邱晓娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

“分布式能源站”在资源利用中的综合应用

邱晓娜

（思安新能源股份有限公司，西安 710000）

节能、提高能源利用率是我国能源战略的首要问题，是可持续发展的必经之路，近年来分布式能源系统被广大企业用户接受，并且应用越来越广泛，国家也相应出台了一系列有利于分布式能源的产业政策。风电、光伏、天然气、沼气等小型发电项目开始兴起。西安某星级酒店配套天然气能源站项目，在两年的运行中出现各种问题，笔者对其进行研究并提供优化改造建议。

天然气能源站；三联供；燃气发电机组；分布式能源

西安某星级酒店积极响应国家的有关政策，决定新建“分布式能源综合项目”，合理有效利用天然气资源，减少环境污染，提高酒店综合效益，在行业内起到带头和示范作用。所谓是指分布在用户端的能源综合利用系统，以冷、热、电联产技术为基础，并网运行，向一定区域内用户提供电力、蒸汽、热水和空调制冷等能源服务的系统[1-2]。“分布式能源综合项目”在我国还处于起步阶段，与发达国家相比差得很远。该系统应用广泛，只要有冷、热、电需求的行业均可以适用。该酒店选用1×400 kW+1×600 kW两台天然气内燃机组进行发电。由于前期经验不足，该分布式能源综合项目投入运行后也产生一些问题，本文根据实际情况提出优化设计建议。

1 项目概况

该酒店位于西安高新技术开发区的商业区核心位置，楼高24层，拥有381间潮流时尚的客房，拥有1个无柱式大宴会厅、5个多功能厅以及1个贵宾接待厅。该酒店用电也采用平谷峰不同时段计价，该酒店原设计能源配置情况大致如下：

现有用能模式是典型的分供系统，即用单一主机满足单一需求，如图1所示。

制冷：2台直燃机，3台空调水泵+3台冷却水泵。

供暖：2台直燃机，3台空调水泵。

热水：3台燃气锅炉产95℃的一次热水，经6个换热器换热后供55℃的生活热水。24层楼顶设置90 t水箱一座，冷水管道与负一层换热器相连，冷水下沉，热水在连通管压力作用下供应各楼层，无须水泵。

洗衣房：工作时间为8：00-17：00，需要用到蒸汽。

以酒店2012年运行统计：

供热负荷：对于酒店现有供能系统来说，单台直燃机的供热负荷为1 853 kW（两台），在特别严寒时刻，会短暂超过此负荷（一年约几小时）。

图1 酒店现有分供系统流程

供冷负荷：对于供冷负荷，酒店现有的直燃机供冷负荷2 215 kW（两台），在特别炎热时刻，会短暂超过此负荷（一年约几小时）。热水负荷基本恒定，按照热水锅炉燃气消耗量确定，锅炉效率取0.87，热水需求为180 t/d。平均每月非谷用电负荷如图2所示。

图2 2012年月平均非谷用电负荷

2 能源站设置原则

天然气分布式能源站供能，是相对于传统的集中式供电方式而言的。它利用先进的燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电，经过有效配置冷热资源，通过能源的梯级利用，为该酒店供暖、供冷、供电以及解决能源需求。可以把燃气资源能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到85%左右，大量节省了一次能源[3]。

分布式能源三联供系统采用余热来提供冬季用户所需要的热负荷和夏季用户所需要的冷负荷，由此可大大减小使用空调而引起的用电负荷高峰值，从而优化用电结构，减少电机组设备超负荷运行的时间，保证电网的运行安全，同时起到削电峰填气谷的作用。

电气并网不上网，以基荷电力确定燃机发电功率，不足电力从电网补充，发电机不向电网供电。内燃机排烟用于溴化锂空调制冷供暖，空调不补燃。在冷热负荷尖峰时刻，内燃机烟气不足以驱动溴化锂空调时，投运风冷热泵机组，将热负荷转化为电负荷。

由于峰谷电价的影响，本能源站只在白天运行，所发电力满足酒店白天的用电负荷。在夜间（即谷峰电价期间23:30-7:00）不开机，酒店所需电力从电网获得，帮助电网削峰填谷。因此，燃气发电装置的功率选择，最好接近或小于酒店白天的负荷，并具有较大的调节灵活性。夜间的冷热负荷由热泵提供。

在非采暖、制冷期，没有冷热负荷的时候，动力机简单循环发电运行经济性如何直接影响设备运行方式及投资经济可靠性。如果发电设备在不联合循环的状态下运行，其发电的燃料成本、运行成本能够低于从电网购电的代价，并有利润，其运行将是合理的[4]。如表1所示，在纯发电工况，燃气内燃机的天然气燃料成本，加之运行成本都将低于白天从电网购电的代价。此处天然气的价格是2.3元/Nm3。

表1 燃气内燃机发电成本核算

3 能源站方案拟定

本项目能源站复核燃气发电成本后，采“自发自用、以基荷电力定容量”原则对能源站的设备进行选型。不足电力从电网补充，不足热量补燃解决，和电力“并网不上网售电”。由于有网电的支持，燃气发电机的功率选择可以小于或接近大楼的实际电力负荷，且系统运行灵活、可靠。

能源站建设地点是现有地下二层（原车位）及室外空地。本工程建（构）筑物主要包括燃气内燃发电机组+1×870 kW烟气型溴化锂空调及烟道、循环水等附属系统。

3.1 能源站设备选型情况

内燃机：根据往年的酒店用电负荷，选择发电功率为1 000 kW，考虑到负荷波动以及检修时备用，选用1×400 kW+1×600 kW两台天然气内燃机组。

烟气型溴化锂空调：根据以电定热原则，内燃机烟气量带动烟气型溴化锂空调。在电负荷达到1 000 kW时，烟气流量为5 300 kg/h，匹配制冷量为870 kW的溴化锂空调。

风冷热泵机组：空调系统冷热源合一，更适用于同时具有采暖和制冷需求的用户。机组户外安装，省去了机房，节约了建筑投资。无须冷却塔，同时省去了冷却水泵和管路，减少了附加设备的投资。在本项目中，当溴化锂空调不能满足尖峰冷热负荷的时候，投运风冷热泵机组。

3.2 能源利用效率

该能源站建立以后，能源利用效率提高将超过现有用能模式，表现在如下方面：

（1）电负荷。白天将由自发电承担，单位千瓦时发电成本为0.75元，低于峰电价和平电价。谷电时从电网取电。根据2012年度数据，白天总负荷为399万kW·h，为了满足该负荷，须耗气114万m3。

（2）冷负荷。原先制冷使用直燃机消耗天然气制取，年消耗天然气21.6万m3。现在全年59%冷负荷由内燃机尾气带动，不消耗一次能源；剩余41%冷负荷由风冷热泵机组承担，该机组制冷COP达到3.2，远超直燃机的1.31。

（3）热负荷。原先供暖使用直燃机消耗天然气制取，年消耗天然气35万m3。现在全年90%热负荷由太阳能和内燃机余热带动，不消耗一次能源；全年10%热负荷由风冷热泵机组承担，该机组供暖COP达到3.8，远超直燃机的0.9。

（4）热水负荷。原先使用燃气锅炉消耗天然气制取热水，现在可利用太阳能、内燃气缸套水、溴化锂空调、烟气换热器、风冷热泵机组等多渠道制取，天然气消耗量为零，不消耗或者消耗少量电能。

（5）洗衣房蒸汽负荷。保留原来蒸汽锅炉，年耗气量与原来一致，均为212 977 m3天然气，费用49万元。

3.3 电气系统

本项目能源中心内共设2台燃气发电机组，发电机组出口电压为400 V，每台发电机组所发电量通过1台低压机组断路器柜输送及控制，配备2台低压机组断路器柜，两台内燃机通过发电机出口断路器柜直接并网至业主总低压配电室总变压器低压侧母线上。为确保内燃机辅助设备供电可靠性，辅助用电设备电源采用双电源自动切换，两回电源引自业主原配电柜不同段的备用回路。

该项目所发电量供酒店使用，正常情况下电力全部由能源站供给，不足部分由外网市电提供。酒店用电负荷采用双回路供电，既保证了用户端供电系统的安全，又能产生较好的经济和社会效益。

3.4 控制系统

每台发电机组配备1台就地控制柜及1台机组断路器柜，2台发电机组还需设置1台远程控制柜，远程控制柜设置在配电控制室内。就地控制柜、机组断路器柜及远程控制柜由设备厂家提供。发电机组运行状态采用在就地控制柜及远程控制柜上监测，其中包括发动机的水温、油温、油压、转速；发电机的电压、电流、频率、功率、功率因数、有功电能及运行时间的显示，内燃机的参数及发电机的报警及保护停车功能。

4 运行中发现的一些问题

4.1 内燃机组选型偏大

根据2012年酒店整体用电情况，该能源电站发电机选型应在600～700 kW，机组可以确保长期在80%负荷运行，而选型在1 000 kW，分为两个机组，由于冷热负荷问题、燃气价格问题、三相不平衡等因素，长期以来仅600 kW燃气发电机组运行，输出功率也仅在470 kW左右。

4.2 燃气电价调整后运行不经济

2015年6月，非居民用气价格由原2.30元/m3提高到3.09元/m3，天然气价格上调34%，导致能源站运行变为亏损状态。

4.2.1 三相电流不平衡问题

实际运行中三相电流不平衡的问题特别严重，而发电机设备容量设计是按三相负荷条件来确定的，如果三相负荷不平衡，设备容量只能以三相负荷中最大一相为限，因此内燃机出力降低。

4.2.2 内燃机发电量达不到原定额定发电出力

内燃机组订货时按照常规发电厂配套发电机进行订货，招标要求发电机额定出力为600 kW+400 kW，内燃机组厂家都应标，但是燃机安装调试时，厂家指导发电机长期运行容量不超过标定容量的80%，即480 kW+320 kW。因为内燃机行业的订货功率默认是最大功率，而不是持续功率。

4 结论

本文依托西安某星级酒店的天然气能源站项目，介绍了分布式能源三联供系统的主要动力设备和余热利用的主要设备。此类负荷稳定系统能源站宜采用以电定热的运行策略。但是，实际工作中能源价格（特别是峰谷价格）会对三联供的配置产生较大的影响，应考虑能源价格因素。

内燃机组的容量是离散型的，机组所能提供的负荷，不一定能与需求负荷完全相匹配；机组的调节也应考虑其延迟时间；需求负荷相差太大时，还应考虑机组调节的可行性。内燃机订货时明确机组的功率类型，让投标厂家的无漏洞可钻。

1 周 萍.分布式能源三联供系统燃气负荷分析[D].北京：北京建筑工程学院，2012.

2 任华华，王淼森.燃气内燃发电机在“三联供”系统中的应用和分析[J].洁净与空调技术，2009，（1）：5-8.

3 忻奇峰.天然气燃气轮机在上海浦东国际机场“三联供”的应用[J].能源技术，2001，（5）：201-203.205.

4 安英会.含分布式发电的配电网三相不平衡性的研究[D].南宁：广西大学，2013.

The Application of quot;Distributed Energy Stationquot; in Resource Utilization

Qiu Xiaona
(Si'an New Energy Co., Ltd., Xi'an 710000, China)

Energy saving and energy efficiency are the most important problems in China's energy strategy.It is the only way for sustainable development.In recent years, the distributed energy system has been accepted by the majority of enterprise users, and the application is more and more widely.A series of industrial policies conducive to distributed energy.Wind power, photovoltaic, natural gas, biogas and other small power generation projects began to rise.Xi'an, a star hotel supporting natural gas energy station project, in the two years of operation in a variety of problems, the author of its research,and provide suggestions for optimization.

natural gas energy station; triple supply; gas generator; distributed energy

F426.2 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2017)08-0099-04

2017-06-09

邱晓娜（1983-），女，陕西西安人，工程师，研究方向：电气工程及其自动化。