马平 申能(集团)有限公司

潘军松 上海申能能源服务有限公司

天然气分布式供能系统的建筑节能应用

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申能能源中心大楼位于上海市闵行区虹井路，建筑面积4.9万m2，其中，地上建筑面积3.4万m2，地下建筑面积1.6万m2。申能集团公司作为大楼建设投资方积极响应上海市政府推广分布式供能的号召，在该大楼的建设设计过程中充分贯彻了能源供应的低碳概念，采用了天然气分布式供能（冷热电联供系统）等多种建筑节能利用技术。该分布式供能系统由一台美国原装的Capstone C200低压型（自带燃气增压机）微型燃气轮机发电机组、两台日本Yazaki CH-KE4040烟气补燃型溴化锂冷温水空调机组（单台额定制冷量为141kW、额定制热量为134kW）、配电柜、PLC自动控制柜、并网柜、系统检测仪表、泵、阀、冷却塔（循环冷却水系统）等辅助设备等组成。系统发电机组的额定功率为200kW。

1 分布式供能系统

1.1 发展概况

分布式供能技术(DES)又称作冷热电三联供技术(CCHP)，是指利用一种形式的一次能源同时生产冷、热、电力三种不同形式的能量来满足用户用能需求的能源集成技术。DES技术被认为是目前最具经济性的天然气利用方式之一。与传统的集中供能形式不同，分布式能源技术在用户处进行三种形式能量的同时生产，可避免长距离输送的损耗，通过能量的梯级利用，将高品质的天然气优先做功，回收余热后生产冷量或热量，大大提高了一次能源利用率。对于夏季需制冷、冬季需供热的建筑，以及空调负荷很大的车间、热负荷较大的加热干燥等工艺，DES系统可提供更大的供能灵活性。

由于天然气DES系统具有很高的能源效率、经济性和环保性能，近年来在全球范围内已获得越来越广泛的应用。作为一种先进的集成能源系统，DES将热力学上的合理性转化为运行中的经济性，将发电后常规系统通常排放的余热提供给余热回收装置或者热力设备，大大提高了能源效率，一次能源利用率可以高达70%～90%，而典型的集中式电站仅仅为30%～45%。

国内以天然气为一次能源的DES技术出现于上世纪90年代。目前国内陆续建成了一批天然气三联供示范项目，如上海浦东国际机场、上海闵行区中心医院、上海花园饭店、上海华夏宾馆、上海仁济医院、广州大学城等。

1.2 系统原理和构成

分布式供能系统主要由原动机、余热利用设备、电气系统、发电机控制系统、辅机控制系统、排气系统和通风系统等组成。

（1）原动机将天然气的化学能转化为机械功，同时对系统余热进行回收利用。这种先功后热的做法可以最大限度地提高能源利用率，避免直接燃烧造成的可用能损失；从所转化的功来看，绝大部分系统是用来驱动发电机发电，也有用来驱动制冷/制热设备工作的。

（2）余热利用设备包括余热锅炉，烟气、热水、蒸汽型溴化锂机组等。余热利用建议应用模式上优先用于热水和采暖，后制冷，但在设备布置次序上则依次为吸收制冷机组、采暖换热器、供热水换热器。

（3）排气系统由尾气回收器、消音器和烟囱组成。

（4）电气系统根据发电机与电网的运行关系进行设计，主要包括保护模块和隔离开关。

（5）通风系统由送风机和排风机组成。

运用在申能能源中心的系统发电机组采用“并网不上网”的运行模式，机组所发电力并在低压母线上，发电机组排出的高温烟气进入烟气补燃型溴化锂空调机组经吸收利用后，冬季产生温水进入大楼供热系统，夏季产生冷水进入冷水系统，系统原理见图1。

图1 系统原理图

2 系统试运行情况和效率测算

2.1 系统试运行情况

申能能源中心分布式功能系统从2011年1月～2011年9月进行了调试和试运行工作。1月份进行了72小时连续满负荷的发电机可靠性测试，空调机组并未投入调试，暂时定义空调机组供热量为134kW，即设备额定工况下的制热量。

2.2 系统效率测算

由于环境温度对机组发电功率影响很大，发电功率的变化又对整个系统的效率产生一定的影响。下面根据试运行的数据分别计算不同工况下的系统效率。

（1）1月份为冬季供暖期，温度低，机组发电效率高。

输出总量=电量+热量=197.58+268=465.58kW

输入总量=微燃机天然气耗量+空调机组补燃天然气耗量=65.17+0=65.17Nm3/h

系统效率=输出总量/输入总量=(465.58×860)/(65.17×8500)=72.28%。

式中，天然气热值取8500kcal/Nm3（下同）。

（2）5、6月份为过渡期。由于系统烟气阀组故障，5月份，机组降负荷运行。6月份，气温开始上升，发电功率略有降低。

输出总量=电量+热量=155.23+260.27=415.5kW

输入总量=微燃机天然气耗量+空调机组补燃天然气耗量=51.82+7.64=59.46Nm3/h

系统效率=输出总量/输入总量=(415.5×860)/(59.46×8500)=70.7%。

（3）7、8月份为夏季供冷期，正是大楼各方面负荷需求量大的时候，机组也能处于高负荷区内运行。

输出总量=电量+冷量=162.03+270.6=432.63kW

输入总量=微燃机天然气耗量+空调机组补燃天然气耗量=58.83+3.33=62.16 Nm3/h

系统效率=输出总量/输入总量=(432.63×860)/(62.16×8500)=70.42%。

从上述数据看出，整个系统运行还是比较稳定的。虽然发电机组功率受环境温度影响较大，但尾部烟气余热得到了利用，整个系统效率不是下降很多。

（4）9月份为过渡期供冷，白天气温还是比较高，但与和7、8月份相比气温已经降低，发电功率略有增加。

输出总量=电量+冷量=168+335.83=503.83kW

输入总量=微燃机天然气耗量+空调机组补燃天然气耗量=59+9=68Nm3/h

系统效率=输出总量/输入总量=(503.83×860)/(68×8500)=74.96%。

从上述数据看出，空调机组的制冷量高于其他月份的。这可能是由于在供回水温差不大的情况下，出水温度抬升，使制冷机效率提升，随之制冷量增加的缘故。9月份气温较之前有所回落，只需启动分布式供能系统就可以满足大楼负荷需求，实现过渡季节最优的运行模式。

以上为不同工况下的系统效率，平均下来系统的效率为72%左右。效率计算中都没有扣除自用电部分。自用电主要是风机、冷却水泵的耗电。夏季供冷，空调机组需要冷却水，冷却塔运行。由于机组设置在地下室，冷却塔设置在裙楼顶层，冷却水泵的扬程较大，自用电增加。扣除自用电后，系统效率会明显下降。冬季供暖，冷却塔停运，自用电下降。同时环境温度下降，发电效率较高，因此系统效率高于夏季。

3 节能经济分析

3.1 分布式功能系统经济性分析

3.1.1 微燃机发电输出成本价格

本系统按照冬季采暖期和夏季制冷期进行计算消耗天然气的成本价格,根据表1中运行参数采暖期和制冷期每立方米天然气所发电量分别为3.048kWh和2.946 kWh,按表2天然气价格计算后发电成本分别为0.797元和0.825元。

表1 微燃机组、空调机组实际运行参数

表2 上海市天然气销售价格

3.1.2 分布式供能系统运行期经济效益计算

拟投入运行时间段为每天的8：00～17：00,与发电量同等电量的价格计算如下(市电价格参照上海市发展改革委沪发改价管〔2011〕018号《关于调整上海市电网电价的通知》)：

3.1.2.1 冬季采暖期

（1）市电平均价=（峰段小时数×1.167＋平时小时数×0.714）÷9=（3×1.167＋6×0.714）÷9=0.865元

（2）日发电量输出毛利=小时发电量×运行时间×（平均单价－发电成本价）=195×9×（0.865－0.797）=119.34元

（3）空调机吸收烟气余热产生热量：

总输出热量=2×输出热量=2×150=300kW/h

能源中心大楼2t/h锅炉：额定热量1400kW/h，天然气额定耗气155m3/h

单位燃气量制热量=额定热量÷天然气额定耗气=1400÷155=9.03kW/m3

日空调机热量输出毛利=总输出热量÷单位燃气量制热量×锅炉用天然气单价×日运行时间=300÷9.03×3.99×9=1193.02元

（4）微燃机、空调机组投入运行产生日经济效率：

日产生总毛利=日发电量输出毛利＋日空调机热量输出毛利=119.34＋1193.02=1312.36元

3.1.2.2 夏季制冷期

（1）市电平均单价=（峰段小时数×1.202＋平时小时数×0.749）÷9=（5×1.202＋4×0.749）÷9=1.00元

（2）日发电量输出毛利=小时发电量×运行时间×（平均单价－发电成本价）=165×9×（1.00－0. 825）=259.89元

（3）空调机吸收烟气余热制冷量（参照基载制冷机运行参数）：

总输出冷量=2×输出冷量=2×140=280kW/h

能源中心大楼基载制冷机组：额定容量553kW，额定功率120 kW，小时满负荷运行时用电量相当于120kWh

单位电量制冷量

=额定容量÷额定功率=553÷120=4.60kW/kWh日空调机冷量输出毛利

=总输出冷量÷单位电量制冷量×市电平均单价×日运行时间=280÷4.60×1.00×9=547.82元

（4）微燃机、空调机组投入运行日经济效率：

日产生总毛利=日发电量输出毛利＋日空调机冷量输出毛利=259.89＋547.82=807.71元

4 结语

申能能源中心大楼分布式供能系统试运行一年来，系统运行稳定。根据实际运行情况发电成本比市电价格低，为了进一步优化系统运行,结合市电的价格情况,系统开启时间为市电峰值期（8：00～15：00），系统发电机组每天发电量约1600kWh，试运行至2011年底累计发电量121870 kWh，单日平均发电量（12月为例）1770 kWh，累计供冷量为55234.89 kWh，累计供热为906030.02 kWh。当季节性用电高峰时，能源中心大楼所申请变压器（微燃机组并网于1#变压器低压400V侧）基本用电负荷可能还会有缺口，这部分缺口可以由微燃机组功率输出来填补，因此可以申请减少基本用电量、降低用电成本、避免MD超标遇罚。在今后的运行中，要充分利用三联供发电优点结合契约电量的合理运用，在夏季用电高峰时满负荷运行三联供系统的基础上降低契约电量预估申请，从而达到节约契约电费并开启三联供溴化锂机组来补充供冷。

虽然在运行过程对能源合理利用和节约运行成本有很好的经济效益,但由于该套系统引进了国外设备,前期设备投入较高,在小规模功能系统利用上仍然不够经济,若扩大系统发电和制冷供热的功率，并将设备国产化以降低前期投入，天然气分布式供能系统的运用前景将非常可观。