摘　要：燃氣發(fā)電機組是燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的部分，發(fā)電機組選擇的合適與否直接決定三聯(lián)供項目的成敗。本文詳細分析了燃氣發(fā)電機組容量確定的幾種方式以及判斷發(fā)電機組配置是否合理的幾種指標，為燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機組的選擇提供借鑒。

關(guān)鍵詞：燃氣發(fā)電機組　燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)　以熱定電　以電定熱　滿負荷時數(shù)

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

2011年國家四部委下發(fā)《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》，意見中指出“十二五”期間建設(shè)1000個左右天然氣分布式能源項目，并擬建設(shè)10個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。到2020年，在全國規(guī)模以上城市推廣使用分布式能源系統(tǒng)，裝機規(guī)模達到5000萬kW，初步實現(xiàn)分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)化。”2013年2月27日國家電網(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》，解決了發(fā)電并網(wǎng)的行業(yè)壁壘。隨著國家對燃氣分布式能源項目的支持，越來越多的項目計劃采用燃氣分布式能源供能方式，但是如何合理的設(shè)計分布式能源項日，使建成的分布式能源項目真正實現(xiàn)效率最高，經(jīng)濟最優(yōu)，是目前亟需解決的問題，而對于燃氣分布式能源項目中最關(guān)鍵的設(shè)備——燃氣發(fā)電機組的合理選擇是項目成敗的關(guān)鍵，本文詳細分析了燃氣發(fā)電機組容量確定的幾種方式以及判斷發(fā)電機組配置是否合理的幾種指標，為燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機組的選擇提供借鑒。

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

根據(jù)上海市出臺的《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)的總裝機容量不應(yīng)大于相應(yīng)電力接入點上級變電站單臺主變?nèi)萘康?0％。”

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部編制的《燃氣冷熱電三聯(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)備配置及運行模式應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。”^[3]

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

以熱定電在燃氣分布式能源系統(tǒng)中，是指將燃氣發(fā)電機組余熱全部被利用的情況下，反推所需要配置的發(fā)電機組容量。按照該方法，能夠使余熱全部被利用，實現(xiàn)燃氣分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用率最大，但是據(jù)此選定的發(fā)電機組容量一般均偏低，系統(tǒng)總體經(jīng)濟性不能達到最佳。

以電定熱是指根據(jù)供能區(qū)域內(nèi)全部電負荷或穩(wěn)定電負荷確定發(fā)電機的裝機容量。發(fā)電機需要滿足末端用電的最大設(shè)計負荷，燃氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電機則必須根據(jù)末端電負荷的變化調(diào)節(jié)發(fā)電量，余熱產(chǎn)出與用戶熱需求之間的匹配只能被動調(diào)節(jié)，造成大量余熱不能被完全利用。若燃氣分布式能源系統(tǒng)不能并網(wǎng)，需要獨立運行時采用該方式選擇發(fā)電機。

按照以電定熱模式設(shè)計的分布式能源系統(tǒng)一般將導致發(fā)電機組裝機容量偏高，造成發(fā)電的同時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，項目整體的經(jīng)濟性差等，不能體現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)越性。

在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計中，電力負荷的計算主要用來校核發(fā)電機容量。按照“并網(wǎng)不上網(wǎng)，自發(fā)自用的原則”設(shè)計時，為了保證燃機年運行小時數(shù)及負荷率的要求，只滿足電力的基本負荷即可(基本負荷占電力負荷的30％～50％)。對于已有建筑，應(yīng)根據(jù)用電負荷變化情況，繪制出電力負荷逐時曲線，分析出基本負荷，如果無法確定項目基本電負荷，則參照在《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(CJJl45—2010)中規(guī)定，取不超過項目最大設(shè)計電力負荷的30％進行設(shè)計。

由上可見，簡單的按照以熱定電和以電定熱的方法選擇發(fā)電機會造成設(shè)備配置不合理，在實際分布式能源項目的設(shè)備選型中應(yīng)綜合考慮兩種方式各自的特點，實現(xiàn)發(fā)電機組容量的最優(yōu)化，既能確保能源利用效率，又能保證項目的經(jīng)濟性。實現(xiàn)最大的余熱供能量，避免盲目增加機組容量引起的綜合利用效率低下，實現(xiàn)熱電平衡的系統(tǒng)設(shè)計。同時設(shè)計中應(yīng)根據(jù)冷、熱、電負荷的變化以及外部能源價格(市電的峰平谷價、燃氣價格)的變化，逐時計算熱電平衡及技術(shù)經(jīng)濟指標，綜合計算和比較不同發(fā)電容量下的系統(tǒng)各項指標，最后選定最佳發(fā)電機容量。

按照以上方法確定的發(fā)電機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)化選型確定的機組容量是多方案綜合計算比較后所得到的結(jié)果，即最佳機組容量的確定需結(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)化算法對各方案進行綜合比較和排序，因此這項工作量和難度比較大，一般需借助于專業(yè)計算工具完成。

以10萬m²酒店建筑為例，采用分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化計算軟件，綜合考慮能源利用效率、節(jié)約運行費用、初投資、機組滿負荷時數(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。

 

可見通過計算確定的機組裝機容量約為1700kW左右。

在實際項目實施中，如果沒有足夠資料對供能對象做詳細的負荷分析，可結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)定及已有項目運行經(jīng)驗簡單確定發(fā)電機組的容量。對于一般公共建筑，可根據(jù)其功能特點，按照設(shè)計電負荷的20％～50％選擇發(fā)電機組容量，全年負荷較為穩(wěn)定的建筑取上限，負荷波動較大的建筑取下限，如圖l所示。

對于一些特殊的公建需結(jié)合其具體特點具體分析，如針對數(shù)據(jù)中心，其發(fā)電機組容量則將大于其設(shè)計電負荷的50％。

根據(jù)系統(tǒng)總負荷和總發(fā)電量確定發(fā)電機組臺數(shù)是確定發(fā)電機組容量的一個重要環(huán)節(jié)。由于發(fā)電機組都有運行高效區(qū)，一般在50％以下負荷運行時效率會大幅度降低，根據(jù)負荷變化適當調(diào)整發(fā)電機組啟停以保證其整體運行于高效區(qū)具有很大意義，所以在發(fā)電總?cè)萘枯^大時有必要選擇多臺機組以提高系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的靈活性。當然發(fā)電機組臺數(shù)增加也會帶來切換啟停操作風險增加、運行維護工作量增加等問題，因此需綜合考慮機組臺數(shù)的選擇。

在城市燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)中，一般在發(fā)電總?cè)萘看笥?000kW以上時可考慮采用多臺發(fā)電機組，機組臺數(shù)以2臺～4臺為宜。^[6-7]

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

根據(jù)對建筑冷熱電負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)熱負荷與電負荷的變化，對于熱電比小于1.5的建筑應(yīng)重點考慮采用熱電比較小的燃氣內(nèi)燃機，對于熱電比大于1.5的建筑的更適宜考慮采用熱電比較大的燃氣輪機。但是對于規(guī)模較小的建筑，發(fā)電機容量一般選型較小，燃氣輪機的選擇往往受到較大限制。

由于燃氣輪機單機容量一般較大，因此一般更適用于裝機容量偏大的場合n燃氣內(nèi)燃機單機容量多集中于4000kW以下，目前也有少量大容量機組，因此在城市使用范圍較寬。

一般項目裝機容量大于20000kW時可重點考慮燃氣輪機組，裝機容量低于20000kW大于8000kW時可綜合其它因素比較燃氣輪機與燃氣內(nèi)燃機組，裝機容量低于8000kW大于500kW時可重點考慮燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組，小于500kw時可綜合比較燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組和微燃機。

燃氣輪機所需進氣壓力較高，一般為高于次高壓級別，而城市燃氣管網(wǎng)壓力多為4kg以下的中低壓天然氣，燃氣內(nèi)燃機對其具有更好的適應(yīng)性，并且由于采用中低壓燃氣設(shè)備，相應(yīng)的建筑安裝及防火規(guī)范要求更易滿足，因此在城市中的分布式能源系統(tǒng)中采用燃氣內(nèi)燃機相對容易實施。

相對而青，燃氣輪機發(fā)電效率較低，燃氣內(nèi)燃機組發(fā)電效率較高。因此，在電價相對較高的場合增加發(fā)電效率可取得更好的經(jīng)濟效益，此時應(yīng)重點考慮燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組；反之如果熱價相對較高，則可適當考慮發(fā)電效率雖低但余熱利配置用效率較高、余熱品位較高的燃氣輪機。

合理的選擇及確定燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)發(fā)電機的類型以及裝機容量能夠確保項目經(jīng)濟性以及能源利用效率，本文重點講述“以冷定電”、“以熱定電”和“以基本電負荷”3種發(fā)電機的設(shè)計選擇原則推算燃機的裝機規(guī)模，得出若無法確定項目基本電負荷，則參照在《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)程》(GJJl45—2010)中規(guī)定，取不超過項目最大設(shè)計電力負荷的30％進行設(shè)計。對比上述3種方式計算得到的燃機裝機容量，以三者中最小值作為燃機設(shè)計裝機容量。對于一些特殊的公建需結(jié)合其具體特點具體分析，如針對數(shù)據(jù)中心，其發(fā)電機組容量則將大于其設(shè)計電負荷的50％。同時在確定發(fā)電機組形式時應(yīng)重點考慮一些邊界條件的限制和影響，包括供能對象熱電負荷影響、總體裝機容量影響、燃氣壓力影響、能源價格影響等。

 

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