǒng)總投資2900355年折舊費(fèi)用193.323.6天然氣費(fèi)用766.9574.6購電費(fèi)用01204年總費(fèi)用960.31726年供能收入13341334年利潤373.7-392注：本項(xiàng)目預(yù)算范

15、圍為分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)，不包括有關(guān)市政和商業(yè)投資等工程建設(shè)費(fèi)用。從表3可以看出：聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)總投資初 步估算為2900萬元，高于傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系 統(tǒng)投資的355萬元，因此，聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng) 年折舊費(fèi)用也相應(yīng)的高于分產(chǎn)供能系統(tǒng)； 聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)能夠生產(chǎn)電量，因此購電費(fèi) 用為零，年度總費(fèi)用為960.3萬元/年，而 分產(chǎn)供能系統(tǒng)需要從電網(wǎng)買電，還需要燃 燒天然氣供暖，分產(chǎn)供能系統(tǒng)的費(fèi)用達(dá)到 1726萬元/年，比聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)多765.7萬 元/年。若供能系統(tǒng)年收入為1334萬元， 則聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的利潤為373.7萬元/年, 而分產(chǎn)供能系統(tǒng)則虧損392萬元/年。3.3聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能分析為了對園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)

16、供能系統(tǒng)進(jìn)行 經(jīng)濟(jì)性能分析，對其進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)性估算采 用了如表4所示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。初步得出分布 式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性能見表 5。表4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)名稱數(shù)值采暖價格/元/ （m2 年-1）17.7供冷價格/元/ （m2 年-1）30供電價格元/kW- h0.761上網(wǎng)電價元/kW - h0.25天然氣價格元/m31.57表5分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性能分析項(xiàng)目數(shù)值系統(tǒng)總投資/萬元2900投資回收期/年7.7內(nèi)部收益率/ %11.6圖2顯示了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能隨系統(tǒng)投 資、供電價格、供熱價格、供冷價格和天 然氣價格變化的規(guī)律，從圖2中可以看出: 投資回收期隨產(chǎn)品價格的提高而縮短；隨 系統(tǒng)投資的增加和天

17、然氣價格的提高而延 長；電價對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響最大；天然 氣價格對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響要大于系統(tǒng)投 資變化對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。由以上分析可得出以下結(jié)論：(1) 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)工程設(shè) 計(jì)方案具有很高的能源利用率，與傳統(tǒng)分 產(chǎn)系統(tǒng)相比，全年節(jié)能率超過 30%。(2) 雖然聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)初步總投資高 于傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)投資，但聯(lián)產(chǎn)供能系 統(tǒng)的年度總費(fèi)用低于分產(chǎn)供能系統(tǒng)的年度 總費(fèi)用，且聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的年利潤較分產(chǎn) 供能系統(tǒng)的年利潤要高的多，故分布式聯(lián) 產(chǎn)供能系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。4結(jié)語園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)可以滿足該 區(qū)域采暖、空調(diào)和電力的主要能源需求。園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方 案針對北方地

18、區(qū)寒冷的氣候特點(diǎn)，采用集 成燃?xì)廨啓C(jī)和吸收/壓縮熱泵等技術(shù)的分 布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，對天然氣這一清潔 能源進(jìn)行綜合高效利用。方案具有由分布11.010.5 :10.0 _9.5 -) 年( 期 收 回 資 投9.0 _8.5 8.0 7.5 -7.0 -式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、大電網(wǎng)、吸收式機(jī)組、 壓縮式機(jī)組等實(shí)現(xiàn)的多級保障供電、供冷、 ，供熱的功能。系統(tǒng)投資變化 中供電價格變化 供熱價格變化丁 供冷價格變化* 天然氣價格變化分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案突出四個原 則：能的梯級利用，傳統(tǒng)能源與環(huán)境能源、6.56.0"水資源的綜合利用，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，以及5.5 41111-10-505相對變化率（）10能源-環(huán)境-人文一體化設(shè)計(jì)。從技術(shù)上充分體現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、環(huán)境圖2分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)敏感性分析3.4分析結(jié)果友好性。高