区域分布式能源规划方法探讨

2013-12-25阮红权欣孙森才陆建荣

上海节能 2013年5期

阮红权高欣孙森才陆建荣

1.同济大学经济与管理学院 2.上海新奥能源科技有限公司3.上海石油化工股份有限公司

统计数据显示，2011年中国GDP能耗为512 tec/百万美元（按汇率计），远高于252tec/百万美元的世界平均值[1]。从能源结构的角度进行分析，以煤为主的能源体系是单位GDP能耗过高的主要原因，并导致C O2排放强度高，环境压力大。天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源。采用已经在发达国家成熟应用的分布式冷热电联供能源系统（DES/CCHP）是逐步建立我国无碳/低碳能源体系的必经之路[2]。本文以某国家级生态园的DES/CCHP为例，探讨区域分布式能源系统的规划方法。

1 区域DES/CCHP的优势

楼宇DES/CCHP的特点是冷热电都在一栋或领近的几栋建筑物内直供，输送距离短，建设运行较为简单，但其经济性容易受到负荷变化的影响。区域DES/CCHP，其供能对象可能同时包括酒店、写字楼、商场、居民住宅和工厂等，占地面积在几十平方公里以下，建筑面积巨大，容易实现负荷错峰和优化供给，因而系统能效高，单位产能造价低，经济性好，但其建设运行复杂。

中国正处在加速城镇化的进程中，由于受土地资源限制，各种高科技园区、开发区、新城中的多种功能区块都是规划在一起的，这就提供了冷、热、电、工业蒸汽、生活热水、天然气多种负荷集成互补、能够充分梯级利用能源的有利条件。

2 生态园项目概况

规划区域DES/CCHP的某国家级生态园，占地面积约12km2，总建筑面积达75万m2，主要用于住宅、商业、金融业、文化娱乐、体育、教育科研、医疗卫生、电子科技工业、机械工业等。规划居住人口6万，目标打造成我国“两型社会”示范城。

3 区域DES/CCHP规划与其它规划的关系

生态园开发是个庞大的系统工程，涉及概念性规划、指标体系、产业规划、控制性规划和区域DES/CCHP规划，各个规划相辅相成，构成生态园总体规划不可或缺的一部份。产业规划提供产业布局等信息，控制性规划提供建筑和市政设施规划信息，这些信息都是编制区域DES/CCHP规划的基础。反之，区域DES/CCHP规划又用于产业规划、控制性规划和指标体系的调整。区域DES/CCHP规划与其它规划的关系如图1所示。

4 可利用能源分析

规划过程中确认的区域DES/CCHP可利用能源有常规能源、可再生能源和未利用能源。

图1 区域DES/CCHP与其它规划的关系

第一、常规能源：电力、天然气、热力。距生态园最近的电厂采用燃煤热电联产工艺，可通过国营电网公司的变电站接入生态园。天然气将通过中压管线从最近的门站引入。附近的热电厂可提供富裕的一部分采暖热水或蒸汽。

第二、可再生能源：太阳能、风能、生物质能。生态园全年太阳能辐射总量为5040MJ/m2，年均日照时数2550h，属太阳能资源三类地区（中等地区）。可适量采用太阳能光伏光热一体化技术，满足部分电力和生活热水需求；在夏季热水富裕时作为吸收式空调机组的热源。所在区域有效风能密度240W/m2，有效风能年均时间达6485h，宜在紧邻生态园的山脊上建设小型风电场。生态园主干道照明可采用风光互补路灯。生态园每年将产生生活垃圾约2.3万t，经生物厌氧发酵后产出的沼气可供DES/CCHP自用。

第三、未利用能源：浅层地热能，生态园土壤综合导热系数1.5 W/(m.℃)，平均容积比热1.85×106J/(m3.℃)，适宜建设地源热泵。生态园水域面积近60公顷，然而生态园所在地区冬季寒冷，水面结冰后换热效果差，不适宜采用水源热泵技术。

5 负荷预测

按照建筑（分公共建筑和住宅）、工业和交通三大耗能领域进行负荷预测，生态园负荷类型如表1所示。

传统能源设施规划进行负荷预测时，一般按某个单位面积负荷指标，然后乘以总建筑面积，往往还要再按大于1的安全系数放大。本项目为避免负荷的高估冒算，采用设计手册推荐值+DeST软件模拟的方法，得到不同类型建筑的设计冷热电负荷值、24小时分时冷热负荷系数以及全年8760小时的逐时负荷变化系数。分地块计算并累加得到整个生态园的分时冷热电负荷。天然气负荷主要包括居民用气量、公建用气量、工业用气量、交通用气量、DES/CCHP自身用气量、其它未预见用气量。蒸汽负荷根据工业性质选取工艺耗汽指标进行预测。根据生态园人口估算日均热水负荷。

表1 应用环节负荷类型

生态园能源系统的用能环节类型多样，在用能时间上具有一定的互补性（如图2所示生态园中，其中一个地块的不同类型建筑热负荷的互补），因而可以有效降低用能负荷。

6 区域DES/CCHP的集成优化

本项目的区域DES/CCHP应用系统工程方法，在对各种冷、热、电、工业蒸汽、生活热水用户变负荷统计、分析的基础上，采用各种天然气做功发电技术、制冷技术、热泵技术、可再生能源利用技术以及强化传热技术，集成优化而得到的组合方案，是现代系统科学、信息科学、管理科学与各种能源转换、传递科学和技术的集成。区域DES/CCHP在能源生产环节实行“高能高用、低能低用”。其经典模式是：

第一、对各种规模的火电厂或热电厂，采用“蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。

第二、以燃气轮机发电的冷热电三联供系统，适合采用“燃气轮机+烟气（补然型）溴化锂吸收式冷热水机组”模式。

第三、以燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电的冷热电三联供系统，适合采用“燃气轮机+余热锅炉（补然型）+蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。

投资额大的系统（CCHP、光伏、风能等）装机容量占系统负荷的20%，而其年累计供能量达到整个能源系统的85%。投资额小且运行费用又相对高的系统（离心机制冷系统、锅炉采暖系统等），其装机容量的比例达到35%，主要用于调峰，但其年累计供能量仅占整个能源系统的10%左右。这样就在保证尖峰负荷需求的同时降低了系统投资和年运行费用。

表2是生态园部分区块能源系统主要设备装机容量、年累计供能量比例的数值分析：投资高的燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电系统，年总供能量比例高于其设备规模比例，而投资额小运行费用较高的燃气锅炉，其设备规模占5.44%，但其供能量只占到0.36%。

表2 生态园主要设备装机容量及年累计供能量比例

7 区域分布式能源系统布局

本案例中产业区块的工业蒸汽和电负荷需求量大，因此就近建设以燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电为核心的大型DES/CCHP。公共建筑、住宅对冷热的需求量大，因此就近建设以燃气轮机发电为核心的小型DES/CCHP。大型DES/CCHP生产的蒸汽、余热，可以作为能源输入小型DES/CCHP。一个大型DES/CCHP带若干个小型DES/CCHP的运行方式，可以有效解决生态园的负荷需求，且通过互相调配的方式，可有效降低整体设备规模。

区域DES/CCHP用气压力高、用气量比居民大得多，就近建立压缩天然气/液化天然气（CNG/LNG）充储站，可以满足资源供应中断时应急用气需求，也可实现区域用气削峰填谷。

交通节能是低碳园区的重要方面，加气、充电站的建设将助推这一目标的实现。

8 规划结果

第一、能源利用评价。区域DES/CCHP与基准系统进行节能量对比，两者的供能形式如表3所示。

生态园基准系统能源能耗量为29.5万tce/a，区域DES/CCHP为14.5万tce/a。与基准系统相比，区域DES/CCHP每年节省标煤15.0万tce，节能率达到50.7%。节能量测算结果见表4。

第二、经济性评价。规划中建议成立专门的运营公司，特许经营生态园能源系统。该公司的收入包括：供冷热收入、售电收入（其对象为国营电网公司）、供生活热水收入、工业蒸汽销售收入、配套费收入、容量费、以及政府补贴收入。假定对DES/CCHP发电机组提供1000元/kW的补贴，并享有“三免三减半”的税收优惠政策时，能源系统税后内部收益率约11%，静态投资回收期10年左右。

表3 区域DES/CCHP与基准系统供能形式对比

表4 区域DES/CCHP节能量计算结果

第三、利益相关方评价。区域DES/CCHP可以节省开发单位大量基础设施建设费用并提升其品牌，因而开发单位非常欢迎引入这样的“高科技”项目。供应采暖热水、空调冷水、生活热水和工业蒸汽的价格，一般等于或稍低于用户采用常规设施的费用，并且因为节省了用户的大部分常规设施的费用，所以用户将获得可预期的利益。生态园的相对规模较大的能源系统对于电力峰谷差的平衡和电网安全的保障是有贡献的，所以对电网公司也是有利的。天然气公司也一样，其所经营的管道也有流量稳定性的问题和峰谷负荷的问题，从压力比较高的管网上售气及售给比较大的用户有利于整个管网的平衡管理。