摘　要：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分，發(fā)電機(jī)組選擇的合適與否直接決定三聯(lián)供項(xiàng)目的成敗。本文詳細(xì)分析了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組容量確定的幾種方式以及判斷發(fā)電機(jī)組配置是否合理的幾種指標(biāo)，為燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的選擇提供借鑒。

關(guān)鍵詞：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組　燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)　以熱定電　以電定熱　滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)數(shù)

Research on Optimum Selection of Power Equipment in Distributed Energy System Combined Cooling Heating and Power

Abstract：Gas generator set is the most critical part of the distributed energy system design．The appropriate choice of generator set determinesthe key otilroject．This paper concretely analyzes several methods for the seleclion of generator eapaeity andsome indicators of generatorallocation，which will provide reference lor the optimization of gas generator set．

Keywords：gas generator set distributed energy system combined cooling heating and power ordering power by heat ordering heat by power full-load hours

1　引言

2011年國(guó)家四部委下發(fā)《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見(jiàn)》，意見(jiàn)中指出“十二五”期間建設(shè)1000個(gè)左右天然氣分布式能源項(xiàng)目，并擬建設(shè)10個(gè)左右各類(lèi)典型特征的分布式能源示范區(qū)域。到2020年，在全國(guó)規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5000萬(wàn)kW，初步實(shí)現(xiàn)分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)化。”2013年2月27日國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見(jiàn)》，解決了發(fā)電并網(wǎng)的行業(yè)壁壘。隨著國(guó)家對(duì)燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目的支持，越來(lái)越多的項(xiàng)目計(jì)劃采用燃?xì)夥植际侥茉垂┠芊绞剑侨绾魏侠淼脑O(shè)計(jì)分布式能源項(xiàng)日，使建成的分布式能源項(xiàng)目真正實(shí)現(xiàn)效率最高，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，是目前亟需解決的問(wèn)題，而對(duì)于燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目中最關(guān)鍵的設(shè)備——燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的合理選擇是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，本文詳細(xì)分析了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組容量確定的幾種方式以及判斷發(fā)電機(jī)組配置是否合理的幾種指標(biāo)，為燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的選擇提供借鑒。

2　發(fā)電機(jī)組選擇方法

發(fā)電機(jī)組的選擇一般是根據(jù)供能對(duì)象的冷、熱、電負(fù)荷特性進(jìn)行確定，一般有以熱定電、以電定熱以及以基本電負(fù)荷定電等幾種方式^[1-2]。

根據(jù)上海市出臺(tái)的《分布式能源系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：“分布式供能系統(tǒng)容量的選擇應(yīng)依據(jù)以熱(冷)定電、熱(冷)電平衡的原則，并根據(jù)電、熱(冷)的特性和大小合理確定。機(jī)組的發(fā)電量宜自發(fā)、自用、自平衡。并入電網(wǎng)的分布式供能系統(tǒng)的總裝機(jī)容量不應(yīng)大于相應(yīng)電力接入點(diǎn)上級(jí)變電站單臺(tái)主變?nèi)萘康?span lang="EN-US">30％。”

中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部編制的《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：  “聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)遵循電能自發(fā)自用、余熱利用最大化的原則，系統(tǒng)的設(shè)備配置及運(yùn)行模式應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。”^[3]

2．1　以熱定電^[4，5]

以熱定電，顧名思義是根據(jù)熱來(lái)確定發(fā)電機(jī)組的選擇，即按照所產(chǎn)生的熱量全部被充分利用的原則進(jìn)行發(fā)電機(jī)的選取，該概念來(lái)源于大型的熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，是根據(jù)一定的熱化系數(shù)(表示供熱機(jī)組所承擔(dān)的熱負(fù)荷在熱網(wǎng)最大熱負(fù)荷中所占的份額，用于確定熱電廠供熱機(jī)組的容量和型式。)確定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在最大供熱工況下的供熱量，進(jìn)而確定在不同熱負(fù)荷工況下的發(fā)電容量。

以熱定電在燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中，是指將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組余熱全部被利用的情況下，反推所需要配置的發(fā)電機(jī)組容量。按照該方法，能夠使余熱全部被利用，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)綜合能源利用率最大，但是據(jù)此選定的發(fā)電機(jī)組容量一般均偏低，系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性不能達(dá)到最佳。

2．2　以電定熱

以電定熱是指根據(jù)供能區(qū)域內(nèi)全部電負(fù)荷或穩(wěn)定電負(fù)荷確定發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量。發(fā)電機(jī)需要滿(mǎn)足末端用電的最大設(shè)計(jì)負(fù)荷，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)則必須根據(jù)末端電負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)發(fā)電量，余熱產(chǎn)出與用戶(hù)熱需求之間的匹配只能被動(dòng)調(diào)節(jié)，造成大量余熱不能被完全利用。若燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)不能并網(wǎng)，需要獨(dú)立運(yùn)行時(shí)采用該方式選擇發(fā)電機(jī)。

按照以電定熱模式設(shè)計(jì)的分布式能源系統(tǒng)一般將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量偏高，造成發(fā)電的同時(shí)余熱不能被充分利用，分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用效率低，項(xiàng)目整體的經(jīng)濟(jì)性差等，不能體現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)越性。

2．3　以基本電負(fù)荷確定發(fā)電機(jī)容量

在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電力負(fù)荷的計(jì)算主要用來(lái)校核發(fā)電機(jī)容量。按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)，自發(fā)自用的原則”設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證燃機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)及負(fù)荷率的要求，只滿(mǎn)足電力的基本負(fù)荷即可(基本負(fù)荷占電力負(fù)荷的30％～50％)。對(duì)于已有建筑，應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷變化情況，繪制出電力負(fù)荷逐時(shí)曲線，分析出基本負(fù)荷，如果無(wú)法確定項(xiàng)目基本電負(fù)荷，則參照在《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJl45—2010)中規(guī)定，取不超過(guò)項(xiàng)目最大設(shè)計(jì)電力負(fù)荷的30％進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由上可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的按照以熱定電和以電定熱的方法選擇發(fā)電機(jī)會(huì)造成設(shè)備配置不合理，在實(shí)際分布式能源項(xiàng)目的設(shè)備選型中應(yīng)綜合考慮兩種方式各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組容量的最優(yōu)化，既能確保能源利用效率，又能保證項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)最大的余熱供能量，避免盲目增加機(jī)組容量引起的綜合利用效率低下，實(shí)現(xiàn)熱電平衡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)冷、熱、電負(fù)荷的變化以及外部能源價(jià)格(市電的峰平谷價(jià)、燃?xì)鈨r(jià)格)的變化，逐時(shí)計(jì)算熱電平衡及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合計(jì)算和比較不同發(fā)電容量下的系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)，最后選定最佳發(fā)電機(jī)容量。

按照以上方法確定的發(fā)電機(jī)容量一般介于單純按照以熱定電和以電定熱確定的發(fā)電容量之間，如圖1所示。

上述優(yōu)化選型確定的機(jī)組容量是多方案綜合計(jì)算比較后所得到的結(jié)果，即最佳機(jī)組容量的確定需結(jié)合系統(tǒng)整體方案統(tǒng)一分析考慮。綜合比較所涉及到的因素比較多，并且宜結(jié)合成熟的優(yōu)化算法對(duì)各方案進(jìn)行綜合比較和排序，因此這項(xiàng)工作量和難度比較大，一般需借助于專(zhuān)業(yè)計(jì)算工具完成。

3　案例分析

以10萬(wàn)m²酒店建筑為例，采用分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算軟件，綜合考慮能源利用效率、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用、初投資、機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)數(shù)等因素后，得到的不同發(fā)電容量下的方案排序如表1所示。

可見(jiàn)通過(guò)計(jì)算確定的機(jī)組裝機(jī)容量約為1700kW左右。

在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中，如果沒(méi)有足夠資料對(duì)供能對(duì)象做詳細(xì)的負(fù)荷分析，可結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)定及已有項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單確定發(fā)電機(jī)組的容量。對(duì)于一般公共建筑，可根據(jù)其功能特點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)電負(fù)荷的20％～50％選擇發(fā)電機(jī)組容量，全年負(fù)荷較為穩(wěn)定的建筑取上限，負(fù)荷波動(dòng)較大的建筑取下限，如圖l所示。

對(duì)于一些特殊的公建需結(jié)合其具體特點(diǎn)具體分析，如針對(duì)數(shù)據(jù)中心，其發(fā)電機(jī)組容量則將大于其設(shè)計(jì)電負(fù)荷的50％。

根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷和總發(fā)電量確定發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)是確定發(fā)電機(jī)組容量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于發(fā)電機(jī)組都有運(yùn)行高效區(qū)，一般在50％以下負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率會(huì)大幅度降低，根據(jù)負(fù)荷變化適當(dāng)調(diào)整發(fā)電機(jī)組啟停以保證其整體運(yùn)行于高效區(qū)具有很大意義，所以在發(fā)電總?cè)萘枯^大時(shí)有必要選擇多臺(tái)機(jī)組以提高系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的靈活性。當(dāng)然發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)增加也會(huì)帶來(lái)切換啟停操作風(fēng)險(xiǎn)增加、運(yùn)行維護(hù)工作量增加等問(wèn)題，因此需綜合考慮機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇。

在城市燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)中，一般在發(fā)電總?cè)萘看笥?span lang="EN-US">1000kW以上時(shí)可考慮采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，機(jī)組臺(tái)數(shù)以2臺(tái)～4臺(tái)為宜。^[6-7]

4　發(fā)電機(jī)組形式基本確定方法

不同形式的發(fā)電機(jī)組其熱力參數(shù)具有各自鮮明的特點(diǎn)，余熱利用工藝也有顯著區(qū)別，因此發(fā)電機(jī)組容量的確定與擬采用的發(fā)電機(jī)組的形式緊密相關(guān)。在確定發(fā)電機(jī)組容量時(shí)應(yīng)首先確定發(fā)電機(jī)組形式，然后根據(jù)其典型技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行整體方案的計(jì)算，最后得到最佳設(shè)備選型。在確定發(fā)電機(jī)組形式時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮一些邊界條件的限制和影響。

4．1　供能對(duì)象熱電負(fù)荷影響

根據(jù)對(duì)建筑冷熱電負(fù)荷的分析確定其熱電比的變化，特別應(yīng)側(cè)重分析其基礎(chǔ)熱負(fù)荷與電負(fù)荷的變化，對(duì)于熱電比小于1.5的建筑應(yīng)重點(diǎn)考慮采用熱電比較小的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，對(duì)于熱電比大于1.5的建筑的更適宜考慮采用熱電比較大的燃?xì)廨啓C(jī)。但是對(duì)于規(guī)模較小的建筑，發(fā)電機(jī)容量一般選型較小，燃?xì)廨啓C(jī)的選擇往往受到較大限制。

4．2　總體裝機(jī)容量影響

由于燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)容量一般較大，因此一般更適用于裝機(jī)容量偏大的場(chǎng)合n燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)單機(jī)容量多集中于4000kW以下，目前也有少量大容量機(jī)組，因此在城市使用范圍較寬。

一般項(xiàng)目裝機(jī)容量大于20000kW時(shí)可重點(diǎn)考慮燃?xì)廨啓C(jī)組，裝機(jī)容量低于20000kW大于8000kW時(shí)可綜合其它因素比較燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組，裝機(jī)容量低于8000kW大于500kW時(shí)可重點(diǎn)考慮燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，小于500kw時(shí)可綜合比較燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和微燃機(jī)。

4．3　燃?xì)鈮毫τ绊?span lang="EN-US">

燃?xì)廨啓C(jī)所需進(jìn)氣壓力較高，一般為高于次高壓級(jí)別，而城市燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力多為4kg以下的中低壓天然氣，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)其具有更好的適應(yīng)性，并且由于采用中低壓燃?xì)庠O(shè)備，相應(yīng)的建筑安裝及防火規(guī)范要求更易滿(mǎn)足，因此在城市中的分布式能源系統(tǒng)中采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)相對(duì)容易實(shí)施。

4．4　能源價(jià)格影響

相對(duì)而青，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率較低，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組發(fā)電效率較高。因此，在電價(jià)相對(duì)較高的場(chǎng)合增加發(fā)電效率可取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組；反之如果熱價(jià)相對(duì)較高，則可適當(dāng)考慮發(fā)電效率雖低但余熱利配置用效率較高、余熱品位較高的燃?xì)廨啓C(jī)。

5　結(jié)束浯

合理的選擇及確定燃?xì)饫錈犭娐?lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的類(lèi)型以及裝機(jī)容量能夠確保項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性以及能源利用效率，本文重點(diǎn)講述“以冷定電”、“以熱定電”和“以基本電負(fù)荷”3種發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇原則推算燃機(jī)的裝機(jī)規(guī)模，得出若無(wú)法確定項(xiàng)目基本電負(fù)荷，則參照在《燃?xì)饫錈犭娙?lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(GJJl45—2010)中規(guī)定，取不超過(guò)項(xiàng)目最大設(shè)計(jì)電力負(fù)荷的30％進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)比上述3種方式計(jì)算得到的燃機(jī)裝機(jī)容量，以三者中最小值作為燃機(jī)設(shè)計(jì)裝機(jī)容量。對(duì)于一些特殊的公建需結(jié)合其具體特點(diǎn)具體分析，如針對(duì)數(shù)據(jù)中心，其發(fā)電機(jī)組容量則將大于其設(shè)計(jì)電負(fù)荷的50％。同時(shí)在確定發(fā)電機(jī)組形式時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮一些邊界條件的限制和影響，包括供能對(duì)象熱電負(fù)荷影響、總體裝機(jī)容量影響、燃?xì)鈮毫τ绊?、能源價(jià)格影響等。

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本文作者：葉彩花　白一　喬麗潔

作者單位：北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司