冷热电三联供系统在民用建筑中的应用

2013年笔者主持设计了某办公楼中的冷热电三联供系统,期间参与了系统建设的论证,查阅了大量资料,并多次外出调研参观学习,同时与相关专业充分沟通配合,圆满完成了该工程的电气设计任务。本文介绍冷热电三联供系统建设的论证过程和技术经济分析,以及配电系统的设计思路,供同行参考。

1 分布式能源的概念及国家相关政策、规范

分布式能源是一种建立在用户端的能源供应方式,可独立运行,也可并网运行, 是以资源、环境效益最大化来确定能源种类和容量,并将用户的多种能源需求以及资源配置状况进行系统整合优化后,采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统,是相对于集中供能而言的分散式供能方式。

分布式能源包括太阳能利用、风能利用、燃料电池以及燃气冷、热、电三联供等多种形式,可以与电力、热力、制冷与蓄能技术结合,以满足用户的多种需求,实现能源梯级利用,并通过公用能源供应系统提供支持和补充,实现资源利用最大化。

2011年3 月1日CJJ145-2010《燃气冷热电三联供工程技术规程》开始实施, 该规范1.0.2 表明:本规程适用于以燃气为一次能源,发电机总容量小于或等于15 MW、新建、改建、扩建的供应冷、热、电能的分布式能源系统的设计、施工、验收和运行管理。同年,Q/GDW480-2010《分布式电源接入电网技术规定》也开始实施,标准规定了新建或扩建分布式电源接入电网时应遵循的一般原则和技术要求。

上述规范标准的实施为民用建筑中三联供系统的应用提供了设计依据。

2 天然气冷热电三联供的原理

天然气冷热电三联供, 又称CCHP(Combined Cooling,Heating and Power),作为众多分布式能源中的一种形式,主要由两部分组成—发电系统和余热回收系统。发电系统以燃气内燃机燃烧洁净的天然气来驱动发电机发电;余热回收系统包括余热锅炉和余热直燃机等,该系统对发电做功后的余热(内燃机排出的400 ~ 600℃ 的烟气)进一步进行回收,供给吸收式制冷机组(溴化锂制冷机组)用于制冷,供给余热锅炉用于采暖和提供生活热水等。最终能源利用效率可以达到80%以上,这是一种高效节能环保的新型能源利用方式,天然气冷热电三联供系统运行原理如图1所示。

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内燃机以天然气为能源,通过天然气燃烧将天然气中约37%的能量转化为电能,其余大部分能量是在烟气余热和内燃机缸套水介质中,约占63%的天然气能量,这些热量被余热系统回收用来产生所需冷和热。系统可由高度智能化的控制系统集中控制,实现发电机组和余热回收系统的联锁运行,在不同的冷热电负荷情况下可以按不同的运行方式运行,同时还可接入建筑设备管理系统,实现远程控制。图2为三联供系统的天然气能量梯级利用框图。从图中可以看出,天然气的能源利用率约为87%,剩余的13%为不足100℃的烟气和内燃机的缸套水温,此部分能量尚无法充分利用,这也是天然气的能量损耗部分(目前厂家产品和工程实例等均表明天然气内燃机发电机组有35% ~ 40%的能量转换为电能,本文中为便于计算说明,表述为“约37%”,余热回收约50%同理)。

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3 民用建筑三联供系统方案分析

分布式冷热电三联供系统的建设首先要确定的是“以热定电” 还是“以电定热”。这是三联供系统的两种运行方式。“以热定电”是以热需求(冷热负荷)为基准,来确定系统的电力输出;相反,“以电定热”则是以电负荷需求为基准,来确定系统的热需求(冷热负荷)输出。下面以某办公楼为例进行分析。

3.1 建筑概况

该办公楼建筑面积5.2 万m2,其中地下1.4万m2用于停车库,地上3.8万m2主要用于办公,建筑高度99m,地上23 层。能源中心设于楼外,夏季供冷、冬季采暖面积为地上的3.8万m2

3.2 全楼用电负荷分析

季节性负荷为全楼夏季供冷和冬季采暖及其配套设备的用电负荷,由于采用三联供系统,制冷机组的能源和采暖热水的能源为发电机余热,所以能源中心的用电负荷(主要为溴化锂机组和循环水泵) 较小,且由于与三联供系统同步运行,能源中心的用电负荷由发电机组提供即可。所以在向供电部门申请用电时

可不考虑此部分负荷。

非季节性用电负荷需求,采用单位指标法进行计算:车库负荷按15W/m2 计共约210kW,办公照明等负荷按35W/m2计共约1330kW,特殊设备(22 层、23 层有部分实验设备)300kW,共约1840kW,这是全楼常年运行的非季节性计算负荷,由于三联供系统仅在夏、冬季运行,所以非季节性负荷仍需取得市电电源,确保全年正常运行。春、秋两季此部分负荷由市电供电,冬、夏两季此部分负荷首先由发电机组供电,缺口部分由市电补充。这也就决定了发电机组必须与市电并网运行。

3.3 全楼冷热负荷分析

全办公楼夏季空调冬季采暖面积3.8万m2, 暖通专业提供的夏季空调总计算负荷约5050kW,如果全部采用内燃机的余热进行转换,则需要发电机持续稳定输出功率约[(5050kW /1.1)/50 %]×37%=3397kW(吸收式制冷机组采用溴化锂机组,是以热力驱动制冷机组,热力系数为1.1);同理,暖通专业提供的冬季采暖总计算负荷约3465 kW,如果全部采用内燃机的余热进行转换,则需要发电机持续稳定输出功率约[(3465kW/0.8)/50 %]×37%=3205kW(内燃机余热驱动余热锅炉生产高温热水,高温热水经板式换热器生产采暖热水,供全楼采暖负荷,其中的转换效率暖通专业取0.8)。但是,全楼的非季节性用电总负荷仅为1840 kW,不能全部消化上述发电机的发电量,即驱动发电机内燃机的余热既不能保证冬季采暖负荷,更不能保证夏季的空调制冷负荷。所以“以热定电”在本办公楼中不能实现,只能“以电定热”。即先根据全楼用电负荷,确定发电机的额定功率,然后再根据驱动发电机内燃机的余热量,确定所能够转换的采暖负荷或空调负荷,这样针对整个办公楼的采暖负荷或空调负荷的缺口部分,再设置天然气直燃锅炉补充,与余热锅炉并列运行,确保整个办公楼的采暖负荷和空调负荷需求。

3.4发电机组容量确定

发电机组额定容量的确定,需以全楼用电负荷的计算负荷作为依据,同时兼顾经济性和社会效益。

后文将会提到,燃气三联供系统较传统的市电供电(电动压缩制冷) 还是稍微节约一些的,这种情况下,发电机组的容量越大,经济性也就越明显。同时,分布式能源本身就是一种节能环保的措施,虽然少用了公用电网的电能而多消耗了天然气,但相比燃煤火力发电,天然气是清洁能源,无污染,同时能源也得到了梯级充分利用,社会效益明显。综上,在该项目的方案论证过程中,笔者建议尽可能提高三联供系统的规模,达到充分显示三联供系统节能效益的目的。

目前较为普遍的情况是进行负荷计算时,计算结果往往偏大。如按单位指标法,办公楼用电指标为30~70 W/m2,若取其上限70W/m2,则去除电动压缩制冷空调系统用电35W/m2,办公楼中的照明、动力用电负荷约35W/m2。笔者调研过某办公楼,按35W/m2计算的照明、普通动力用电变压器设计负载率在60%,但实际运行中变压器负载率不超过30%。所以前述本办公楼的负荷估算1840kW是偏大的。

因此, 经与暖通专业设计人员多次沟通协商,本工程最终选用两台700kW的天然气发电机组,使发电机的总安装容量略低于本楼除空调外的总用电负荷,保证发电机组能满负荷投入运行,并确保内燃机所提供的余热能够持续稳定,尽量避免制冷系统和采暖系统的运行工况出现频繁的、幅度较大的波动。天然气发电机组的发电量供全楼用电,机组发电与公共电网并网,并保证三联供系统产电被优先使用,市电作为补充。由于发电机组容量不大,其额定电压确定为0.4kV,这样可便于发电机组在变压器低压侧并网运行,也避免了10kV发电机组并网时与供电部门协调的麻烦。

3.5 配电系统主接线型式

发电机组台数的确定与办公楼的供配电系统有密切关系。本办公楼为一级负荷用户,由两路10kV双重电源供电,设置两台降压变压器分列运行。设置两台发电机组可以分别与两台变压器并网运行,使配电系统可靠、简单、合理,电气系统主接线如图3 所示。

4   民用建筑三联供系统方案技术经济分析

一般情况下,对于冬季需要供热、夏季需要制冷的城市,用户的解决方案大致有两种:一是需夏季购买电能制冷、冬季购买市政热能采暖;二是购买天然气采用直燃机解决夏季制冷冬季采暖的需要。当用户采用分布式能源三联供系统时, 其建设费用将会大于上述两种技术方案的建设费用,但它的优势在于实际运营阶段的经济性明显优于其他方式。技术经济方案对比后发现,三联供系统新增的投资费用主要发生在燃气发电机组投资等方面,但是用户可在自发电费用中节约开支。同时,三联供系统的能源利用率更高,经济效益、社会效益也更明显。

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4.1 年发电量折算

两台机组均按700kW工况连续运行,每日8h,每年制冷采暖季共按200日计算,年工作1600h,每年发电量共为224万kWh。同时,发电机组产生的余热为(224/37%)×50%= 303万kWh,此部分余热驱动溴化锂制冷机组制冷,热力系数按1.1 计,共可产生333万kWh的冷量。如果采用电动压缩机制冷获取相当的冷量,制冷效率(COP值)按4计,则消耗电量为333/4= 83.3万kWh。此为被利用的余热所相当的电量,即余热利用所节约的电量。

所以,可视为供给发电机组内燃机的天然气能源充分利用后相当于产生了224 +83.3= 307.3 万kWh电能。

4.2 每年消耗天然气费用

每一标准立方米(Nm3)天然气的热值为36MJ,其中的37% 转化为电能,即内燃机组可发电3.7kWh。按年发电量224万kWh,则年耗气量为60.5万m3,天然气按3.61元/m3(济南地区价格)计,年耗气费用为60.5×3.61= 218.4万元。折合发电单价218.4/307.3 =0.71元/kWh。

4. 3 年运行费用

a.人员及管理费用:电站需运行管理技术人员按2人计,每人每年按5万计, 则人员费用为10 万元。折合发电单价10/307.3 = 0.0325元/kWh。

b.机油消耗费用:机组的机油消耗率为1.5g/kWh,按700kW×2 连续工作运行,年工作1600h,两台机组每年消耗机油3360kg,机油价格为6元/kg,则机油费用为2.016万元。折合发电单价2.016/307.3 = 0.0066元/kWh。

c.设备折旧费用:每台机组价格为70 万元,按运行20年报废,残值率按5% 计,两台机组每年的折旧费用约为6.65万元。折合发电单价0.022元/kWh。

d.维护及配件费用:每台机组每年5万元,合计为10万元。折合发电单价10/307.3 = 0.0325元/kWh。

e.发电机组占地费用:由于增加发电机组,约增加了50 m2的占地面积,1m2面积价格按3000元计,占地费用约为15 万元。按运行50 年计,每年的占地费用为0.3万元,折合发电单价0.3/307.3= 0.001元/kWh。

4.4 折合发电单价

综上,折合发电单价为(0.71+ 0.0325 +0.006 6+ 0.022 + 0.0325 + 0. 001)= 0.8046元/kWh (经查询,一般济南工商业用电价格:1~10 kV 为0.89元/kWh)。

4.5 回收年限分析

每年发电量为224万kWh,每kWh自发电折合单价与市政电网的差价约为0.08 元;每年电费差价为224×0.08= 17.92 万元;发电系统相关设备投资约70×2(发电机组价格)+ 15(设备占地面积所用费用)= 155万元;投资回收年限约155/17.92≈ 9年。

通过以上分析,采用冷热电三联供系统经济优势明显,比联网用电单价略低。但从投资回报来看优势不明显。本工程作为示范性项目,如果政府能够适当对天然气价格实行特殊补贴,将会有明显的经济效益和社会效益。

5 民用建筑三联供系统应用总结

a. 能源梯级利用,综合利用率较高。冷热电三联供系统其综合能源利用率可接近90%。从能量品质的角度看,燃气锅炉的热效率虽然也能达到90 %,但是它最终产出能量形式为低品位的热能,而三联供系统中将有37% 左右的高品位电能产出,电能的做功能力是相同数量热能的2倍以上,所以三联供系统的综合能源利用效率比燃气锅炉直接燃烧天然气供热高得多。另外,系统建设在用户附近,与传统长距离输电相比,还能减少6% ~7% 的线损。

b. 对燃气和电力有削电力之峰填燃气之谷的作用。我国大部分地区冬季需要采暖,夏季需要制冷。大量的空调用电使得夏季电负荷远远超过冬季,即电力使用的高峰出现在夏季。而目前50% 以上的天然气消费量用于冬季采暖,即燃气使用的高峰出现在冬季。采用燃气三联供系统,夏季燃烧天然气制冷,增加夏季的燃气使用量,减少夏季空调的电力负荷,同时系统的自发电也可以降低电网的供电压力。

c.清洁环保,减少碳排放。天然气是清洁能源,燃气发电机组采用先进的燃烧技术,燃气三联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准。根据美国的调查数据,采用冷热电三联供系统分布式能源,写字楼类建筑可减少温室气体排放22.7%,商场类建筑可减少温室气体排放34.4%,医院类建筑可减少温室气体排放61.4%,体育场馆类建筑可减少温室气体排放22.7%,酒店类建筑可减少温室气体排放34.3%。

d.与电网互相支撑,提高供电安全性。冷热电三联供系统的发电机组作为备用电源与市电并网运行,提高了供电的可靠性。在春秋季系统不运行时,发电机组亦可作为备用电源,尤其是对于医疗、酒店等建筑节约了柴油发电机组的安装投入。

本文来源于互联网。


文章分类: 电气
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