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.內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.中國電力投資集團公司，北京 100030； 3.中國科學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，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，方案中采用了先進燃 氣輪機發(fā)電技術、余熱驅動的熱泵技術和 分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的集成技術，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)濟性好等特點而受到廣泛重視 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、最具實用性和發(fā)展活力 的技術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)”的先進性，對推進節(jié)能減排工作具有 積極的作用，還能為解決城市電力和燃氣 負荷的季節(jié)峰谷問題及電網(wǎng)應急備用開辟 新的途徑，并能展示我國電力系統(tǒng)結構調 整的開放性、靈活性以及實現(xiàn)能量優(yōu)化配 置的多元化特點。近年來，美、日等發(fā)達 國家正在研究和開發(fā)以天然氣為燃料的小 型或微型能源技術與分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系 統(tǒng)共同構架的“第二代能源系統(tǒng)”，力圖將 能源利用水平和環(huán)保標準提高到一個新的 層次。在我國，隨著能源結構的調整，作為 清潔燃料的天然氣在城市能源消費中的比 新型熱泵技術和冷暖負荷

3、的調配措施，以 發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能。關鍵詞： 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)則是實現(xiàn)天 然氣高效利用的先進技術。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)展內容，目前分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)與集 中發(fā)電的有機結合是新世紀能源工業(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、促進節(jié)能減排、應對氣候變化 的重要措施。分布式能源技術可實現(xiàn)天然 氣綜合梯級利用，有利于改善天然氣消費 結構、提高用戶的經(jīng)濟效益。本文將結合北方某分布式聯(lián)產(chǎn)供能系 統(tǒng)示范工程項目，介紹一種適合北方地區(qū) 的分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的設計方

4、案。1 項目方案簡介本項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 。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 低污染排放的燃氣輪機和高效吸收式制冷 /熱泵機組，采用了先進的燃氣輪機發(fā)電技 術、余熱驅動的熱泵技術和分布式聯(lián)產(chǎn)供 能系統(tǒng)的集成技術。該項目針對北方地區(qū) 氣候寒冷，冬長夏短的特點，還采用了新 型熱泵技術和冷暖負荷的調配措施，冬季 以熱泵方式供熱，充分利用環(huán)境熱源的熱 量；結合燃氣輪機低 NOx 排放和天然氣含 硫量低的特點，通過強化余熱回收和熱能 的

5、梯級利用，發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，實現(xiàn) 天然氣的綜合、高效轉換和利用。此外還 考慮燃氣輪機、吸收式機組和壓縮式機組 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)進行優(yōu)化設計。1.1 設計指標 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案的各項 指標為：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)互補構成了電力供應雙重保障，由 吸收式機組、壓縮式機組、余熱鍋爐等實 現(xiàn)了供冷、供熱的多級保障；環(huán)保，選 用先進的燃氣輪機，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 案強調節(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)的應用和天 然氣綜合利用提供參考。1.2 區(qū)域規(guī)劃及其負荷情況 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。 園區(qū)占地約 7.8 萬m2，分為商業(yè)、古風民苑、大觀園等 功能區(qū)域。園區(qū)規(guī)劃建設如下設施：1個標準的室內游泳館； 1 個污水處理廠， 具有 1 套 6350m3/d 規(guī)模的中水處理設施 或地熱利用項目，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，估算設計熱負荷

7、指 標分別取70W/m2110W/m2,包括游泳 館在內的總熱負荷約為9.7MW，按照其中 有3萬m2建筑采用集中供冷，冷負荷約 為3.6MW，園區(qū)電負荷初步估算約為 4MW。具體負荷以園區(qū)實際設計負荷為 準。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 主要設計原則園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案結合北 方地區(qū)的氣候特點，以小型燃氣輪機冷熱 電聯(lián)產(chǎn)為主要能源供應方式，突出小型燃 氣輪機、熱泵等單元技術及系統(tǒng)集成技術 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)濟理念， 通過一次性規(guī)劃，分階段實施（并留有擴 容能力），建設面向未來的水循環(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 和設計中遵循的原則如下：（ 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)間內的熱量進行不同方式的利 用，以達到能源的最合理使用，如：高溫 段發(fā)電；中溫段用于驅動熱泵和制冷機， 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)劃和設計方案中結合北方地區(qū)的 特點，實現(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熱、水資源的綜 合互補利用， 重視綠色能源的推廣、 應用。 區(qū)域內擬修建污水處理與回收設施，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)提供低溫熱源和環(huán) 境熱阱；結合園區(qū)建筑低密度（均為14 層）的特點，采用地熱能的開發(fā)利用，實 現(xiàn)與中水相同的低溫熱源功能，且采用的 中水在區(qū)域內應達到自我平衡。（ 3）實現(xiàn)系統(tǒng)無縫連接并網(wǎng)運行。 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）實現(xiàn)能源、 環(huán)境與人文的一體化 設計。在考慮園區(qū)歷史、文化內涵的背景 下，實現(xiàn)能源技術的先進性、工程項目與 建筑規(guī)劃及環(huán)境的協(xié)調性以及項目

10、與歷史 文化的相容性。2.2 系統(tǒng)設計方案 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)由燃氣輪 機、吸收式制冷系統(tǒng)及壓縮式與吸收式結 合的雙級水源熱泵等設備組成，見表 1 所 示，其工作流程如圖1所示。其中：采 用了燃氣輪機并網(wǎng)運行，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 冷機對部分區(qū)域進行集中供冷，并擬在區(qū) 域內建設冷庫、制冰等項目，以提高冷負 荷，改善冷熱負荷的匹配關系。園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)的運行工況如下：（ 1 ）夏季工況。 燃氣輪機高溫排煙進 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 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。 燃氣輪機高溫排煙送 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組，飽和蒸汽驅動 吸收式熱泵運行，將壓縮式熱泵制取的熱 量進一步提高的6070C為園區(qū)供熱，余熱鍋爐的排煙進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、技術先進性和環(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)冷熱電負荷情況，園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)設備初步選型見表 1。表1園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)設備表設備名稱型號、參數(shù)燃氣輪機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SXZ8-407DH2，制冷量 4070 kW高溫級蒸汽驅動吸收式熱泵制熱功率7200kW低溫級壓縮式熱泵制熱功率2700kW低溫換熱器換熱功率2500kW3技術經(jīng)濟分析冷的分產(chǎn)供能系統(tǒng))的方案進行比較，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 計方案，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 空調圖1園區(qū)分布式冷熱電系統(tǒng)示意圖 網(wǎng)購電一燃氣鍋爐米暖一電壓縮式空調制 在滿足相同的冷熱電負荷需求時，對其技 術經(jīng)濟進行分析。3.1技術性能分析系統(tǒng)每年在2個主要時間段運行，分 別為供暖季和制冷季。系統(tǒng)熱力性能按以 下假設條件進行估算：供暖季為180天， 平均每天滿負荷運行18 h;制冷季為60 天，平均每天滿負荷運行12 h;春秋季， 只有壓縮式熱泵運行，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)購電一燃氣鍋爐米暖一電壓縮式空 調制冷）供應相同的冷熱電負荷則需消耗 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 30%以上。3.2經(jīng)濟性分析對園區(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)的年功能總費用進行的比較結 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)的年功能總費用比較萬元比較項目聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)系統(tǒng)總投資2900355年折舊費用193.323.6天然氣費用766.9574.6購電費用01204年總費用960.31726年供能收入13341334年利潤373.7-392注：本項目預算范

15、圍為分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)，不包括有關市政和商業(yè)投資等工程建設費用。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) 年折舊費用也相應的高于分產(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 用為零，年度總費用為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)的費用達到 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)濟性能分析為了對園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)

16、供能系統(tǒng)進行 經(jīng)濟性能分析，對其進行的經(jīng)濟性估算采 用了如表4所示基礎數(shù)據(jù)。初步得出分布 式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性能見表 5。表4基礎數(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)濟性能分析項目數(shù)值系統(tǒng)總投資/萬元2900投資回收期/年7.7內部收益率/ %11.6圖2顯示了系統(tǒng)經(jīng)濟性能隨系統(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)濟性的影響最大；天然 氣價格對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響要大于系統(tǒng)投 資變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。由以上分析可得出以下結論：(1) 園區(qū)分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)工程設 計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)的年度總費用低于分產(chǎn)供能系統(tǒng)的年度 總費用，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)濟性。4結語園區(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)工程設計方 案針對北方地

18、區(qū)寒冷的氣候特點，采用集 成燃氣輪機和吸收/壓縮熱泵等技術的分 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)、吸收式機組、 壓縮式機組等實現(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-人文一體化設計。從技術上充分體現(xiàn)系統(tǒng)可靠性、技術先進性、環(huán)境圖2分布式聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)經(jīng)濟敏感性分析3.4分析結果友好性。高