工艺技术_分布式燃气冷热电三联供技术

分布式燃气冷热电三联供技术 0前言 分布式燃气冷热电联供系统 DES CCHP 是一种建立在能量梯级利用概念基础上 以天然气为一次能源 同时产生电能和可用热 冷 能的分布式供能系统 作为能源集成系统 IntegratedEnergySystems 冷热电联供系统按照功能可分成三个子系统 动力系统 发电 供热系统 供暖 热水 通风等 和制冷系统 制冷 除湿等 目前多采用燃气轮机或燃气内燃机作为原动机 利用高品位的热能发电 低品位的热能供热和制冷 从而大幅度提高系统的总能效率 降低了燃气供应冷热电的成本 联供技术的具体应用取决于许多因素 包括 电负荷大小 负荷的变化情况 空间的要求 冷热需求的种类及数量 对排放的要求 采用的燃料 经济性和并网情况等 分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机和内燃机发电技术 余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术 以小规模 几kW至数MW 分散布置的方式建在用户附近 配置灵活 便于按冷 热 电负荷的实际需要进行调节 不仅满足了区域内用户的用能需求 还节省了大量的城市供热管网建设和运行的费用 有助于电网和燃气供应的削峰填谷 减少碳化物及有害气体的排放 产生良好的社会效益 符合可持续发展战略 是未来能源技术发展的重要方向之一 在商业 建筑能源系统中将得到广泛的应用 1分布式燃气冷热电三联供技术概述 分布式燃气冷热电三联供 DES CCHP 是最近几年发展起来的新兴技术 有其特定的产生背景和技术经济特点 对其推广和应用 一方面要合理使用 因地制宜 另一方面要提供良好的政策支持和专业可靠的技术支持 1 1分布式燃气冷热电三联供技术的发展背景分布式燃气冷热电三联供技术引起广泛应用与关注的时代背景是小型分布式供电方式成为电力工业新的发展方向 天然气在能源结构中占有越来越重要的位置 同时季节性缺电成为一种急需解决的能源供需矛盾 节能成为时代发展的主题之一 1 1 1供能系统分布化趋向2003年8月18日的晚上 在纽约一片漆黑的夜空中 数以百计的点点亮光特别耀眼 那是一些建筑物配置的分布式供能系统在美加大停电中留下令人印象深刻的一幕 安全性是分布式功能最重要的特点之一 同时 分布式功能系统还具有节约联网成本 环境污染少 调峰性好 调度灵活以及节约土地资源等诸多优点 对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题 合理调整能源结构 进一步提高能源利用效率 改善能源产业的安全性 解决环境污染 单一的大电网集中供电解决上述问题存在困难 而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率 改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献 因此 大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合 被全球能源 电力专家认为是投资省 能耗低 可靠性高的灵活能源系统 成为二十一世纪电力工业的发展方向 纵观西方发达国家的能源产业的发展过程 可以发现 它经历了从分布式供电到集中式供电 又到分布式供电方式的演变 造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求 而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的 因此 虽然从目前能源产业的发展情况来看 集中式供电是我国能源系统发展的主要方向 但从长远看 构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统 增加电网的质量和可靠性 将为能源产业的发展打下坚实的基础 1 1 2天然气使用推广天然气作为一种清洁 便利的能源 其使用范围越来越广 利用规模也越来越大 天然气发电是缓解能源紧缺 降低燃煤发电比例 减少环境污染的有效途径 且从经济效益看 天然气发电的单位装机容量所需投资少 建设工期短 调峰性能好 天然气大量用于化工工业 天然气是制造氮肥的最佳原料 具有投资少 成本低 污染少等特点 天然气占氮肥生产原料的比重 世界平均为80 左右 以天然气代替汽车用油 具有价格低 污染少等优点 随着石油资源的相对紧张 开发潜力极大的天然气已成为现代能源结构中重要的组成部分 目前世界各国都在加快进行开采和进口量 推广使用天然气 我国天然气资源的开发和引进也已进入了一个快速发展的新阶段 如何高效 经济地利用天然气已经成为天然气下游市场开拓的关键问题 在天然气气源充足的情况下 由于LNG PNG的价格比气井天然气高出数倍 因此用于化工业是不经济的 除了一部分提供给工业生产部门供燃烧外 绝大部分 70 以上 须通过发电和民用燃料环节消耗 居民用城市燃气的数量不大 且发展潜力往往是有限的 因此须通过建大规模天然气电厂和发展DES CCHP系统实现 由于目前煤电技术较为成熟 能源量稳定 发电成本较低 天然气发电主要用于季节性的调峰 因此分布式燃气供能系统成为天然气推广中重点发展的一个利用场合 它具有环保 社会 经济的三重效益 1 1 3电力和天然气的季节性峰谷差随着经济快速发展和产业结构调整 我国能源 电力消费快速增长 电力供应缺口逐年拉大 特别是季节峰谷性缺电明显 目前建筑耗能占社会总能耗的20 7 而供热与空调能耗占建筑能耗的65 居民所用电空调比例几乎为100 商用空调约80 是电空调 电力高峰负荷出现在夏季 其中40 的电力负荷是用于电制冷空调的 此时如果不高度重视节能以及改善能源消费结构 能源 电力的供需矛盾将面临严峻挑战 同时 我国城市冬季供暖多采用燃煤 燃气热水锅炉或蒸汽锅炉 生活热水常采用燃气灶及燃气热水器制取 冬季气温较低 取暖和生活热水使用量增大 造成了燃气需求量的季节性峰谷差 不利于燃气供应的稳定性 分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点 将夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来 有利于季节调峰 改善能源供给结构 1 1 4能源利用效率的要求在能源利用效率方面 我国的万元GDP能耗与发达国家相比 存在巨大差距 全国平均能源利用总效率为33 4 左右 与国际先进水平的50 55 相比 还有较大差距 提高单位GDP能耗和整体的能源利用效率对实现经济和环境的可持续发展具有重要意义 节能在我国现阶段应备受重视 任重道远 分别配备供电 供暖 制冷和供应生活热水的装置 不但造价高 而且能源利用率低 目前的建筑能耗80 属于低品位能量 目前多半采用电力和燃煤 高质低用 属于浪费 CCHP可以实现能源梯级利用 提高整体能源利用率 起到节能的作用 1 2分布式燃气冷热电三联供系统构成与特点分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机设备和余热利用设备构成 有多种组织形式 在应用中有鲜明的优缺点 推广和规划时应予以充分考虑 1 2 1系统的基本组成燃气冷热电联供系统由燃机设备和余热利用设备构成 其中燃机设备是系统的核心 包括燃气轮机 内燃机等 余热利用设备包括余热锅炉 吸收式制冷机 换热装置 电制冷机 燃气锅炉等 燃机通过燃烧天然气发电后 产生的高温烟气送入余热利用设备 冬季可用于取暖 夏季可用于供冷 还可生产生活热水 驱动热量不足部分可由补燃的燃气进行供应 根据项目的条件 联供系统及其设备配置可作多种形式的变化 如可采用冰蓄冷装置 蓄热装置 热泵等 提高系统的整体能源利用效率 1 2 2系统的类别形式分布式天然气冷热电联供的系统形式很多 根据燃气发电机种类 余热利用设备种类 发电机与市电的关系和系统运行时间不同来划分 根据燃气发电机种类划分 有燃气轮机冷热电联供系统 燃气内燃机冷热电联供系统 微燃机冷热电联供系统 燃料电池冷热电联供系统等 根据余热利用设备种类划分 有传统余热锅炉 吸收式制冷机组系统 含热水型和蒸汽型 补燃型余热锅炉 吸收式制冷机组系统 余热吸收式制冷机组系统等 根据发电机与市电的关系划分 有发电机与市电并网运行方式和发电机与市电切网运行两种方式 根据系统运行时间不同划分 有全年连续运行和季节性间歇运行两种系统 前者发电机组全年不关机 后者一般采暖季和制冷季运行 过渡季不运行 还有一些系统为每天间歇运行方式 后半夜电负荷低时 发电机组关机 1 2 3系统的特点分布式燃气冷热电联供系统的主要优点包括 1 峰谷差调节作用 燃气负荷与电力负荷在季节上大致呈互补关系 运行期间用气量稳定 减少了两方面各自的季节峰谷差 2 能源利用总效率高 冷 热 电成本互摊 较为经济 3 可作备用电源 提高供电安全性 设备能快速启动 冷态启动仅40min 能起到可靠的备用电源作用 在电网崩溃和意外灾害 例如地震 暴风雪 人为破坏 战争 情况下 可维持重要用户的供电 4 无输配电损耗 同时节约了变电设备和电网建设费用 减少了输热损失和热网费用 就近供电减少了大容量远距离高压输电线的建设 不仅减少了高压输电线的电磁污染 也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊及线路上树木的砍伐 利于环保 5 资金密度低 建设周期短 正常情况下投资回收快 微型冷热电联供系统应用于宾馆 商业区及住宅区的保值回收期为3 6年间 系统具有较好的经济可行性 分布式燃气冷热电联供系统的其他优点还包括 1 可以满足特殊场合的需求 例如在电网覆盖率不高的地区 分散的用户 安全要求高的场合等 2 可带动燃气轮机 余热锅炉 制冷机等制造业的发展 每年创造GDP上百亿元 3 使用灵活 可根据实际负荷需要自由启停 发电机组和空调机组均可单独运行 满足冷 热 电负荷需要 4 燃气轮机可使用多种燃料 燃料消耗率低 排放低 尤其是使用天然气 分布式燃气冷热电联供系统的主要缺点包括 1 对热负荷要求高 使用CCHP的先决条件是有较大的热负荷 同时要求冷热负荷稳定 虽然微型燃机发电效率己从17 20 上升到当前的26 30 但以微型燃气轮机作为动力的简单的分布式供电系统的热转功效率依然远小于大型集中供电电站 三联供系统如果仅作为发电使用不考虑利用余热的效益 则发电成本高于目前市电平均价格 单独发电是不经济的 对于热负荷变化较大的建筑物或者负荷率很低的场所 能源综合利用效率一般很难达到期望的效果 并且发电机的使用寿命也会受到影响 2 系统成本的经济性受政府行为干预的影响大 CCHP成本中燃料占67 78 其经济效益受市场燃料与用电价格 电价 气价 热价 的影响 希望的大趋势是电价上涨 气价下跌 这些与政府定价因素有关 在中国气电比价高的特点下更是如此 从天然气公司得到的供气价格高于燃气电厂价格 增加了发电使用成本 能否采用燃气季节性差价等优惠制度很重要 CCHP的推广要求一定的优惠政策 使投资商在贷款准入 税收方面给以优惠 否则结果很可能是能源利用率上升了 财务上却亏空了 投资商要求投资回收年限短 3 受气源参数的局限性较大 大型燃气轮机DES2MPa以上 一般分布式功能系统所需的16kg cm2及以上压力的天然气不能进入城市市区 这意味着只能从周围低压管道中抽气再增压供气 然而 这种运行方式对其他燃气用户有何影响要进一步评估 增设天然气增压站投资大 预计200 300万元需3年左右收回 施工时间长 增加了设备 压缩机 储气罐 控制系统等 需管理 维护 4 NOx排放造成的环境污染 虽然系统发电的排放量比采用以煤为燃料的火电机组发电少得多 但只要有高温燃烧 就会产生NOx 分布式发电大多布置在城市中 增加了城市中NOx的排放量 使环保状况变坏 城市中过多的CCHP还会产生热岛效应 使城市气温升高 分布式燃气冷热电联供系统的其他缺点包括 1 国内缺乏生产小型 微型燃气轮机的能力 靠进口成本高 2 自备发电系统的上网未予标准和规范 有电压调整 谐波污染 破坏继电保护和短路电流 铁磁谐振 控制调节与可靠性等一系列并网问题有待解决 3 冷热电联供系统主要针对单一用户 而这种负荷随环境温度剧烈变化 与传统大电网 大热网相比 不存在 同时使用系数 供需间的缓冲余地明显降低 因此与传统热力系统相比 冷热电联供系统经常处于非设计工况运行模式 其全工况的特性相对设计工况就更加重要和有意义 4 有可能出现运营商为尽早收回投资而利用优惠政策大量单纯发电的现象 这样反而违背了投建DES CCHP的初衷 1 3分布式燃气冷热电三联供系统的应用现状燃气冷热电三联供系统对用户的用能特点有一定要求 因此在一定的适用场合才能保证其技术合理性和及经济合理性 作为分布式能源发展的一个重要方向 在国内外都已有了不少实际应用 并且发展潜力很大 1 3 1适用领域及场合根据国内外已实施的三联供系统情况和工程实践 认为CCHP要求的用能特点为 天然气供应充足 用电 用冷负荷都非常集中 夏季以空调制冷为主 伴有部分蒸汽和生活热水需求 供冷时间长 单位面积负荷大 同时冬季供暖时间较长 应用对象组织性强 机构统一 便于集中控制和管理 特别是气电价比低的地区采用CCHP经济效益极好 在工业园区和城市商业 住宅 区可发展50 100MW左右规模的DES CCHP 而在一些单独的商业建筑或工厂可以建立数百到数千kW的DES CCHP 国际能源署也建议与美 欧 日目前的DES不同 中国必须发展50MW左右的DES CCHP 作为天然气下游高效利用的重要途径 典型的应用场合有 1 用于人口稠密的城市商业中心 住宅小区 酒店商厦 快餐店 医院等需要洗澡和生活热水 除湿热源的场合 机场 大学 机关等公用事业单位 这些单位用电 用冷负荷都非常集中 便于集中控制和管理 分布式能源站夏季以集中供冷为主 供冷时间长 单位面积负荷大 冷负荷主要为内部负荷 伴有部分蒸汽和生活热水需求 空调能耗季节性较强 冬季供暖时间也长 商业中心电价高 采用分布式能源站经济效益极好 2 用于原有的区域小型柴油机和燃气轮机站的改造 小锅炉煤改气改造 如果用户原有柴油发电机 只要进行改造 就能满足使用天然气作为燃料的要求 还可用于现有的城区内工业燃煤热电联供机组的替代 3 用于有冷热负荷要求的工业园区 工业用户装机容量约是民用的4倍 潜力极大 炼油和石油化学工业是天然气最大的工业市场 中国炼油量近期3 4亿吨 年 沿海和油气田附近的炼油厂部分替代烧掉的重油和炼厂气中可用的乙烯和制氢原料 约需1500 2000万吨 年天然气 并可使能源效率大大提高 建材 食品 造纸 冶金等过程工业和工业园区 特别是在沿海地区不可能再继续烧煤的工业 都有类似的潜力 因为天然气总是比燃料油价格低 电子 家电 轻工等离散制造业工业园区也有一定需求 4 用于集合 庆典 运动会等须保证供电安全的场合 固定或车载 以及医院 银行等须保证供电安全的单位 5 新开发的城区和房地产小区 出于能源结构调整的要求 新开发的城镇过程不应当走烧煤污染或低效率单烧液化天然气的老路 也不应当采用分体式空调或窗式空调 1 3 2已建和筹建项目一 国际上一些国家的DES CCHP发展情况美国至2000年商业CCHP达980座 共4 9GW 工业CCHP达1016座 共45 5GW 2003年DES CCHP装机容量56GW 占总电力的7 发电量310亿千瓦时 占总电量的9 计划2010年达92GW 占总电力的14 2020年达187GW 占总电力的29 日本至2003年CCHP装机6 5GW 其中建筑项目1 43GW 荷兰至1998年CCHP装机7GW 占总电力的48 2 英国2000年4 76GW 计划到2010年发展至10GW 二 我国的已建及在建CCHP项目北京已建及在建CCHP项目 北京中关村国际商贸城一期 在建 中国科技促进大厦 在建 北京市燃气集团监控中心 已建成投用 北京次渠门站综合楼项目 已建成投用 奥运能源展示中心 在建 中关村软件园软件广场 在建 清华文津国际公寓能源站 在建 宝能热力公司三联供项目 在建 培新业务楼三联供项目 在建 水利医院三联供项目 在建 中关村国际生命医疗园 筹建 等 上海已建及在建CCHP项目 黄埔中心医院 已建成 浦东国际机场 已建成投用 上海交大软件大楼 已建成投用 上海淑雅良子健康中心 已建成投用 闵行中心医院 已建成投用 上海理工大学 已建成投用 上海天座大酒店 已建成投用 上海计划到2010年装机量达300MW 2020年装机量达1GW 广州已建及在建CCHP项目 广州大学城 已建成投用 广东东莞鞋厂 已建成投用 广东铝业集团 已建成投用 广东某药业集团 在建 等 其他地区已建及在建CCHP项目 武汉王家墩中央商务区首期工程 已建成投用 杭州赞成宾馆 已建成投用 等 表1 1是目前我国部分已建成DES CCHP项目技术指标 1 3 3推广中的问题与对策目前中国发展燃气冷热电联供分布式能源尚存在一些障碍和问题需要解决 1 政府要合理制定天然气与电力的比价 鼓励使用清洁能源 制定适合节能机制的税务 价格 补贴等优惠政策 对DES实行鼓励税收政策 实行项目优惠贷款和进口设备关税 增值税减免政策 通过优惠税收政策和补贴支持对燃气取暖和制冷技术的开发 提供银行贷款担保或由国家开发银行提供低息贷款 DES项目给予优先立项权 2 要研制高性能的冷热电联供装置 对于发电装置 主要是完善传统技术 发展新技术 研制新型的 低噪声 高效率的发电装置 对于制冷装置 主要是改进制冷循环系统的性能 3 分布式供能系统和低压电网的并网运行 既有技术问题 也有现有法规方面的障碍 要研究分布式冷热电联供系统并入电网的技术措施和经济措施 并制定有利于建筑冷热电联供系统发展的政策法规 4 分布式供能系统的社会化服务程度低下 冷热电联供装置要比电力空调 电锅炉等复杂得多 要建立有资质 有技术和有诚信的分布式能源系统的专业服务公司 可以承担设计 施工 运行 维护 5 主机及其他设备的国产化 目前 设备大多靠进口 价格贵1倍以上 气价居高不下 影响到业主投资和运行成本偏高 业主投资不容易下得了决心 为了降低投资 设备的国产化是重要环节 正在开始的国产化进程必须加快 6 分布式供能系统大多燃用天然气 其气源的局限性较大 这种局限性包括供气管路系统 供气压力和流量能否满足系统需要 天然气公司应带头支持或投资DES项目 包括给予DES用气与大型电站同价 气量保证稳定供应 供气压力保证干管供气 大型燃气轮机DES2Mpa以上 1 3 4现有的政策支持自1998年起施行的 能源法 中第三十九条明确国家鼓励发展推广热电联供 集中供热 提高热电机组的利用率 发展热能梯级利用技术 热 电 冷联供技术和热 电 煤气三联供技术 提高热能综合利用率 把对一种技术 一种生产方式的鼓励以法律形式明确下来的做法 是不多见的 可见 国家对热电联供及由之进一步发展的相关通用节能技术的重视 国家有关部门和各级地方政府积极推广 发展热 电 冷联供技术并以政府财政补贴 融资支持等经济政策支持相结合使之落到实处 为促进上海市实现能源的综合利用 优化能源供应结构 推进循环经济和资源节约型城市的建设 根据上海市发展和改革委员会沪发改能源 2004 019号 关于印发燃气空调和分布式供能系统协调推进工作会议纪要的通知 上海市建设和管理委员会沪建 2005 54号文的精神 在上海市科学技术委员会支持下 上海市电力公司会同有关单位组成了规程编制组 制定了 分布式供能系统工程技术规程 已于2005年8月1日起正式实施 上海市鼓励分布式供能的政策支持还有 2004 2007年 单机规模在1万千瓦以下的燃气分布式供能系统项目的设备投资补贴 每千瓦装机容量补贴人民币700元 建设分布式供能系统的进口自用设备 除国家规定不能免税的设备外 经批准可予免征关税和进口环节增值税 对燃气分布式供能系统用户实行季节性差异气价 气价可能下调15 左右 总体气价全年平均的降幅大概在1 左右 气价的差异主要有两个原则 首先是淡季 旺季有差异 而另外一个原则就是用气量越大价格越低 设备的运行时间越长 价格越低 对于列入合同能源管理示范项目的单位 市财政部门根据上报的计划给予一部分专项补助 对于列入市技改项目的可在进口设备的关税和上交的所得税中最高可享受固定资产投资总额40 为期五年的退税优惠 根据上海市政局编制的 上海市燃气空调 分布式燃气热电联供系统发展规划 远期规划到2020年 燃气空调和分布式热电联供的装机容量分别达到600万千瓦和60万千瓦 其中燃气空调占中央空调比例达到20 天然气用气量分别达到58亿立方米和88亿立方米 约占天然气总用气量150亿的10 左右 折合电力负荷220万千瓦 约占城市电力总需求量3100万千瓦的7 2分布式燃气冷热电三联供系统的节能效益 与集中式发电远程送电比较 DES CCHP可以大大提高能源利用效率 传统的大型发电厂的发电效率一般为35 55 扣除厂用电和线损率 终端的利用效率只能达到30 47 而DES CCHP系统把发电排放的热能 通过供热或转换后供冷 实现能源的多级利用 能源利用率可达85 没有或仅有很低的输电损耗和输热 冷 损失 而传统的输配电路损耗高达10 左右 2 1从能源质的角度力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象上的应用 它揭示了能量在量上的特性 热力学第二定律涉及能量传递的方向和深度的问题 是能量在质上的特性 所谓能的质量是指能的品位或能的可用性 能量在其传递或转换过程中 品质是逐渐降低的 即能量贬值 2 2 1系统经济佣效率计算传统热力装置能源利用性能评价准则 多为总能利用效率 又称为第一定律效率 其表达式如下 第一定律效率 电力输出 热能输出十冷能输出 消耗燃料量x燃料热值 然而根据热力学第二定律 热与功并不等价 将它们相提并论常常会误导系统设计优化 拥概念的提出使我们有可能将功与热合理地合并到一个综合评价指标中 即拥效率 与第一定律效率相比 功与热因各自不同的品位得到了区别对待 拥效率评价准则显然更加科学 第二定律效率 电力输出 热佣输出 冷拥输出 消耗燃料量x燃料拥 经济拥效率 电力输出十热能输出xB 冷能输出xC 消耗燃料量x燃料热值 式中系数B为热 电售价之比 而C则为冷 电售价比 经济佣效率的优点在于它与国民经济的收益密切相联系 通过由价格最后反映出来的功与热的贡献 价值 不同及生产难易不同 从而能够较好地反映出热力装置的能源利用优劣 另外 与热力学上的效率还有一定的联系 有学术上的意义 当然 经济佣效率应用成功与否 与电 热 冷三者之间的售价比确定是否合理有很大关系 由于目前尚未形成成熟的冷 热价标准 上述系数的确定应从实际情况出发 根据实际生活中社会对三者的需求性与价值观选择 2 1 2DES CCHP的梯级用能中国建筑物能源需求的特点是暖通空调 热水供应 电气 炊事各占用能的比例为65 15 14 6 其中80 属于低品位能量 目前多半采用燃料和电力 高质低用 属于浪费 天然气用来烧水做饭 虽说是一种非常理想的清洁燃料 但就其热量利用效率来说是极其不合算的 利用天然气产生的高温烟气来加热热水 达到80至100 从热力学第二定律计算可知其利用效率极低 作为民用燃料又不得不使用 作为工业燃料直接烧锅炉 将大量热能浪费在烟气中 更是极不经济的做法 所有的能量一旦从高品位到低品位了 很难再回收回来 这就是能源在质量意义上的浪费 充分利用燃料的火用值不但是节能的关键 也是节钱的关键 例如需要用450 5000 的高温气体加热原料的陶瓷厂就是一个突出的例子 此时若前置燃气轮机而以其排气代替直接燃烧天然气供应高温气体 则天然气的超高温段 1200 5000 的焓值就可以100 用来发电 这是一个高位焓值不用白不用的例子 天然气作为能源利用的最高效率是电热冷三联供 从热力学第一定律来说 它的节能原理就是能把能量吃光榨尽 从热力学第二定律的角度来说 它充分的利用了高品质的能量 同样在能量质的角度起到了节能效果 燃气冷热电联供系统根据 温度对口 梯级利用 的原则 尽可能按照需求提供各子系统的输入 高品位热能 450 优先用于动力系统发电 中品位的热能 温度约在170 450 用于对口的中低温区域的热力循环系统 低品位的热能 温度一般低于170 用于低温区域的热力循环系统提供吸收式低温热量的过程 将燃气发电 供冷 供热有机结合 梯级利用一次能源 其能源利用率将会比各种形式的热电联供高 天然气在燃气轮机里就有30 40 的能量转化为电能 一次转化的效率就高于一般火电厂的锅炉蒸汽轮机机组的效率 再加上排出高温烟气产生的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机发电 使能量利用率达到60 以上 剩余的能量还可以用来制冷 产生热水 用于各种不同能级的用户 系统能量梯级充分利用 使能量利用率达到80 以上的最高境界 这便是天然气电热冷三联供的供能价格比烧煤还有竞争力的根本原因 2 2从能源量的角度从能源使用总量的角度考虑 冷热电三联供系统综合能源利用率高 节约了总的能源使用量 只要设计运行合理 在包括供冷期 供热期在内的整个运行区间内均有较大的节能效益 同时 节能是一个相对的概念 要科学 客观地对待各种指标 2 2 1DES CCHP的节能效果评价节能的基本分析方法是热平衡法 这是建立在热力学第一定律基础上的能量分析方法 主要考察系统热量的平衡关系 揭示能在数量上的转换和利用情况 从而确定系统的能利用率或能效率 热效率 一次能源转换成电能的比重已经成为世界各国经济发展水平 能源使用效率的高低和环境保护好坏的一个重要标志 为提高总能利用效率 在生产高品位的电能 即将其他能转换为电能 的同时 采用冷热电联供 CCHP 的方式实施能源梯级利用 向用户供电的同时供应热和冷 这是实现节能的有效方式 评价燃气冷热电联供系统是否节能 可以采用在供热期或供冷期 按供应相同热量 冷量和电量的状况下 冷热电联供方式相对于冷热分产 以燃气锅炉供热 电制冷机供冷 的一次能量节约率即节能率来进行评价 当节能率为 值时是节能的 值时则不节能 节能率应按供热期 供冷期分别进行计算 供热期的节能率Xc的计算式如下 2 2 2供热期的节能效果目前我国的电力生产仍以煤电为主 但各地区因发电厂的规模 机组的不同 其电网的发电厂发电效率会有一定的差异 一些城市的燃气 蒸汽联合循环发电机组投入发电后 在这些电网的上网电力的电厂发电效率将会发生变化 但是以煤电为主的状况短期内不会改变 以北京为例 即使建造或规划中的燃气 蒸汽联合循环发电厂投入运行 大部分电力仍是从内蒙 山西 河北等地供应 进行DES CCHP系统的供热期 供冷期的节能率计算时 不能只用某一特定的发电装置的发电效率进行比较 而应采用电网发电效率为40 55 进行比较 40 是国内燃煤发电厂较好的发电效率 而55 为燃气 蒸汽联合循环发电装置的发电效率 图2 1为供热期的不同电网发电效率的变化 CCHP系统按燃机 余热吸收式制冷机配置时的节能率 Xc 变化曲线 曲线绘制时已计入电网输配效率0 9 图中曲线1是按燃机采用内燃机时总效率 t e h 为82 其中发电效率 e 40 供热效率 h 42 计算绘制 曲线2是按燃机采用燃气轮发电机时总效率为78 其中 e 30 h 48 计算绘制 从图2 1可见 供热期采用CCHP方式都是节能的 其节能率为 采用内燃机时为0 21 0 36 采用燃气轮机时为0 12 0 24 图2 1供热期的节能率 2 2 3供冷期的节能效果一 在不同发电效率时的比较 图2 2为供冷期的不同电网发电效率变化时CCHP系统的节能率的变化曲线 从图2 2的变化曲线可见 在CCHP系统采用燃气轮机 t 78 时 只有当电网的发电效率小于46 时 供冷期才是节能的 当电网的发电效率为40 时 供冷期节能率约为0 13 见曲线1 但采用内燃机 t 82 时 供冷期都是节能的 节能率约为0 01 0 28 见曲线2 图2 2供冷期的节能率 二 制冷机配置方式不同时的节能率在CCHP系统设备的优化配置中 至关重要的是电动压缩式制冷机和余热吸收制冷机的制冷能力的合理配置 图3为假设供冷期的供冷量为1 0时 按电制冷机制冷量 余热吸收式制冷机制冷量分别为1 0 0 0 0 0 1 0时供冷期节能率变化曲线 图2 3的节能率变化曲线是以电网的发电效率为55 输配效率为0 9和电制冷机的COPe 5 余热吸收式制冷机COPa 1 2进行计算绘制 曲线1 2与图2 2的条件相同 从图2 3可见 采用内燃机的CCHP系统在供冷期都是节能的 其节能率为0 01 0 65 见曲线1 而采用燃气轮机时若余热吸收式制冷机制冷量小于等于约92 时 供冷期是节能的 其节能率为0 04 0 62 余热吸收式制冷机冷量大于92 后是不节能的 见曲线2 因此 在CCHP系统中均应合理配置一定数量的电制冷机 当配置电制冷机供冷量大于50 后 节能率均在0 4以上 这种工况是CCHP系统为充分利用燃机余热应该做到的制冷机配置的比例 图2 3供冷期不同制冷机配置方式的节能率 2 2 4冷热电联供的总热效率根据2000年原国家四部委的1268号文下达的 关于发展热电联供的规定 中的要求 应以热电联供的总热效率界定其联供项目是否合格 对供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联供应符合总热效率年平均大于45 该规定中热电联供的总热效率采用下式计算 上列计算式中 分子是能量品位不等的二次能量 电能是高品位能 可以100 转换为热能 而热能不可能100 转换为电能 因此总热效率实质上只是代表一次能源的利用状况或燃料利用率 冷热电联供的总热效率计算时 由于采用了燃机余热制冷和电制冷机制冷等类型的复合制冷方式 联供既对 联供系统 外供电 在电网谷段也可能从电网购进电能 为了进行各种供冷 供热 供电方式的能量消耗比较 拟将对 联供系统 外供电的电量和从电网购进的电量带入总热效率计算时均折算为一次能源耗量计算 表2是以北京某公共建筑群为例进行不同供冷 供热方式技术方案的CCHP的总热效率测算 其中供电网的发电效率均采用46 测算 该建筑群的总建筑面积约70 104m2 包括写字楼 商用建筑 博物馆 宾馆等 测算按4个供冷 供热的技术方案进行 方案 1 燃气轮机 余热锅炉 蒸汽型吸收制冷机 电制冷 冰蓄冷 燃气锅炉 方案 2 燃气轮机 余热直燃机 电制冷 冰蓄冷 燃气锅炉 方案 3 方案 1 热泵 方案 4 燃气轮机 余热直燃机 直燃机供热 供冷 表2 1某公共建筑群采用不同CCHP方案的总热效率测算 从表2 1可见 总热效率最高为方案 3 总热效率为94 8 最低为方案 4 总热效率为79 5 年能源费最高为方案 4 全年能源费为670万元 最低为方案 3 全年能源费为465万元 从分析研究 测算燃气冷热电联供的节能率 总热效率的变化表明 采用CCHP在冬季供热期是节能的 在夏季供冷期 只要采用燃机余热制冷和电制冷机制冷的复合供冷系统 节能效果十分明显 2 3与燃气空调的对比燃气空调具有一系列优点 采用天然气作为能源 基本不用电 因而可以大大缓解日益增长的用电压力 研究表明 性能系数为1 35的高效直燃机与性能系数为5 8的离心机 性能系数为5 1的螺杆机 性能系数为3 0的热泵机比较 直燃机的耗电量仅为离心机的16 螺杆机的巧 热泵机的9 7 大量采用燃气直燃型吸收式空调代替各种电空调 将有效的降低夏季的高峰用电负荷 从而缩小电力峰谷差 高效燃气空调也是节能的空调 评价空调机的能效 不仅应该在标准额定工况下比较 还必须在实际运行中比较 要充分考虑年季节运行特性和部分负荷运行特性 燃气空调的最大优点是在部分负荷条件下 其运行制冷系数基本保持不变 或反而有所提高 机械压缩式空调在部分负荷下则表现为明显的制冷系数衰减 因而对实际空调系统能效的运行分析应该建立在季节能效比SEER的基础上 以天然气为燃料的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组既可以制冷 又可以供热 如果在高压发生器上再加一个热水换热器 就可以同时提供生活用热水 达到一机三用和省电的目的 但这种直燃型冷热水机组与水冷离心式和螺杆冷水机组相比 一次能耗大 制冷效率低 而且不适用于热负荷大 生活热水用量大的建筑物 燃气轮机具有污染物排放量低 容量范围宽 机械效率高 排气温度高等优点 已成为建筑冷热电联供系统供电的主力 与燃气吸收式空调相比 燃气轮机驱动空调即使在不回收余热的前提下 其制冷的能源利用率也比燃气吸收式空调高30 100 克服了燃气吸收式空调节电不节能的缺点 由于夏季气温很高 导致燃气轮机的功率严重不足 效率降低 因此 通过吸收式冷温水机利用燃气轮机的排气制冷来冷却燃气轮机的进口燃气和空气 可以大大提高燃气轮机的功率和效率 目前已被证明是非常有效的节能方式 同时往往由于冷热机组部分也是吸收式机组 因此具有一般燃气空调的大部分优点 3分布式燃气冷热电三联供系统的技术经济评价 从长远看 分布式供能系统有巨大的经济优势 但是 能源利用率高这一优势还未必能转化为经济优势 有可能是能量利用率上升了 而财务却亏空了 在目前的市场价格环境下 分布式供能获取利润的关键在于正确的设计和正确的运营 因此 对其进行技术经济分析显得较为重要 技术经济学是研究技术与经济的相互关系的学科 它通过技术比较 经济分析和效果评价 寻求技术与经济的最佳结合 确定技术先进与经济合理的最优经济状态 即把技术与经济结合起来进行研究 以选择最佳技术方案 3 1投资项目的技术分析冷热电 三联供 与热电分产相比的节能条件计算式如下 式中 E 三联供系统发电效率 E 常规发电装置发电效率 吸收式制冷系统需要的热量QC与燃气轮机余热量Q 的比值 QC Q COP 吸收式制冷系统能效比 COPC 电动压缩式制冷系统能效比 h 三联供系统供热效率 Q 热电分产供热效率 Q 三联供系统余热率 当上列不等式成立时冷热电 三联供 与热电分产相比才是节能的 该公式对方案的设计和合理配置机组具有一定的指导作用 要使 三联供 系统获得较好节能经济性是有条件的 对于冷 热 电不同的 三联供 系统 选取合适的系统方案设置 设备配置才能有节能效果 且有较大的节能空间 合理配置机组是成功与否的关键 因此 系统设计时就必须按各建筑物逐时电负荷 冷负荷 蒸汽热负荷的测算 得到的负荷曲线并将它们分别叠加 根据负荷情况设计运行方案 包括系统方案设置 选择合适的热 电 冷比例 选择合适的机型配置或采用补燃技术以进一步提高燃料利用率 提高约10 及增加蒸汽产量 或结合采用水蓄冷技术将电能移峰填谷并延长机组运行时间等 3 2投资项目的经济性分析冷热电三联供系统投资要从企业的经济利益角度进行综合分析 以保证企业能获得必要的投资回报 因此必须从设施的整个生命周期的投资费用 能源费用 运行管理 设备维修 投资回报等方面做出分析 3 2 1设备的投资预算项目的设备投资主要在于燃机 吸收式制冷机组和余热锅炉等 燃气轮机需要从国外进口 燃气轮机进口税率按30 计算 如果业主是中外合资企业则可以申请免税 燃气轮机的报价一般包括控制系统和天然气 柴油双燃料系统 燃机生产的电力可以直接与用户380V供电系统连接 并在客户端进行调频调峰 设备现场无须人员值守 吸收式制冷机组的设备报价本身包括辅助燃烧系统 控制系统等 控制系统可以与燃气轮机匹配衔接 实现无人值守 各分布式系统的建设期均考虑在1年内完成 大型的燃气一蒸汽联合循环则考虑在3年内完成 比较附合实际情况 在进行投资运算时 所取的生产期 还贷年限 折旧年限 摊销年限等对各种系统均应相同 以满足可比性 3 2 2系统的收益分析对于业主而言 系统在建成投产以后主要有两方面的经济收益 即电收益和冷热收益 首先 项目投资的第一项收益是所节约的电费 由于我国商业和非普通工业用电的价格构成比较复杂 为了便于计算与分析 可按平均电价0 65元 kWh进行计算 也可采用运行时当地各时段电价的加权值进行计算 项目的设备发电效率按照当地的平均条件进行考虑 计算过程中不考虑其它的衰减因素 其次 项目投资的第二项收益是冷热收益 为了方便对各系统进行对比分析 以系统生产冷热的最大成本作为方案比较的冷热参考价格 如按热值计算法 在天然气燃料的价格基础上考虑余热锅炉补燃后的热利用效率 同时 还需要支付水处理费等 发电供冷成本加上一定的资金回报和负债回报构成上网电价及供冷价 或者说 当发电成本一定时 为了满足内部收益率 投资回收率 贷款偿还率等经济评价指标的要求 必然对应有一个最低的上网电价及供冷价 这里提及的上网电价只是进行天然气发电经济性分析的概念 并不等于电厂真实售电价 3 2 3系统成本支出费用的分析冷热电三联供系统建成投产后 系统成本一般是由总投资的折旧成本 运行和维护成本 燃料成本三部分组成 当项目竣工后 前两部分成本基本确定 变化因素较少 不妨称之为固定成本 一般地 燃气轮机联合循环建设比投资低 自动化程度高 劳动定员少 因此与常规燃煤电站相比 系统成本中固定成本部分所占比例减小 一般占35 55 由系统配置可知 在系统消耗的燃料种类中 天然气占了绝对的比重 除燃气轮机消耗的燃料外 烟气直燃机和余热锅的补燃也需要大量的燃料 所以燃用天然气产生的费用是系统最大的成本支出 燃料成本比例一般占45 65 出于计算模型的简单化 可只考虑设备本身所消耗的天然气量而未按照系统运行时燃料消耗的实际情况进行计算 由于燃料成本所占份额较高 系统的运行经济性将很大程度上取决于天然气价格 因此 设法降低天然气价格对减少燃气轮机联合循环发电成本至关重要 考虑到燃气轮机热 电 冷联供项目的社会经济效益和环保效益 如减少大气污染 提高能源利用率等 由政府给予优惠的燃气价格和提供政策扶持帮助 对其目的成功是相当重要的 运行维修费中水费 运行材料费 修理费工资福利费等四项 均按照各自情况取 3 2 4系统的财务经济指标投资项目财务方面要进行现金流量分析 现金流量是指企业在投资项目所引起的现金支出和现金收入的数量 现金流量的分析是投资项目经济分析的基础 投资项目经济分析主要指标及方法 1 投资回收期 1 静态投资回收期 当不考虑时间价值时 动力设备的基准投资回收期 PB K 原始投资 M 年现金净流量 2 动态投资回收期 项目实际运行中的收入支出具有时间价值 计入贷款利率计算 式中 M为每年等额年收益 税后利润 K为建成投产时投资总额 io 基准社会折现率或银行贷款的平均年利率 2 净现值 NPV 投资项目的收益总现值与原始投资额的差额 净现值用下列计算公式 式中 n 年限 Ft 项目第t年现金流量 i0 资金利率 K 项目原始投资 3 内部收益率 IRR 内部收益率是投资项目本身的投资报酬率 指项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率 内部收益率反映了工程项目对投资支出的恢复能力 其值越高 方案的经济性越好 当内部收益率大于基准收益率时 项目是可以接受的 它是评价投资项目的重要财务指标 内部收益率计算公式 其中Mt为年净收益 万元 n为使用年限 从上列计算公式可显示出 要使 三联供 系统获得较好的经济效益 必须从系统的设计 运行管理上提高设备的负荷率 提高设备的投运率 必须加强设备管理提高维护保养水平 降低设备生命周期成本 提高投资回收率 实现经济效益的最大化 项目其他重要的经济指标见表3 1 3 2 5计算数据的选取对于资金数据的计算 建设投资是参考了国内已建工程而设定的 贷款与资本金的比例按常规70 30 分摊 固定资产形成率统一按96 计列 固定资产中电 热分摊比对大型热电厂通常取75 25 这里为了使余热利用部分投资不至于超过热电分产时燃气锅炉的投资太多 暂取电 热分摊比为85 15 固定资产残值率统一按10 计列 流动资金中自有资金占30 对于财务数据 利率和基准收益率均按当前标准采用 期望收益率统一取10 税务数据均按国家现行规定执行 对于价格数据 电网售电价一项是为分布式系统与全电网进行经济比较而列的 如按上海目前情况 电价分峰时 平时 谷时三段 分别为0 889元 kWh 8h 0 632元 kWh 8h 0 294元 kWh 8h 电网售电价应按分布式系统在各时段运转时间加权平均计得 为了尽量提高分布式系统的经济性 我们考虑它们仅运行于峰 平时段 这样电网加权平均售电价可达0 7284元 kWh 需要说明的是各种不同分布式系统其余热的形式和品位是不同的 如果其被利用的用户要求的品位也不同的话 这些余热就要按不同的品位按质论价 但若终端用户要求的热量品位都相同 那么就可以以终端品位来统一计价 例如占冷热负荷绝大多数的空调系统负荷就是这样计算的 由于采用以热定电的原则 年利用小时数对供电和供热都一样 额定每小时供热量按各种机组额定参数计算 但不同类型机组可供利用的余热的品位是不同的 应将它们按火用值统一折算到基准状态才具可比性 或按高质高价 低质低价的原则调整其热价 3 3项目的经济性影响因素及敏感性分析年利用小时 燃料价格 供热热价 电价 单位造价等是影响分布式燃气冷热电三联供系统经济性的重要因素 这些因素中的某个因素在其它因素为基本值的前提下超过或低于一定的临界值后才是在经济上可行的 这些临界值可以用来界定分布式系统的经济性 进行项目的运营盈亏平衡分析 3 3 1天然气价格的影响燃料费在DES CCHP年运行成本中占有相当大的比例 最高的达到78 最低的也有44 因此天然气价格的波动将直接影响到系统的年运行成本 图3 1为典型情况下天然气价格波动对不同DES CCHP系统投资回收期的影响 从图中可以看出 各种DES CCHP系统的投资回收期都随天然气价格的升高而增加 微燃机和内燃机变化情况基本一致 而小型燃气轮机的投资回收期随天然气价格的增加 增加幅度较慢 当天然气价格从1 0元 Nm3增加到1 5元 Nm3时 其投资回收期从3 02a增加到9 96a 远低于微燃机的从3 84a增加到15 55a和内燃机的从4 21a增加到15 54a 图3 1天然气价格对投资回收期的影响 3 3 2电价与热价的影响提高电价与热价会增加系统投资收益 提高系统的运行经济性 发电效率越高的系统 其年收入中的供电收入所占的比例也越大 因此电价的影响比热价更大 图3 2为典型情况下电价对不同系统投资回收期的影响 当电价从0 5元 kWh增加到1 0元 kWh时 微燃机和内燃机投资回收期均大幅下降 微燃机从9 66a降到1 79a 内燃机从10a降到1 71a 小型燃气轮机投资回收期的变化相对较小 从5 64a降到1 48a 图3 3为典型情况下热价对不同系统投资回收期的影响 由于内燃机的联供供热量小于为微燃机的 因此 热价对其的影响也小 当热价从20元 GJ增加到45元 GJ时 内燃机投资回收期从17 23a降到9 05a 微燃机的投资回收期则从19 71a降到8 87a 下降幅度大于内燃机 这是由于微燃机联供供热量较大 热价提高 有利于供热收入的增加 同时小燃机的投资回收期也下降 图3 2电价对不同系统投资回收期的影响 图3 3热价对不同系统投资回收期的影响 3 3 3年供热天数的影响供热天数越长 供热负荷越大 系统的能源利用率也就越高 这也是DES CCHP系统优势之所在 只有供热负荷充足 系统才能获得可观的热收入 图3 4所示为典型情况下3种DES CCHP系统投资回收期随供热天数的变化而变化的曲线 随着供热天数的增加 从94d增加到135d 微燃机及内燃机系统投资回收期减少约4a 由于价格因素往往随市场变动 很难人为规定 因此尽量提高设备的利用时间就变得非常重要 这一方面要求有一个稳定的热 冷 负荷 另一方面设备容量也不能定得太大 总之应使设备的年利用小时数为极大 图3 4年供热天数对投资回收期的影响 3 3 4敏感性分析为了能对这几种影响因素 天然气价格 热价 电价 有一个更直观的认识 假定在考虑一个因素变化时其它参数保持不变 并且其中每一个因素均以10 的幅度递增 图3 5 a c 分别为典型情况下微