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分布式供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析
1天然氣系統(tǒng)的應(yīng)用狀況節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)是世界上面臨的兩個(gè)問(wèn)題。能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),也是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力、人民生活水平以及國(guó)家文明發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)。近年來(lái),燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn),特別是中小型燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供,即分布式供能系統(tǒng),已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家中廣泛使用,成為當(dāng)前燃?xì)鈶?yīng)用技術(shù)發(fā)展的主流。分布式供能是合理利用天然氣資源的最佳途徑之一,不僅可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用和合理配置,提高能源利用率,而且還能有效改善環(huán)境美國(guó)從1978年開(kāi)始提倡發(fā)展小型熱電聯(lián)產(chǎn)。目前,正研究能源資源高效利用的小型熱電冷三聯(lián)產(chǎn)中國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家,能源消費(fèi)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大的差距,按照目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)所面臨的能源問(wèn)題仍然是相當(dāng)嚴(yán)峻的。為適應(yīng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和“西氣東輸”工程的具體實(shí)施,結(jié)合各地的具體情況,大力發(fā)展以天然氣為主的能源技術(shù)進(jìn)步,已是沿線(xiàn)各地所面臨的主要任務(wù)天然氣冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種對(duì)天然氣進(jìn)行梯級(jí)利用的系統(tǒng),可以有效地提高一次能源利用率本文詳細(xì)介紹了中國(guó)電力投資集團(tuán)公司高級(jí)培訓(xùn)中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中電投高培中心")天然氣分布式供能系統(tǒng),其負(fù)荷現(xiàn)狀、系統(tǒng)配置優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性分析將在下文中詳細(xì)介紹。2供能方式和配套設(shè)施中國(guó)電力投資集團(tuán)公司高級(jí)培訓(xùn)中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中電投高培中心")位于上海市閔行區(qū)劍川路665號(hào)和721號(hào),是中國(guó)電力投資集團(tuán)公司干部培訓(xùn)、技術(shù)工人教育培訓(xùn)及國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流為一體的高級(jí)培訓(xùn)中心和中國(guó)電力投資集團(tuán)公司在上海的會(huì)議中心。學(xué)校目前采用的供能方式為大部分建筑物采用單體電空調(diào),僅有西校區(qū)的培訓(xùn)宿舍樓采用的是集中電空調(diào),培訓(xùn)宿舍樓的熱水負(fù)荷是由燃?xì)鉄崴仩t供應(yīng),學(xué)校后勤保障如食堂、餐廳等生活熱負(fù)荷的供應(yīng)由設(shè)在綜合樓里的3臺(tái)燃油蒸汽鍋爐(單臺(tái)容量1t/h)提供。目前整個(gè)校區(qū)的實(shí)際用電量在800~1500kW左右,學(xué)校設(shè)有東部配電站(1×1250kVA+1×630kVA)和西部(2×630kVA)配電站,目前實(shí)際平均用電量約占兩個(gè)配電站所有變壓器容量的1/3。在目前上海市用電告急的情況下,學(xué)校如果采取傳統(tǒng)的電空調(diào)制冷和采暖方式,將會(huì)進(jìn)一步增大上海電網(wǎng)負(fù)擔(dān),用電成本也較高。2.1雙回電源運(yùn)行情況中電投高級(jí)培訓(xùn)中心目前由35kV春陽(yáng)變電站供電。35kV春陽(yáng)站現(xiàn)有主變壓器容量3×20MVA,出線(xiàn)電壓等級(jí)為35kV和10kV,該站目前兩回電源分別來(lái)自220kV金都變電站和220kV元江變電站。培訓(xùn)中心內(nèi)現(xiàn)有兩座10kV配電站,東部校區(qū)配電站內(nèi)現(xiàn)配有2臺(tái)主變,變壓器容量為1250kVA+630kVA,出線(xiàn)電壓等級(jí)為10kV和0.4kV,配電站2路10kV電源進(jìn)線(xiàn)來(lái)自35kV春陽(yáng)站。圖1為中電投高培中心變電站一次模擬圖。2.2開(kāi)啟2臺(tái)鍋爐,滿(mǎn)足用熱要求根據(jù)高培中心現(xiàn)有的熱負(fù)荷調(diào)查,在東校區(qū)綜合樓里的鍋爐房里有3臺(tái)容量為1t/h的燃油鍋爐,主要向浴室、餐廳、招待所等供熱,鍋爐房每天5:00~21:00需要開(kāi)啟2臺(tái)鍋爐來(lái)滿(mǎn)足用熱要求,鍋爐的供汽參數(shù)為0.7MPa,170℃。鍋爐房除了春節(jié)期間學(xué)校放假2個(gè)星期,幾乎天天在兩班制運(yùn)轉(zhuǎn),年運(yùn)行小時(shí)數(shù)可達(dá)5600h。05年這3臺(tái)鍋爐的全年柴油耗量為174t,按鍋爐效率為85%折算成蒸汽量,全年供汽量為2300t。根據(jù)鍋爐年供汽量和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)折算成年平均負(fù)荷為0.411t/h,根據(jù)每天開(kāi)2臺(tái)爐的運(yùn)行現(xiàn)狀估計(jì)目前校區(qū)的最大用汽量接近2t/h。培訓(xùn)宿舍樓(培訓(xùn)學(xué)員公寓)建筑面積為9047m33.1分布式冷水機(jī)組全熱負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性為以清潔高(1)為充分利用能源,以“熱電聯(lián)供"和“并網(wǎng)不上網(wǎng)"為主要設(shè)計(jì)原則,配置小型、高效燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐的分布式供能系統(tǒng)來(lái)提高供熱效率,余熱鍋爐產(chǎn)汽直接供熱。(2)根據(jù)熱負(fù)荷和電負(fù)荷的具體情況,所選的小型燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)組能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。(3)為了提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,機(jī)組的產(chǎn)汽量的確定要使得機(jī)組盡可能處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)熱負(fù)荷分析,機(jī)組設(shè)計(jì)熱負(fù)荷在1t/h,機(jī)組的使用率最高,熱電聯(lián)供機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)可達(dá)7000h。(4)擬建的1套裝機(jī)容量均為250kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,接入10kV配電站內(nèi)現(xiàn)有400V母線(xiàn)上,直接向母線(xiàn)上用電負(fù)荷供電。3.2分布式供能站分布式供能系統(tǒng)的主體工程包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐及控制室。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐等均布置在分布式供能站內(nèi)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐基礎(chǔ)為新建鋼筋混凝土剛性基礎(chǔ),天然地基。此外,空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)備也布置在分布式供能站內(nèi)。圖2為設(shè)計(jì)的中電投高培中心分布式供能站的系統(tǒng)圖。3.3機(jī)組蒸汽負(fù)荷的確定經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)熱負(fù)荷后,可知3幢建筑物合計(jì)新增的蒸汽量最大負(fù)荷為2.049t/h,出現(xiàn)在冬季的白天;最小負(fù)荷為0.611t/h,出現(xiàn)在夏季負(fù)荷的晚上;平均負(fù)荷按照不同季節(jié)的加權(quán)平均約為1.383t/h?,F(xiàn)鍋爐房最大供熱量接近2t/h,3幢建筑物合計(jì)新增的最大蒸汽負(fù)荷為2.049t/h,合計(jì)最大蒸汽負(fù)荷在4t/h左右;現(xiàn)鍋爐房平均負(fù)荷為0.41t/h,3幢建筑物新增平均負(fù)荷為1.382t/h,合計(jì)平均負(fù)荷為1.792t/h;現(xiàn)鍋爐房晚上停爐,故最小負(fù)荷為0,新增最小負(fù)荷為0.611t/h,合計(jì)平均負(fù)荷也為0.611t/h?,F(xiàn)有鍋爐房的供汽能力為3t/h,從合計(jì)最大熱負(fù)荷在4t/h左右,故配置的熱電聯(lián)供機(jī)組要至少能夠提供1t/h左右的蒸汽,就能滿(mǎn)足全校最大蒸汽負(fù)荷需求。為提高分布式供能系統(tǒng)熱電聯(lián)供機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性,要盡可能地提高機(jī)組的使用率,為此希望機(jī)組能夠一天24h運(yùn)轉(zhuǎn)。如果配置的機(jī)組產(chǎn)汽量為1t/h左右,當(dāng)晚上最小負(fù)荷為0.611~0.939t/h情況下,機(jī)組在60%~90%負(fù)荷下還能正常運(yùn)行。如果配置的機(jī)組蒸汽產(chǎn)量大于1t/h,則機(jī)組在小于60%負(fù)荷以下運(yùn)行機(jī)組效率大大降低,所以熱電聯(lián)供機(jī)組的蒸汽負(fù)荷不宜大于1t/h。綜上所述,機(jī)組的設(shè)計(jì)負(fù)荷選擇1t/h是最合適的,扣除學(xué)校休假時(shí)間機(jī)組可以全年8400h運(yùn)行,由于在晚上的負(fù)荷是小于1t/h,所以折合成年利用小時(shí)數(shù)約為7000h。由于蒸汽溴化鋰機(jī)組需要0.8MPa的飽和蒸汽,取供熱參數(shù)為0.8MPa的飽和蒸汽。根據(jù)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的分析中,可知熱電聯(lián)供機(jī)組余熱產(chǎn)汽量在1t/h左右機(jī)組的年利用率最高,故選擇1臺(tái)英格索蘭MT250機(jī)組即可滿(mǎn)足要求,其內(nèi)置天然氣增壓裝置,自用電量較小,機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊,當(dāng)機(jī)組的配置余熱鍋爐產(chǎn)生1t/h的蒸汽時(shí),余熱鍋爐的排煙溫度大約在120℃左右,本工程中為了最大程度的利用余熱節(jié)約能源,在同鍋爐廠(chǎng)聯(lián)系以后決定在余熱鍋爐排煙煙道加裝一套熱水系統(tǒng),可以將余熱鍋爐的排煙溫度降至80℃左右,同時(shí)還可以回收約1.33t/h左右的70℃熱水,回收的熱量也相當(dāng)于0.11t/h的蒸汽供出的熱量。3.4氣管網(wǎng)主干線(xiàn)上接出本工程以天然氣為燃料。和原燃煤鍋爐相比,減少了對(duì)環(huán)境的污染,天然氣管道將從上海市天然氣管網(wǎng)主干線(xiàn)上接出。從目前了解到的天然氣管網(wǎng)情況來(lái)看,天然氣管網(wǎng)主干線(xiàn)的輸氣壓力為4bar,由于小型燃?xì)廨啓C(jī)耗氣量小,天然氣接入中電投高培中心是可能的。在設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的前提下,如按照配置一臺(tái)250kW燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的方案,天然氣單位耗量為142.97m3.5氣輪機(jī)與余熱鍋爐本體的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,供能站的熱控專(zhuān)業(yè)范圍內(nèi)的所有設(shè)備由上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所提供,公共系統(tǒng)控制系統(tǒng)次采用歐姆龍公司的PLC產(chǎn)品,燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐本體的控制系統(tǒng)由英格索蘭和哈爾濱703所隨本體帶來(lái)。燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐的控制系統(tǒng)通過(guò)RS485通訊借口上傳至公共系統(tǒng)PLC內(nèi)。暖通空調(diào)系統(tǒng)中溴化鋰制冷機(jī)組與電制冷機(jī)組系統(tǒng)隨本體帶。其中溴化鋰機(jī)組的控制屏放置在控制室操作臺(tái)上,與公共系統(tǒng)沒(méi)有通訊;電制冷機(jī)組有啟停、故障等監(jiān)控信號(hào)進(jìn)入公共系統(tǒng)PLC,其中所有控制電纜通過(guò)電纜溝進(jìn)入控制室內(nèi)的架空地板,再進(jìn)入PLC控制柜內(nèi)。44.1堅(jiān)持用余熱利用程度低,以熱余能基利用程度高。據(jù)測(cè)算,直接利用熱量多,熱損失高,熱損失高,總有效率高,總熱力高,總熱力高。在煤本工程中熱電比達(dá)到了2.98,發(fā)電效率為80%。一般來(lái)說(shuō),在一定的發(fā)電效率之下,熱電比越高總熱效率越高,要求余熱的利用程度越高,熱損失越小。由于分布式供能系統(tǒng)的余熱全部用來(lái)直接供熱,不需要用于生產(chǎn)蒸汽進(jìn)行發(fā)電,沒(méi)有冷源損失,從而可以得到較高的熱電比和總熱效率。4.2工程建設(shè)投資本工程(包含空調(diào)系統(tǒng))工程靜態(tài)投資為887.77萬(wàn)元;單位投資35511元/kW;工程動(dòng)態(tài)投資為909.57萬(wàn)元;單位投資36383元/kW;建設(shè)項(xiàng)目總資金916.99萬(wàn)元。如不包括空調(diào)系統(tǒng),則工程靜態(tài)投資為635.32萬(wàn)元;單位投資25413元/kW;工程動(dòng)態(tài)投資為650.92萬(wàn)元;單位投資26037元/kW;建設(shè)項(xiàng)目總資金658.19萬(wàn)元。本工程僅對(duì)2套燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐的熱電聯(lián)供機(jī)組三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析,即工程靜態(tài)投資不包括空調(diào)系統(tǒng)及調(diào)峰鍋爐。4.3熱價(jià)變化對(duì)于主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響在財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)在以下三個(gè)表中列出了在投資變化、天然氣價(jià)格變化和熱價(jià)變化時(shí)引起財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化的敏感性分析。從本項(xiàng)目的工程投資額、天然氣價(jià)格、熱價(jià)的變化而引起財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化的敏感性分析看出,熱價(jià)變化對(duì)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響相對(duì)較為敏感;在不含稅熱價(jià)為103.8元/GJ,不含稅電價(jià)為741.03元/MWh的條件下,全部投資內(nèi)部收益率為9.91%,注資內(nèi)部收益率8.00%,財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值均為正值。投資資本回收期為8.93年,本項(xiàng)目有其一定的合理性。5優(yōu)化結(jié)果和啟示隨著天然氣的廣泛應(yīng)用,電力壟斷的逐步解體,環(huán)境保護(hù)要求提高和可再生能源利用技術(shù)水平的提高,不僅我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)和西南地區(qū)的分布式供能將得到極大的發(fā)展,而且分布式供能系統(tǒng)將成為中國(guó)城市現(xiàn)代化的重要?jiǎng)恿?。毫無(wú)疑問(wèn),分布式供能系統(tǒng)將成為未來(lái)能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。從中電投天然氣分布式供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置和優(yōu)化中,我們可以得出以下結(jié)論和啟示:(1)在中電投高培中心建設(shè)分布式供能站不但提供了供熱的可靠性、良好的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)性能,燃?xì)廨啓C(jī)組還可以作為學(xué)校的備用電源,提高中電投高培中心用電的安全可靠性。(2)燃?xì)廨啓C(jī)燃用天然氣,具有可實(shí)施性,而且有利于環(huán)境保護(hù),和燃油鍋爐相比,減少了對(duì)環(huán)境的污染。(3)從技術(shù)分析來(lái)看,本工程采用1套250kW燃?xì)廨啓C(jī)+1t/h余熱鍋爐的熱電聯(lián)供機(jī)組的配置方案,熱電比為2.98;總熱效率可達(dá)80%
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