天然气分布式能源站系统集成设计的几个关键问题

杨勇，于秀艳

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100070)

0 引言

天然气分布式能源技术是相对于传统的集中供电方式而言的，是指以天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。

天然气分布式能源站系统可实现能源及资源综合利用最大化，能源综合利用率在70%以上，可广泛应用于城市综合商务区、工业区和公用建筑项目。与传统集中式供能方式相比，具有高效、清洁、安全、环保、削峰填谷、经济效益好等优点。

但据调查分析，在国内已投入运行的部分分布式能源站项目中，以上优点并没有得到充分体现，有些项目因装机容量过大， 出现“大马拉小车”的现象，致使冷热电三联供系统运转不良，甚至长期停运，从而导致整个项目经济效益较差。分析原因，主要有以下几点：(1)负荷的冷热指标取值不太合理或负荷的动态分析不足；(2)同时使用系数取值不合理；(3)项目总装机容量选择不合理；(4)冷热电三联供部分与调峰供能部分比例设计不合理；(5)没有充分考虑电力并网、上网因素的影响。

为了避免在今后设计中出现类似情况，本文对分布式能源站设计过程中的几个关键问题进行总结和分析。

1 负荷的统计与分析

负荷的统计与分析是分布式能源站系统集成的基础，天然气冷热电三联供系统集成设计必须根据用户负荷的冷热电比例选择相应的设备，以实现系统的合理配置及高效运行。冷热电负荷的统计与分析对冷热电三联供系统的初投资及运行经济性往往会产生决定性的影响。

天然气分布式能源站服务对象是中小型能源用户，如单独建筑、建筑群、商务园区和工业用户等。

分布式冷热电三联供系统很大一部分是用于建筑供能。建筑可分为民用、工业、农业建筑，建筑功能不同，负荷指标和负荷动态变化规律会有很大差异，相应的三联供系统构建形式和运行策略也会有很大差异。

由于诸多复杂因素的影响，建筑能耗负荷精确测量通常不易做到，因此，计算建筑能耗的指标法仍在世界范围内被广泛应用，尤其是在冷热电三联供项目前期规划、预可研、可研，甚至初步设计阶段，往往还没有建筑物的设计图纸，无法详细计算建筑物的冷热电负荷，指标法是最简洁有效的建筑能耗估算方法。

指标法包括电力负荷指标法和冷热负荷指标法。电力负荷常用的指标法有单位面积功率法和单位指标法；冷热负荷指标法有单位面积指标法和单位温差指标法。

以上方法均涉及单位指标如何选取的问题，通常情况下设计者会根据相关设计手册及实际经验选取指标。设计手册上给出的指标通常是一个范围值，指标选取是否合适，直接关系到项目装机容量的选择，并对能源站的运行经济性起着决定性作用。

根据以往项目的实际设计及运行经验，负荷指标的选取可参照以下原则：

(1)对于建筑面积大、围护结构绝热性能好、窗户面积较小的情况，冷热指标宜取较小值；

(2)若项目在较冷地区(如我国的北方地区)，热负荷指标宜取较大值，冷指标宜取较小值；

(3)对于室内人员活动密集的建筑，冷指标宜取较大值，热指标宜取较小值。

反之亦然。

除了冷热指标的选取需要合理外，使用系数的合理选择也很重要。如对于一个以办公、商业为主的建筑群，通常设计手册上空调系统(包括制冷和采暖)同时使用系数给定的是一个范围值，即0.70～1.00。设计时，究竟取其中的哪个数值较为合理，要具体问题具体分析。若该建筑群大部分房间为办公室，公用部分面积(如会议室、大厅、大堂等)很少，则宜取较大值，如0.85～0.95；若该建筑群公用部分建筑面积所占比例较大，则宜取较小值，如0.70～0.80。这主要是考虑办公人员在公用部分开会或进行其他活动时，办公室的负荷会相应地减少，不开会时，会议室的空调关闭，负荷为0。另外，如果分布式供能系统的负荷是一个大型的建筑群，且负荷性质不同、高峰时段不同，则同时使用系数宜取较小值(或将各建筑的负荷逐时叠加)，如果只是单独建筑或建筑供能面积较小，则同时使用系数宜取较大值。

工业用户一般以工业用汽为主要负荷，通常有少量的制冷采暖负荷，有的项目还有除湿等特殊负荷。对于工业用汽负荷，需要详细调查核实小时用汽量、用汽参数、用汽性质及用汽随时间的变化规律等。当用汽负荷为多个用户或同一个用户有多种不同的工艺时，也要根据实际情况选用合理的同时使用系数，取值范围通常为0.70～1.00。当各用户或各工艺车间的用汽时间为错峰运行时，同时使用系数宜取较小值，如0.70～0.80(或各负荷逐时叠加)；当各用户用汽性质相同，用汽时间也基本相同时，宜取较大值，如0.85～0.95。

总之，负荷的统计与分析是分布式能源站系统集成的基础，冷热指标及同时使用系数的合理选取是保障能源站经济效益的重要因素。

2 合理选择总装机容量及主机设备

2.1 项目总装机容量的选择

在实际系统集成设计中，参考之前的类似项目经验并进行合理修正是非常必要的。过去有些项目在设计过程中只考虑了满足项目最大负荷工况的需求，没有重视项目的经济效益，导致所设计的项目总装机容量过大，设备闲置无法利用。

表1为某项目冷负荷全年累计小时数，从表1可以看出，负荷在峰值附近持续的时间非常短，而峰值附近的一定范围内负荷接续时间也较短，全年累计只出现几个小时。如果按负荷峰值来选取设备的总装机容量，势必会导致部分机组在相当长的时间里基本处于闲置状态。

表1 某项目冷负荷全年累计小时数

如按全年累计不保证50 h的原则选择项目的总装机容量，则取最大负荷的80%左右作为总装机容量的最大值较为合适。

2.2 项目主机及主要辅机的选择

以天然气为燃料的分布式能源站的主机通常按“以冷热定电、主机装机欠匹配”的原则选型，以保证经济效益最大化。

所谓“以冷热定电”，就是以优先满足供冷供热的原则确定主机及主要辅机的装机容量及台数，电负荷作为参考。

主机及主要辅机的装机形式，主要根据负荷的性质及各种负荷大小情况来定。例如，项目的负荷主要以工业类的工业蒸汽为主，制冷、采暖及生活热水负荷为辅，则宜采用燃气轮机+余热锅炉+汽轮机作为主机及主要辅机，并根据制冷、采暖及生活热水负荷的情况选配余热溴化锂机、换热器等作为余热利用设备，选配电制冷机或直燃机、冰蓄冷设备、热泵等作为调峰设备(可以选择其中的1种或多种设备相结合)；如果项目的负荷是以建筑类的制冷、采暖及生活热水为主，则宜采用内燃机+余热溴化锂机+换热器为主机及主要辅助设备，并辅以直燃机或电制冷机、燃气热水锅炉、冰蓄冷设备及热泵等作为调峰设备。

另外，主机的选择通常还受建厂条件的限制，对于有地上建厂条件且主要负荷为工业用汽的工业园区，可考虑选择燃气轮机作为主机；但对于以商业、办公、酒店、医院等商务园区负荷为主，没有地上建厂条件且负荷又以制冷、制热及生活热水为主的，宜选择内燃机作为能源站的主机。

所谓“主机装机欠匹配”，是指在选择主机装机时，使主机所能提供的冷热能力可满足项目的基本负荷即可，不足部分由调峰设备补足。这种确定主机装机的方式，可以实现项目的综合经济效益最大化。

目前，主机发电机如内燃机发电机、燃气轮机发电机多为国外进口，国内虽然也有少数厂家生产，但价格非常昂贵。与主机配套的主要辅机如余热溴化锂机、余热锅炉和汽轮机等，目前虽已实现国产化，但主机发电机的投资加上余热设备的总投资，在整个项目中所占比例相当大，通常为总投资的50%～75%。因此，主机发电机及余热设备的投资是影响项目收益的主要因素，会直接影响整个项目的投资经济收益及投资的回收年限。如果主机发电机的容量及台数选择不合理，无论是偏大还是偏小，都会降低项目的投资收益率并延长投资的回收年限。

也就是说，一个项目经济效益的好坏，主要看该项目的冷热电三联供部分能否充分发挥作用。如果一个项目主机发电机的总装机容量偏大，会因实际运行中没有足够的负荷导致主机长期在低负荷、低效率下运行，或停运的时间较长，使部分主机处于闲置状态。投资大收益小，势必会降低项目的经济收益，延长投资回收期。

当然，“主机装机欠匹配”必须在一个合理的范围内，并不是欠得越多越好。如果一个项目主机发电机的总装机容量低于合理的范围，也会降低项目的经济收益，并延长投资回收期。这主要是由于分布式能源站项目的主要收益来源是冷热电三联供部分，调峰设备部分的收益非常低。当主机发电机的总装机容量偏小时，冷热电三联供的供能能力将会发挥不足，不足部分靠直接消耗天然气及电能的收益极低的调峰机组来提供，势必会导致整个项目的收益欠佳，投资回收期延长，经济效益较差。

综上所述，只有项目的总装机容量及主机装机容量选择合理，才能保证项目总的经济效益达到最佳。

3 调峰设备的选择

由以上分析可知，以天然气为燃料的分布式能源站除了需要配置合适容量的主机设备外，还要配置合适的调峰设备，以满足项目负荷的总量需求。

调峰设备有多种，常规的可以选择电制冷机、燃气锅炉、直燃机作为调峰设备，还可以采用冰蓄冷、热泵(风源、水源、地热源)等调峰方式,每种方式都各有其优点和不足。如电制冷机、燃气锅炉调峰系统较简单，产品较为成熟，设备价格相对较便宜，控制调节也较简单，但电制冷机耗电较多，燃气锅炉也需要直接消耗天然气，且这2种设备只能在夏季或冬季单个季节使用，为了保证项目的供冷供热，需要电制冷机与燃气锅炉配合使用，占地面积较大；直燃机可以同时具备制冷制热功能，甚至还可同时提供生活热水，即实现一机多用，占地面积较小，但设备价格相对较高，且需要直接消耗天然气；冰蓄冷方式在夏季可以利用发电设备多余的电量及夜间的低谷电进行蓄冰，制冷负荷高峰时再将冷量释放出来用于制冷，对电网起到削峰填谷的作用，但冰蓄冷方式由于蓄冰设备的价格相对较为昂贵，在蓄冰和融冰的转化过程中能量转换效率较低，且只能运行在制冷季节，一年中可利用的时间较短，对经济性会有较大影响；热泵方式，无论是空气源热泵、水源热泵，还是地源热泵，因可以利用室外空气、地下水、工业废水或地下土层等的低温热源进行供冷供热，能将在其他地方无法利用的低品位热量用于供冷供热，但其同样受到一些条件的限制，如对于空气源热泵，因其用于调峰，调峰时段空气温度接近最低或最高，在此情况下，空气源热泵的运行效果并不理想，经济性也较差；地下水热源虽不太受环境温度的影响，温度较为恒定，是较好的热泵低温热源，但因受项目所在地的地质情况及场地大小的限制，往往不容易实现；其他水源热泵及地源热泵，也只有找到相应的合适水源或地热源才可使用。

因此，分布式能源系统调峰设备的选择需根据项目的具体情况进行分析，可以选择1种或2种设备，也可以几种调峰设备配合使用，但无论如何选配，均应从系统的简单、安全、可靠、经济等角度进行综合分析论证。

4 系统排烟温度的确定

排烟温度是影响项目经济效益的又一个主要因素。

确定以天然气为燃料的分布式能源站系统排烟温度时，一方面要考虑其对能源综合利用率及经济性的影响，另一方面还要考虑其对尾部烟道的腐蚀。从能源综合利用率方面考虑，排烟温度越低越好，但排烟温度越低，需要的尾部换热面积越大，设备初投资越大，投资回收期要延长。排烟温度低至一定程度时，还会引起尾部烟道腐蚀。导致烟道发生腐蚀的排烟温度值，需通过计算并结合实际的工程经验来确定。

通常情况下，由于考虑尾部烟道的腐蚀，设备的排烟温度一般设计得较高，余热锅炉的排烟温度一般设计在120 ℃以上，烟气余热溴化锂机组的排烟温度通常设计在145～170 ℃，如此高的排烟温度，对项目经济性的影响较大。

从天然气供应公司提供的燃料成分看，天然气中硫元素的体积分数为0.000 2%左右，且通常以H2S的形式存在于天然气中，低含硫量的天然气燃烧后所产生的烟气中SO2的含量也非常低。通过计算，每标准立方米的烟气中仅含有约5.9×10-8m3(0.170 0 mg)的SO2，转化为SO3后(如按3%比例考虑)，每标准立方米的烟气中SO3的含量约为1.8×10-9m3(0.006 3 mg)。根据已投入使用项目的运行数据，天然气燃烧后所产生烟气的酸露点为60～70 ℃，比燃煤电厂的排烟酸露点低得多。因此，完全可以继续降低排烟温度，如在设备的尾部或烟道上加烟气热水换热设备，将烟气温度降到一个相对合理的范围内，在保证烟气顺利排出的情况下，使烟气中的热量得到最大程度的回收利用，以提高能源站的综合能源利用率。

表2是以天然气为燃料的分布式能源站系统排烟温度的变化对能源站综合效率影响的计算数据。

表2 排烟温度对能源站综合效率的影响

由表2可知，对于以天然气为燃料的冷热电三联供的分布式能源系统，当排烟温度由145 ℃降到70 ℃时，能源综合利用率可提高约5.0%，提高幅度较大，对项目经济效益的影响也较大。

5 电力接入与送出形式的选择

一个项目通常根据电负荷的大小及主机的装机情况来确定电力的接入、送出形式。

5.1 电力上网形式

当项目的电负荷较小、分布式能源站所发出的电量不能完全被厂用电及项目范围内的其他用户所消化时，需将能源站所发出的多余电量进行上网销售，即电力送出。此情况多用于工业园区内以工业用汽负荷为主的项目。

5.2 电力并网不上网形式

当项目的电负荷较大、分布式能源站所发出的电量不能满足厂用电及项目内部的其他用户的总需求时，需要从电网下电对不足的电量进行补充。此时，可考虑采用并网不上网的形式，优先使用本能源站发出的电，不足部分从网上输入补充，即电力接入。此形式多用于建筑类园区以制冷制热负荷为主的项目。

5.3 电力孤网运行形式

此形式通常又被称为“微网运行”“孤岛运行”，即电力既不并网，也不上网，此形式通常在上网或并网较难实现的特殊时期或特殊地点等情况下采用。但从几个建成的项目(如燃气大厦项目、北京南站项目等)看，此类项目因电力无法并网或上网，运行情况并不理想，且经济效益也较差。

由上述分析可知，即使项目的负荷基本与分布式能源站所发出的电量相匹配，但由于电负荷是动态变化的，在考虑主机装机容量时，还是应综合考虑冷热电3种负荷的匹配情况，并尽量采取电力并网或上网的形式。

6 结束语

以上是对以天然气为燃料的分布式能源站系统集成设计过程中几个关键问题的分析和总结，为分布式能源站系统集成设计提供一点参考，以促进分布式能源产业健康发展。

参考文献：

[1]金红光，郑丹星，徐建中.分布式冷热电联产系统装置及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

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