陳晨

分布式能源

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)發(fā)電容量配置探討

陳晨

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002）

通過區(qū)域燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項目特點的分析，提出區(qū)域三聯(lián)供項目與傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目的差異性，不能直接套用“以熱定電”、“以電定熱”等發(fā)電容量配置原則。同時，探討區(qū)域集中供能發(fā)電機組容量配置方法。并以上海某區(qū)域供能項目為例，對不同大小發(fā)電機組容量及不同并網(wǎng)方式進行分析，綜合發(fā)電機組年利用小時數(shù)、發(fā)電自用比例及投資等因素給出項目發(fā)電容量配置。

區(qū)域冷熱電三聯(lián)供； 發(fā)電機組容量； 以熱定電； 以電定熱； 年利用小時數(shù)

0 引言

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)作為一種分布式供能系統(tǒng)，其能源梯級利用效率可達(dá)60%～80%[1]，對改善城市能源結(jié)構(gòu)、提高電力系統(tǒng)供能安全性、減少CO2排放量具有重要意義。越來越多的燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)尤其在區(qū)域能源項目中得到應(yīng)用。燃?xì)獍l(fā)電機組作為整個三聯(lián)供系統(tǒng)的核心設(shè)備，其容量大小直接影響系統(tǒng)冷熱電平衡、設(shè)備投資及運行經(jīng)濟性。以下針對區(qū)域燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)進行分析，探討該類項目中發(fā)電機組容量的配置方法。

1 區(qū)域燃?xì)饫錈犭娙?lián)供能系統(tǒng)特點

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，按系統(tǒng)特點可以分為樓宇型、產(chǎn)業(yè)型和區(qū)域型。樓宇型三聯(lián)供系

統(tǒng)主要針對某單一建筑的冷熱電需求，機房一般布置在建筑內(nèi)部，不需要考慮外網(wǎng)建設(shè)[2]，樓宇與三聯(lián)供系統(tǒng)為同一業(yè)主，所發(fā)電力可直接供整個建筑使用。產(chǎn)業(yè)型三聯(lián)供系統(tǒng)主要針對某一片產(chǎn)業(yè)相對集中的工業(yè)園區(qū)，主要供能對象為生產(chǎn)熱需求，也可能兼有少量空調(diào)及生活冷熱負(fù)荷。區(qū)域型三聯(lián)供系統(tǒng)是向一定區(qū)域內(nèi)的建筑群供能，往往需建設(shè)一個或多個獨立能源站，同時需考慮能源供應(yīng)的外網(wǎng)布置。系統(tǒng)主要應(yīng)對建筑群內(nèi)用戶的空調(diào)和生活冷熱負(fù)荷。

另外，考慮輸送能效能源站一般都盡量設(shè)置在區(qū)域中心，或靠近用戶的位置。其周邊建筑形態(tài)及整個地塊的商業(yè)價值決定能源站本體規(guī)模不可能太大，其發(fā)電容量相對傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)項目較小。一般屬于《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)規(guī)程》GJJ145-2010[3]適用范圍：“以燃?xì)鉃橐淮文茉矗l(fā)電機總?cè)萘啃∮诨虻扔?5MW的分布式能源系統(tǒng)”。

2 傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目與區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電容量配置原則比較

（1）傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目把總熱效率和熱電比作為主要考核指標(biāo)[4]。其發(fā)電機組容量的確定主要有以下兩個原則：

1）以熱定電：根據(jù)熱負(fù)荷確定發(fā)電容量，在滿足用戶熱負(fù)荷需求的前提下，進而確定系統(tǒng)電力輸出容量。

2）以電定熱：根據(jù)用戶用電需求來確定系統(tǒng)的總熱輸出。

（2）再看區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)特點，以上原則顯然不能適用。區(qū)域燃?xì)饫錈犭娙?lián)供項目和傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目在用能負(fù)荷特性、發(fā)電并網(wǎng)模式、能源站建設(shè)條件等方面均存在差異，不能直接套用熱電聯(lián)產(chǎn)項目中發(fā)電機組容量配置原則。

1）區(qū)域能源項目用戶側(cè)熱負(fù)荷隨季節(jié)、時段波動很大：商業(yè)及辦公型建筑夜晚基本無需供能，僅酒店等建筑存在用能需求；過渡季空調(diào)用能需求很小。若區(qū)域內(nèi)無相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)熱負(fù)荷需求用戶如醫(yī)院、數(shù)據(jù)機房等，以何種工況條件下的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)作為“以熱定電”的前提存在不確定性。若以峰值熱負(fù)荷作為“以熱定電”的輸入條件，勢必造成發(fā)電機組容量選擇過大，年利用小時數(shù)較低，系統(tǒng)經(jīng)濟性較低。

2）用電負(fù)荷同樣存在波動大，無穩(wěn)定基礎(chǔ)負(fù)荷的問題。從經(jīng)濟性出發(fā)，夜間一般采用價格相對便宜的市網(wǎng)谷電蓄能而非自發(fā)電，因此“以電定熱”原則的電力基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)同樣難以確定。

3）傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目所發(fā)電力一般可直接并入大電網(wǎng)，作為大電網(wǎng)的補充[3]。而受目前政策限制，區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)受目前政策限制所發(fā)電力一般僅限于能源站內(nèi)部使用。在發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式上差異很大。

不管是“以熱定電”還是“以電定熱”，對于區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)都無法給出一個相對確定的熱負(fù)荷或電負(fù)荷輸入條件，同時受目前發(fā)電模式限制，為保證系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，需結(jié)合經(jīng)濟性、項目所在地政策及社會效益綜合考慮。

由于區(qū)域內(nèi)用戶與三聯(lián)供系統(tǒng)非同一業(yè)主，受目前供電政策條件限制，區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)所發(fā)電力不能直接供區(qū)域內(nèi)建筑使用，一般僅限于能源站內(nèi)部用電，系統(tǒng)只滿足區(qū)域內(nèi)建筑供冷、供熱需求。區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)用戶側(cè)負(fù)荷隨地域、建筑形態(tài)及用戶數(shù)量而不同，需根據(jù)每個項目具體負(fù)荷特性來進行系統(tǒng)配置。

3 區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電容量配置思路

區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電容量配置需考慮能源價格、系統(tǒng)電力運行方式、能源政策等多種因素。

3.1 不同方案運行能耗成本分析

首先，對不同方案的運行能耗成本進行分析，以確定發(fā)電機組的運行時段及制冷、制熱方案。區(qū)域燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)除余熱制冷、制熱外，其余輔助制冷方式有電動冷水機組、直燃溴化鋰機組，輔助制熱方式有熱泵機組、燃?xì)忮仩t、直燃溴化鋰機組。制冷、制熱方式的選擇需根據(jù)項目所在地能源價格及項目條件確定。假定三聯(lián)供系統(tǒng)制冷能耗成本為L1元/kWh，制熱能耗成本為R1元/kWh。電制冷用市電，谷段、平段、峰段能耗成本分別為LC1，LC2，LC3元/kWh，直燃溴化鋰機組制冷能耗成本為LHiBr；熱泵用市電，谷段、平段、峰段能耗成本分別為Rh1，Rh2，Rh3元/kWh，直燃溴化鋰機組制熱能耗成本為RHiBr，燃?xì)忮仩t制熱能耗成本為Rb。

根據(jù)能耗成本分析系統(tǒng)運行策略，見表1、表2。

3.2 發(fā)電系統(tǒng)運行模式分析

發(fā)電大小同時還受發(fā)電機組運行模式限制。區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)電力運行方式有孤網(wǎng)運行、并網(wǎng)上網(wǎng)及并網(wǎng)不上網(wǎng)三種模式。根據(jù)運行經(jīng)驗，系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下更具可靠性和經(jīng)濟性[3]。

并網(wǎng)不上網(wǎng)模式下，所發(fā)電力要能源站自用，為滿足系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，提高發(fā)電機組運行時間，應(yīng)以中低位電力負(fù)荷確定機組容量，配置相對較小，主要利用市電，和傳統(tǒng)供能方式差異不大，節(jié)能減排效益較低。若采用并網(wǎng)上網(wǎng)模式，余熱自用，可以以中高位電力負(fù)荷

確定發(fā)電容量，發(fā)電量除自用外，多余電力上網(wǎng)，不足部分可由市網(wǎng)補充，系統(tǒng)配置相對靈活，發(fā)電機組年運行時間較長，利用率高，系統(tǒng)經(jīng)濟性較好。

表1 不同能耗成本條件下制冷運行策略

表2 不同能耗成本條件下制熱運行策略

采用并網(wǎng)上網(wǎng)模式，系統(tǒng)還需符合《國家電網(wǎng)關(guān)于分布式電源并網(wǎng)服務(wù)管理規(guī)則的通知》規(guī)定的上網(wǎng)適用范圍：“35kV電壓等級接入，年自發(fā)自用大于50%的分布式電源，或10kV電壓等級接入且單個并網(wǎng)點總裝機容量超過6MW，年自發(fā)自用電量大于50%的分布式電源”。因此，運行策略和并網(wǎng)方式確定的前提下，還需對系統(tǒng)全年自用電比例進行分析。

3.3 其他因素

區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)的合理設(shè)置除考慮上述因素外，還需綜合考慮系統(tǒng)投資經(jīng)濟性。例如當(dāng)發(fā)電機組容量配置較低，發(fā)電系統(tǒng)利用率雖然提高，但系統(tǒng)變配電容量有可能從10kV進線增大到35kV進線，變配電相關(guān)的投資成本上升。

4 項目實例

以上海某新建區(qū)域分布式三聯(lián)供項目為例，供能面積96萬m2建筑，建筑形態(tài)為辦公及商業(yè)建筑。區(qū)域內(nèi)設(shè)置一座獨立能源站，為區(qū)域內(nèi)建筑提供空調(diào)冷熱負(fù)荷，所發(fā)電力僅用于能源站內(nèi)設(shè)備。

系統(tǒng)采用兩管制，部分地塊用戶自行配置少量機組以滿足冬季制冷及生活熱水需求。根據(jù)上海全年室外氣象條件，空調(diào)供冷期為5月16日～10月15日，共150d；空調(diào)供熱期為12月1日～次年3月15日，共105d。其他時間用于供冷、供熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)換試運行和設(shè)備維護檢修。

根據(jù)能源價格及設(shè)備效率，計算不同方案的運行能耗成本，見表3、表4，這里燃?xì)鉄嶂等?0kWh/m3，發(fā)電機組發(fā)電效率為42%，余熱效率為40%。

表3 市電與天然氣價格

由表4，系統(tǒng)采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機組+余熱溴化鋰?yán)錈崴畽C組+電動冷水機組制冷；供熱方面由于燃?xì)忮仩t、直燃溴化鋰運行成本較高，而熱泵可利用自發(fā)電，一次能源利用率較高，運行能源費較低。并且在安全性、環(huán)保方面均優(yōu)于燃?xì)忮仩t和直燃溴化鋰，因此除余熱供熱外，采用熱泵供熱，即燃?xì)獍l(fā)電機組+余熱溴

化鋰?yán)錈崴畽C組+水水熱泵風(fēng)冷熱泵串聯(lián)的方式供熱。另外谷電段利用市電制冷、制熱的運行成本均為最低，系統(tǒng)設(shè)置水蓄能，既可減少能耗成本，又能降低冷熱設(shè)備和變配電投資。根據(jù)項目經(jīng)驗，系統(tǒng)水蓄能率取30%，即夏季典型日蓄冷量為全天冷負(fù)荷的30%。

表4 不同方案能耗運行成本

根據(jù)全年逐時負(fù)荷，對3MW、4.5MW、6MW、8MW、12MW、18MW、24MW 7個不同容量大小發(fā)電機組全年利用小時數(shù)進行統(tǒng)計。

文獻[6]規(guī)定對分布式供能項目按照1000元/kW給予設(shè)備投資補貼，對年平均能源綜合利用效率達(dá)到70%及以上且年利用小時在2000h及以上的分布式供能項目再給予2000元/kW的補貼。同時根據(jù)實際項目經(jīng)驗，為滿足三聯(lián)供系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性，發(fā)電機組年滿負(fù)荷運行小時數(shù)需達(dá)到3000～4000h以上[5]。由圖1可以看出，發(fā)電機組容量越大年利用小時數(shù)越低。當(dāng)發(fā)電機組容量為24MW，發(fā)電機組年利用小時數(shù)略大于2000h，若容量繼續(xù)增大，則不滿足補貼政策要求。發(fā)電機組容量低于8MW時，系統(tǒng)年運行時間可超過3000h。因此，該項目中發(fā)電機組配置建議不大于8MW。

圖2所示若采用并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，要滿足年利用小時數(shù)2000h指標(biāo)，機組容量需低于3MW，若要進一步提高發(fā)電系統(tǒng)利用率，發(fā)電機組容量配置則更低。自發(fā)電替代平峰段市電量較小，經(jīng)濟及社會效益較低。若采用直燃溴化鋰方式制冷、燃?xì)忮仩t或直燃溴化鋰方式制熱，并網(wǎng)不上網(wǎng)模式自發(fā)電消耗量很低，僅水泵、風(fēng)機等輔機設(shè)備用電，發(fā)電機組基本無法正常開機運行。因此，區(qū)域冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)運行模式宜采用并網(wǎng)上網(wǎng)方式。

進一步分析并網(wǎng)上不上網(wǎng)模式下不同發(fā)電容量年利用小時數(shù)的變化趨勢，如圖3所示。年利用小時數(shù)隨發(fā)電機組容量增大而減小，且比并網(wǎng)上網(wǎng)模式趨勢更快。并網(wǎng)上網(wǎng)模式由于余熱自用，發(fā)電除自用外，多余可上網(wǎng)，只要系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷大于發(fā)電機組余熱負(fù)荷時，機組即可滿負(fù)荷運行。綜合圖1、圖3可以看出，單以年利用小時數(shù)作為指標(biāo)評價，并網(wǎng)上網(wǎng)模式8MW以下發(fā)電機組年利用小時數(shù)差別并不大。

以上第3章節(jié)指出若采用并網(wǎng)上網(wǎng)模式，系統(tǒng)還需滿足年自發(fā)自用電量大于50%的條件。圖4對8MW以下發(fā)電機組系統(tǒng)年發(fā)電自用情況進行分析，發(fā)電容量6MW時，系統(tǒng)自發(fā)電略大于上網(wǎng)電量。對比分析3MW、4.5MW、6MW幾種方案，若發(fā)電容量取3MW，市電配電容量超過8000kVA，需采用35kV進線，變配電設(shè)備成本較高，配電機房面積較大，設(shè)備、土建及市政配套費用較大。另外，能源站一般采用兩路電源供電，用電負(fù)荷一般采用對稱方式分布在兩段母線上，對于并網(wǎng)上網(wǎng)模式，發(fā)電機組也適宜采用對稱分布方式，最大化提高發(fā)電機組的利用效率。即采用偶數(shù)臺配置，結(jié)合市場發(fā)電機組容量規(guī)格，最后選用4臺1.5MW發(fā)電機組。

5 結(jié)語

（1）燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)了能源梯級利用，作為區(qū)域能源供應(yīng)方式的一種，既有經(jīng)濟效益又有社

會效益。

（2）區(qū)域式冷熱電三聯(lián)供項目在用戶負(fù)荷特性、發(fā)電運行模式、項目規(guī)模及建設(shè)條件上不同于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，不可直接套用傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)項目中“以熱定電”、“以電定熱”原則。

（3）區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機組容量大小取決于系統(tǒng)負(fù)荷、能源價格、能源政策及初投資等綜合因素。

（4）區(qū)域冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)宜采用并網(wǎng)上網(wǎng)模式，提高機組利用效率。

（5）區(qū)域冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電容量還需考慮設(shè)備、變配電、土建投資等因素。

[1]高茜.淺談燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的發(fā)展及優(yōu)勢[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量 2012，32（5）:91.

[2]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝置及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]燃?xì)饫錈犭娙?lián)供技術(shù)規(guī)程（CJJ 145-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]張建業(yè)，徐述.電聯(lián)產(chǎn)項目中機組的選型及參數(shù)確定方法[J].電力設(shè)備，2008，9（1）:72～75.

[5]龍惟定.分布式能源熱電聯(lián)產(chǎn)“以熱定電”的新理解[J].暖通空調(diào)，2011，41（2）:18～22.

[6]上海市天然氣分布式供能系統(tǒng)和燃?xì)饪照{(diào)發(fā)展專項扶持辦法[Z].滬府辦發(fā)〔2013〕14號

Reaserch of Power Capacity in Regional Combined Cooling，Heating and Power System

CHEN Chen
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Analyzesthecharacteristicsofregional gascombinedcoolingheatingandpower（CCHP）projects,andthe differencesbetweenCCHPprojectsandtraditional combinedheatandpowergeneration(CHP)projects.Pointsouttha“tdetermining power by heating load”,“determining heating load by power”principles is not appropriate for CCHP projects. Meanwhile,puts forward the method of determining power capacity in the regional CCHP.Takes a regional energy supply projectinShanghai asanexample,analyzesthesystemperformanceindifferent power capacities.Gives thepower capacity consideringannual powergenerationhours,self-occupiedpowertototal generatingpowerratioandtheinvestment.

regional combinedcooling，heatingandpowerenergy； powercapacity； determiningpowerby heatingload； determiningheatingloadbypower； annual utilizationhours

TM611

B

2095-3429（2016）03-0001-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.001

2016-05-03

修回日期：2016-05-30

陳 晨（1983-），女，江蘇濱海人，碩士，工程師，主要從事區(qū)域能源站及暖通空調(diào)設(shè)計工作。