技術丨基于燃氣的分布式能源站

浙江省內一次能源較缺，燃煤增量受限，發(fā)展新能源，其大致范圍是垃圾發(fā)電、生物質摻燒、風電、光伏、地熱方面五個方面。垃圾發(fā)電選址受限，省內生物質資源短缺、收集困難，風電、尤其是海上風電方興未艾，太陽能光伏已遍地開花;風電、光伏集中發(fā)電尚可，卻無法完成高效供應冷、熱;浙江省內有一定的地熱資源，但目前作為較大規(guī)模的能源供應可能性不大。由于經(jīng)濟發(fā)展迅速，實力雄厚，再加上早已建立的密集的天燃氣供應網(wǎng)絡，基于燃氣的分布式能源必將成為今后浙江省內綜合能源發(fā)展的最重要一極。

1、系統(tǒng)的組成

從目前情況看，基于燃氣的冷熱電分布式能源系統(tǒng)設備主要包括燃氣內燃機、燃氣輪機、溴化鋰制冷/熱機、大型電空調、柴油發(fā)電機、燃氣/余熱/電鍋爐、蓄冷/熱罐等，其中關鍵設備為燃氣內燃機、燃氣輪機、溴化鋰制冷/熱機，前兩者基本以進口設備為主，后者有不錯的國產(chǎn)設備。

燃氣輪機對進汽壓力要求高(一般高于次高壓級別(0.4-1.6MPa))，而城市天燃氣管網(wǎng)壓力多為0.4MPa以下，這方面燃氣內燃機適應性更好，更能適應城市建筑安裝與防火規(guī)范的要求;另外，同等級的情況下，燃氣內燃機排汽溫度一般要比燃氣輪機低50℃左右，發(fā)電效率更高，尤其是冷、熱負荷需求較小的情況下，更具有優(yōu)勢;另外，目前的燃氣輪機單機容量偏大，微型燃氣輪機發(fā)展又不成熟，在單機電功率2000kW這個級別，主要是以燃氣內燃機為主?；谶@三點，目前，基于燃氣的分布式能源，其發(fā)電設備還是多選用燃氣內燃機。

燃氣內燃機排煙余熱或用來制熱，或用來制冷，具體主要根據(jù)用戶需要來設計。制熱的話，一般選用余熱鍋爐，可以提供高溫高壓的蒸汽，也可以提供生活用熱水;制冷的話，一般選用溴化鋰制冷機。

溴化鋰制冷機使用熱源來驅動，其中除了較小的水泵外，無大型轉動設備。它的驅動熱源可使用蒸汽、熱水、也可以使用煙氣(最低175℃左右)，在冷負荷需求量較大時，甚至可以使用天燃氣補燃，當然這要在設備選型時就要確定。溴化鋰制冷機使用水為制冷劑，由此決定其能提供的冷凍水溫度的最低溫度不可能太低，一般可提供7℃以上的冷凍水，通過管路輸送、換熱器換熱，可為用戶供冷。當然，也有溴化鋰制熱，一般可提供110℃左右的熱水。

燃氣內燃機與溴化鋰制冷機一般采用一對一的單元制配置，它們均需要冷卻水來維持它們的正常循環(huán)工作，其中燃氣內燃機的冷卻水中分缸套水與中溫水，前者出口溫度一般為95℃左右，可用來供熱，而后者出口一般為60℃左右，一般不再利用;溴化鋰制冷機的冷卻水一般也不再利用，可通過機力通風設備散熱后循環(huán)使用。

大型電空調也叫冷水機，一般設計作為故障備用或頂尖峰冷負荷使用，當然，當冷負荷需求大而電負荷需求小時，也可以用發(fā)出的電驅動電空調，以增加制冷量;電空調單機電功率一般設計為單臺燃氣內燃機發(fā)電容量20%左右。還有柴油發(fā)電機，也是作用故障備用或頂尖峰電負荷使用。

蓄冷罐在分布式能源站中的地位很重要，起到轉移負荷的作用。比如，可以將晚上剩余的冷負荷蓄起來，移到白天使用，有它在，整個分布式能源站的負荷調節(jié)會平穩(wěn)很多，當然，它的另一個作用是事故備用，也就是說，一旦溴化鋰制冷機、電空調均故障時，蓄冷罐要頂上一段時間，具體時間長短根據(jù)用戶要求設計確定。

2 技術經(jīng)濟

國家要求，分布式能源系統(tǒng)年平均能源綜合利用效率要達到70%以上，實際上，這是不難達到的。與傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)方式相比，基于燃氣的分布式能源由于少了冷源損失，其設計綜合能源利用率輕松可達80%以上。一般地，就基于燃氣內燃機的分布式能源站的能量利用看，其天然氣提供的能源中，40%用來發(fā)電，25%由內燃機煙氣余熱排出后用來制冷/熱，15%由缸套水帶走后也可利用，5%由內燃機中冷器散熱、5%從潤滑油散熱、10%其它消耗，損失的能量合計一般不超過20%。

以為一個約24萬m2的建筑配套建設的基于燃氣內燃機的分布式能源站為例，提供冷熱電負荷，安裝兩臺容量2200kW的燃氣內燃發(fā)電機、2臺制冷量為5800kW的溴化鋰制冷機、4臺地源熱泵(制冷、冰、熱)、1臺直燃機、兩臺燃氣鍋爐(共3000kW)，再加上一些輔助設備，總計設備投資約6300萬元，再加上建筑成本600萬元、安裝費用1500萬元，其它費用900萬元，總計投資共約1億元。其收入主要來自賣冷、熱、電，對其收益率影響最大的是冷、熱價格與天燃氣價格。一般情況下，可以做到總投資收益率7%以上，靜態(tài)投資回收期10年左右。另外，政府補貼也是項目的一個重要收入來源。就運營成本而言，天然氣費用可占三分之二左右。

就所了解到的情況看，影響后期天燃氣分布式能源站運行經(jīng)濟性的最重要因素還是冷熱電負荷及其匹配情況。項目可研階段，負荷預測準確，建成后運行狀態(tài)一般不錯，不少項目長期處于停運狀態(tài)或虧本運行，其最最重要的原因就是預測負荷與實際負荷相差太大，當然這其中的原因是多方面的，除了可研水平低外，還有政府違約等不可控制因素。

3 基建、調試與運維

基于天然氣的分布式能源站建設與常規(guī)發(fā)電站有相似之處，許多地方可以借鑒。不同之處主要有以下幾個方面，一是此類項目政策性較強，通常涉及到巨額的政府補貼，對相關政策的細致深入的了解，有利于自身利益最大化;二是此類項目一般緊靠市區(qū)，有時甚至就在居民區(qū)，安全、消防、市政等要求較高;三是需要就并網(wǎng)問題與電力部門進行細致的溝通，從目前情況看，多數(shù)此類項目采用“并網(wǎng)上網(wǎng)”的模式，而對于能源站來說，采用“余電上網(wǎng)”模式才能使利益最大化;四是多數(shù)情況下要與用戶同步建設，建設規(guī)模與用戶的發(fā)展相適應，為此要與用戶、政府各方進行不斷溝通。

與常規(guī)電站一樣，調試工作很重要，但分布式能源站的調試相對簡單，尤其是機務專業(yè)的調試，工作量不是很大，多數(shù)工程都沒有專門的調試單位，而是由業(yè)方或運維方與設備廠家一起完成的設備的調試工作。但無論誰來做這樣工作，基于燃氣的分布式能源站的調試一般還是分為分部試運、整套啟動試驗、試生產(chǎn)三個階段。需要調試的設備或系統(tǒng)主要有：閥門、水泵、給排水系統(tǒng)、消除系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷溫水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、內燃機缸套水系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、鍋爐、發(fā)電機、電空調、柴油發(fā)電機等。

維護與檢修是基于燃氣內燃機的分布式電站一項重要工作，尤其是對長期處于重載運行的燃氣內燃機的維護十分重要，它的維護分日常維護與定期檢修。像家用小汽車一樣，日常維護包括火花塞檢查與更換、潤滑油及其過濾器更換等，一般每運行750小時、1500小時、3000小時、6000小時均要進行相應檢查。燃氣內燃機的檢修也分小修、中修與大修，檢修周期為：小修15000小時(約花費3-4%新機成本)，中修30000小時(約花費10-12%新機成本 )，大修60000小時(約花費25-30%新機成本)。

與燃氣輪機相比，燃氣內燃機的負荷適應性要差很多，比如它不能承受30%以上的負荷突變，再比如它的負荷由100%突降到50%時，頻率與電壓穩(wěn)定時間要20s左右。一般情況下，燃氣內燃機運行要求每步加載負荷不大于10%。當然，采用渦輪增壓技術可以增加機組的抗負荷突變能力，但也很難改變很多。燃氣內燃發(fā)電機在以下情況下會保護停運：過負荷(超額定負荷10%)、超速(超額定轉速2%)、潤滑油壓力低、水溫、水位故障、蓄電池故障(蓄電池用于自身勵磁)、功率方向故障、緊急停車故障等。

了解得知，燃氣內燃機運行可靠性不是很好，比如某能源站有5×4.4MW燃氣內燃機組，據(jù)說每年總計故障停運約20次，主要原因是火花塞等小故障。在單體設備不可靠的情況下，需要通過好的系統(tǒng)設計來彌補這個不足，要確保各設備在故障的情況下相互支援，而不使能源供應中斷。

國內基于燃氣的分布式能源站的維護一般外包。能源站的運行人員也不多，具體根據(jù)機組數(shù)量而定，一般地，供冷/熱面積25萬m2的能源站，采用1臺內燃機與溴化鋰制冷機、2到3臺電制冷，1到2臺燃氣鍋爐，運行人員一般為9人，分4班，1人備用;另設管理人員4名，主其中主管1人，機械、電氣工程師各1人。

4 可研與設計

如前所述，良好的可研，直接決定能源站投運后的經(jīng)濟效益。其中負荷計算是其中重要一環(huán)。負荷包括冷、熱、電、蒸汽等，建筑行業(yè)有相應的計算依據(jù)，但計算結果往往偏差較大，精確的計算需要對用戶更為細致的調查，對于已存在的用戶，這種方法尚可以使用，對于未來的用戶，還是需要設計人員的經(jīng)驗，并依賴相關方良好的契約精神。由于基于燃氣的分布式能源涉及到的能量轉換環(huán)節(jié)較多，設計時應力求工藝簡單，不求余熱全利用，抓大放小即可。

分布式能源站設計的一般流程是：資料收集，負荷分析，發(fā)電設備選型，余熱設備選型，調峰設備選型，輔助設備選型，系統(tǒng)綜合熱力計算，技術經(jīng)濟分析，不同方案比較選優(yōu)，可借助于專業(yè)的軟件來完成上述工作。就發(fā)電容量選型方面，基于燃氣的分布式能源站一般采用“以電定熱”的方式，選型原則是：保證設備發(fā)電及余熱盡可能的長時間運行，一般步驟如下：

(1)根據(jù)用戶資料，計算電、冷、熱的設計負荷。(給出冷、熱、電的全年逐時變化圖，即以小時為計數(shù)單位，全年8760小時，繪制全年負荷逐時變化圖。)

(2)選發(fā)電設備。繪制電力負荷變化延時曲線(即知道保證某一負荷以上的小時數(shù))。比如，保證全年滿負荷時數(shù)3500小時以上的最低負荷在4000kW左右。據(jù)此來選擇發(fā)電機組，比如上述數(shù)據(jù)可選擇兩臺發(fā)電容量為2000kW左右的內燃機組。

(3)選余熱設備。根據(jù)選定的內燃機，計算其可利用余熱(冷)量，一般按這一計算結果的2.5倍選擇制冷(熱)機組;必要時可采用補燃設備。

(4)選擇調峰設備。由設計的總負荷，減去上述設備負荷，選電空調、燃氣鍋爐與蓄能箱，也可以增加太陽能熱設備等。

(5)選附屬設備。一般按一對一原則選泵。

據(jù)了解，由于靠近市區(qū)或生活區(qū)，基于燃氣內燃機的分布式能源站噪聲防治工作也十分重要，在設計階段就要充分考慮。