北京某购物中心项目热电冷联产 能源岛技术解决方案

北京某购物中心项目热电冷联产能源岛技术解决方案一、项目概述由北京某投资有限公司承建的北京某购物中心项目即将开工建设，该项目位于北京某工业开发区，总建筑面积373，000M2，其中购物中心326，960M2，酒店式公寓46，040M2，项目建成后将是北京最大、最现代化的商业购物中心。北京恩耐特分布能源公司已为本项目编制了项目热电冷联产技术解决方案，根据业主要求，本公司在恩耐特分方案基础上再提出能源岛解决方案，供业主和有关专家参考。采用热电冷能源供应中心技术来解决大型购物中心的电力、制冷、采暖、热水和新风除湿，以及游泳池温水等能源产品供应，这是世界发达国家普遍采用的先进能源技术，它通过对能源的“温度对口。梯级利用”，实现高度的节能，从而降低用户能源成本，并实现对环境的保护。北京市委书记刘淇最近在一份专家建议上批示，北京应该发展使用分布式能源系统建设的中、小型燃气轮机热电冷联产，另有三位副市长明确支持在北京大力发展小型分布式能源系统，以解决北京的电力、热力瓶径问题，同时优化天然气使用结构。为什么要发展分布式能源小型燃气热电联产，首先该技术有非常好的经济性，北京市物价局已经公布用于区域热电冷联产项目的天然气价格为14元/立主米，以天然气价格使用小型燃气轮机热电冷联产的项目，在北京商业用电高峰、平峰两段平均电价0814元/KWH条件下，供热期每利用1立方米天然气可以产生344元的直接经济收益，减去天然气成本的效益为204元；制冷期可以产生324元的直接经济收益，减去天然气成本的效益为184元，等于免费使用天然气后再有044064元的经济收益，完全可以满足设备运行成本和折旧，是一种“一本万利”的新技术，既节约了能源，又节约了金钱。天然气产值分析北京商业峰段平均电价项目单位小型燃机热电冷微型燃机热电冷燃气内燃机热电冷燃气外燃机热电燃气锅炉蒸汽溴化锂天然气价格元/M31416516516518/17发电效率3028353150000单位燃气发电量KWH/M3293273342308000电价元/KWH0814发电收益元/M3239223278250000供热效率5050405085单位燃气供热量KWH/M3488488391488830供热成本价元/KWH02168供热收益元/M3106106085106180热电联产收益元/M3344329363356180供热差值204164198191000单位燃气制冷量KWH/M3488366254977制冷成本价元/KWH01740制冷收益元/M3085064044170冷电联产收益元/M3324286322170效益差值184121157000上表说明发展燃气热电联产对用户具有极好的经济性，实际上在发电供热以外，还有免费的高温热水或生活用的温水供应，并可以利用余热锅炉的排烟的废烟气进行除湿干燥，其经济效益显而易见。二、设计原则分布式能源设计的最关键因素是根据用户的实际需要，对于用户的多种需求特性进行实事求是的分析，制定一个具有最大适用性的设计方案。北京某购物中心项目的特性是现场没有现成的电力、热力供应条件，但有天然气高中压管道供应，如果采用传统方式必须自建变电站并施工进行电力接入，同时自建锅炉房、换热站、制冷系统、新风除湿系统、热水锅炉、应急发电机组等能源设施。还需要解决施工电源、施工阶段的临时建筑采暖等一系列问题。所以建设能源中心将可以一揽子解决该工程的所有能源需求，并有效降低工程中能源系统建设的综合投入，真正实现即节能又省钱。此外，购物中心的能源使用结构比较简单，电力、采暖、制冷、新风系统基本同步，需求相对比较匹配，系统的调节因素不复杂，自主保障困难不大。因此，我们建议采用能源岛设计方案，即自己解决全部能源供应，除天然气和水利管网外不与外部能源设施联系，自给自足。由于本项目工程浩大，可以采用多机组方案，且可以使用天然气/柴油双燃料的燃气轮机技术，所以完全可以实现能源供应的自保和安全。在北京发展分布式能源项目中，最大阻力是电力部门，因此采用能源岛技术解决方案可以不依靠电力系统，不用与电力公司周旋，自己掌握主动。三、工程设想利用现有天然气中压管道气源条件，首先购置3台1000KW级燃气内燃机发电机组，解决工程建设的电力供应，并负担建设期临时建筑物的采暖供应。在主体工程东南角地下室建设一热电冷能源综合供应中心，主设备采用两台调节灵活，运行可靠的5500千瓦等级燃气轮机发电机组，并利用其余热驱动两台28吨级补燃/余热锅炉，冬季利用余热产生24吨蒸汽支持供热系统运行；夏季将系统总量最大补燃到52吨蒸汽以支持制冷运行；过度期提供20吨蒸汽以支持热水和除湿系统的运行。采用8公斤180过热蒸汽，在主体工程外建设一条热力环网蒸汽管线，输送蒸汽支撑4个角中的东北、西北和西南三个热力制冷站。每站安装1台2500冷吨蒸汽溴化锂制冷机组，4000KW板式汽水换热器，以及蒸汽除湿机组和一个用于供应卫生热水的蓄热式水，水换热器。而能源中心自身除1台2500冷吨蒸汽溴化锂制冷机组，4000KW板式汽水换热器和一个卫生热水水水蓄热式换热器外，除湿将利用锅炉排出的150烟气，同时还要回收内燃机的余热参加系统运行。在冬季，由于燃气轮机热电系统主要在922点使用，238点需要采用蓄热技术解决采暖保温问题，所以必须建设一些蓄热水池，将白天用不完的热量储存起来，在夜间使用。电力系统采用6600V电压输出，支持系统内6KV环网，利用燃气轮机的灵活调节性能，直接支持购物中心总用电系统的安全运行，两套55MW燃气轮机作为系统基本负荷和细部电力调节系统。3台1MW燃气内燃机担任梯级调节和燃气轮机停机后的系统电力供应，以保障酒店式公寓和购物中心内外区域的基本照明需求。一台燃气轮机采用双燃料保障系统，在天然气供应中断供气时作为应急电源使用。四、项目条件1、北京地区基本环境条件海拔高度48M，平均温度14，相对湿度60。由于购物中心主要利用时间为上午9点至晚上10点，所以本方案主要参考日间平均温度。北京季节平均温度趋势图2、天然气低热值LHV8400KCAL/M3，价格14元/M3陕甘宁天然气成分项目组成单位数值甲烷CH4959494乙烷C2H609075丙烷C3H801367硫化氢H2S00002二氧化碳CO23水H2O00062高位热值HHVMJ/NM3390051KCAL/NM3931621低位热值LHVMJ/NM3351597KCAL/NM3839775密度KG/NM307616比重0589动力粘度U10401056运行粘度V10401385爆炸上限51爆炸下限15363、北京经济技术开发区实行两部制电价为北京经济技术开发区已经实行两部制电价，容量电价为30元/月；电量电价为高峰04703元/KWH，平峰03643元/KWH，低谷02733元/KH。北京经济技术开发区电价用户类别两部制电价单一制电价容量电价元/月/千伏安电量电价元/千瓦时高峰平段低谷电量电价元/千瓦时工业用电电价其中100KW及以上30043103350252100KW及以下20072504880272商业用电电价3004690363027208其他用电电价280495376027207居民生活用电电价044燃气轮机应用电价时段容量电价电价利用时间单位元/KW/月元/KWHHRS高峰平峰平均300470370364370417314应用电价048561号内燃机应用电价时段容量电价电价利用时间单位元/KW/月元/KWHHRS高峰平峰低谷平均300470380364380273380369324应用电价0410423号内燃机应用电价时段容量电价电价利用时间单位元/KW/月元/KWHHRS高峰平峰平均30047036036433043509应用电价054464、热价北京市规定采暖锅炉的天然气价格为18元/M3，按照锅炉实际供热效率85计算，热价为02168元/KWH。5、冷价北京市为鼓励夏季利用天然气，对制冷用气实现优惠气价，价格为17元/M3，按照有效制冷COP1计算，冷价为0174元/KWH。6、设备利用时间购物中心每日830至2230营业，年利用时间5270小时。燃气轮机系统利用时间季节天数日运行小时季运行时间供暖季151142114供冷季174142436过渡季4014720总和3655270燃气内燃机其中1台终年运行，另2台每日调峰运行，每日平均运行9小时，也为14小时，年利用5270小时。五、主要设备1、燃气轮机燃机前置循环也称单循环热电联产是一种技术先进、高效率、低污染的清洁燃烧热电生产工艺，它先通过燃气轮机的压缩机将空气压缩十几倍注入燃烧室与燃料混烧，温度超过1，000，使压缩空气热膨胀推动叶片带动燃气轮机发电进行首次能源利用；功后热烟气温度一般还有500，将其排入余热锅炉转换蒸汽，加以利用。本项目建议采用2台美国索拉公司金牛座TAURUS60燃气轮机发电机组。系统示意图由于工艺决定，燃气轮机热电联产具有许多优势。首先是维护率低燃气轮机是一种连续运行的发电技术，不同于内燃机需要不断点火和更换机油，基本不需要太大的维护工作量。由于维护率低，设备可利用率非常高，天然气为燃料的内燃机组平均可利用时间小于7000小时，而燃气轮机平均超过8000小时。索拉燃气轮机的大修周期为30000小时，检修时可以预先租用一台机组，一般在48小时内可以完成更换，如果需求稳定，年设备利用小时能够达到8500小时以上。由此进一步带来的效益是发电运行成本低，燃气内燃机的运行成本为01013元/KWH，燃气轮机为0030055元/KWH。索拉公司是位于美国加州圣地亚哥市的专业燃气轮机制造厂家，属于世界500强企业卡特彼勒公司的子公司。该公司生产的小型燃气轮机在世界同类产品市场上的占有率超过70，截止到去年，已经生产从70015000KW各类燃气轮机超过11566台，累计运行时间1108亿小时。索拉业绩EXPERIENCEBYPACKAGEUNITSSOLDESTHOURS000SCOMPRESSORSETS3325475390MECHANICALDRIVES2254287730GENERATORSETS5169299000PACKAGERASSOCIATES81845930TOTAL11,5661,108,050索拉公司在中国已经销售了98套机组，主要在油田和海上平台，以及大量热电联产项目上，是中国使用最多的小型燃气轮机。该公司已经在天津港保税区建立的备品备件仓库，备有各种型号机组的大量备件、部件、易损消耗件和备用机组。在北京还有多名售后服务和技术支援专家，能够提供及时而又廉价的现场技术服务。金牛座TAURUS60技术参数ISO工况发电出力5500KW发电热耗11840JG/KWH发电效率304烟气流量23240KG/HR排烟温度510燃气进气压力1724BAR机组长度8800MM机组宽度2500MM机组高度2600MM机组重量29478KG2、余热锅炉是用于回收燃气轮机余热烟气，将其转换为工业蒸汽的主要设备。余热锅炉可以采用国内一些专业厂家的产品，主要厂家有1杭州锅炉厂该厂是国内专门从事余热锅炉制造的厂家，是国内燃气轮机电厂余热锅炉的主要生产厂家。但该厂比较偏重于较大的余热锅炉；2舰船工业总公司703所该所是我国舰船动力的主要设计机构，专门设计制造船用和陆用动力设备的作热回收锅炉，也曾为国内许多燃气轮机电厂配套锅炉；3机械工业部成套所不仅在国内设计和组织制造了大量燃气轮机和燃气内燃机余热锅炉，还在国外援建项目中大量供应余热锅炉。若从用金牛座60机组，应采用2套燃气轮机各拖带1台补燃余热锅炉，这样系统比较安全可靠。余热锅炉生产的蒸汽可以采用8KG180低压供热方式为标准，直接用于供应工业蒸汽。采用低压蒸汽供热系统，综合控制系统和化学水系统等都比较简单，工程造价低廉，同时也更加节能。采用蒸汽系统的另一好处是，在夏季气温比较高时，可以使用溴化锂吸收式制冷机组给燃气轮机进气进行预冷，降低空气温度能达到增加发电机组出力和提高发电效率的效果。建议采用2台补燃锅炉的温度应达到925的余热锅炉，每台锅炉每小时可以产生27吨8BAR180蒸汽，总供54吨蒸汽，最大制冷能量为1255526冷吨，折合441945KW，超过预计需求164。如果考虑内燃机可利用的热量制冷，将达到481665KW，超过预计需求的2687，为设计指标的984。3、制冷机组利用蒸汽的溴化锂吸收式制冷机组，建议采用2500冷吨超大型机组，使用大型机组占地省，维护成本低，单位投资也比较低。2500冷吨冷水机组技术参数制冷能力2500USRT8793KW冷水出口温度7冷水进口温度13冷水流量1260T/H冷却水流量2267T/H冷却水进口温度30冷却水出口温度36蒸汽耗量10750KG/H蒸汽温度170蒸汽压力8BAR蒸汽单位耗量43KG/USRT蒸汽凝水回水温度90耗电量66KWH机组长度9499MM机组宽度3594MM机组高度4700MM4、燃气内燃机使用天然气为燃料的内燃机，推荐使用美国卡特彼勒3516LE型1011KW发电机组或奥地利颜巴赫JMS320GSNL型973KW发电机组。卡特机组35该系列机组性能稳定，坚固可靠，在全世界和中国都大量使用。颜巴赫是专门制造燃气内燃机的公司，具有发电效率高，系统集成化高等优势。颜巴赫JMS320GSNL型机组数据发电机出力973KW发电效率38供热出力1324KW供热效率52综合效率90供热水温90回水温度70汽缸数量20缸机组长度5200MM机组宽度1900MM机组高度2300MM机组重量11400余热回收装置长度4650MM余热回收装置宽度1550MM余热回收装置高度3560MM5、除湿机组暂空六、需求分析1、建筑面积与用途特征本项目总建筑面积373万平方米，其中需要采暖制冷的建筑面积为25883万平方米，694，除4万平方米酒店式公寓外，基本都是对电力、空调需求极大的商业性建筑物，包括净高极大的电影院等设施。该建筑属于对能源需求较大的建筑，建议业主注意建筑的节能性。建筑面积与用途名称面积M2冷热负荷要求备注北京某购物中心项目购物中心地下二层48，475元地下一层99，715部分有空调、采暖面积40020M2首层65，320有二层55，630有三层57，820有酒店式公寓地下二层3，000无地下一层3，000无114层40，040有468套公寓总计373，000其中需空调、采暖面积商业区258，830其中不需空调、采暖面积114，1702、建筑能源设计指标根据恩耐特公司方案，建筑设计指标如下项目建筑设计指标项目单位需空调、采暖区域其它区域商业区酒店式公寓车库、库房等合计建筑面积M221879040040114170373000空调供冷概算指标W/M2210750冷综合需求KW45，945903，0030048，94890采暖供热概算指标W/M275700热综合需求KW16，409252，8028019，21205电负荷指标W/M21208020电综合需求KW26，254803，203202，2834031，741403、建议应用指标根据设计规范设定的用能指标往往大大超过实际需求，原因主要的根据特定环境下的极端温度条件下，且不考虑节能因素。根据中国建筑科学研究院暖通空调所李先瑞研究员的研究，制冷需求在商场项目中，未采用节能空调系统时，为209244W/M2；若商场采用了节能空调系统，为175198W/M2。商场的照明主要是照明，如果不使用节能灯具，每平方米照度达80110W，不仅耗电，还产生大量热能需要增加空调负荷的浪费。而利用节能达到同样照度，仅需要22W/M2，而且减少空调的能耗。如果本项目注意采用自然通风和将制冷与除湿分离，将可以大大降低用能指标。建议采用的节能指标项目单位需空调、采暖区域其它区域商业区酒店式公寓车库、库房等合计建筑面积M221879040040114170373000空调供冷概算指标W/M2120400冷综合需求KW26，254801，6016027，85640新风除湿指标W/M260300除湿综合需求KW13，127401，2012014，32860空调综合指标W/M2180700空调系统综合需求KW39，382202，8028042，18500采暖供热概算指标W/M265500热综合需求KW14，221352，0020016，22335电负荷指标W/M2603510电综合需求KW13，127401，401401，1417015，670504、同步系数存在两层问题1电力、热力、制冷之间的同步问题；2用户同时使用能源的同步问题。任何建筑的电力、热力和制冷，都不可能同时达到最大需求，因此存在一个“同步系数”问题。例如制冷，夏季下午是日照最强的时间，制冷需求最高，但购物中心中的人流不是最大峰值，如果能够自然采光，电力需求比较低；而人流最大峰值出现在下班以后的7点钟左右，这时日照因素基本没有了，制冷已经不是峰值，但电力进入峰值时段，除湿系统也已经达到最大值。另外，对于采暖，人流大对于热的需求低，人流小反而对于热的需求大。这些因素需要系统有比较大的调节灵活性，才能有效保证需求的变化。购物中心是一种店铺林立的商业形式，是由一家一家独立的商业店铺分别租用或购买其中的面积经营。每个用户经营商品和营业性质不同于对电力、热力和制冷的使用方式也有所不同。例如商品销售、餐饮、娱乐项目和购物中心内公共设施的人流高峰时间不同，能源需求的高峰也不相同，这其中存在相当大的互补性。实际上，国外大型购物中心中，总有相当一部分面积处于改造、装修、维护和停业之中。所以，同步系数也是必须考虑的一个问题。综合同步系数与预计实际需求项目单位电力热力制冷需求容量KW15，6705016，2233542，18500综合同步系数909590预计实际需求KW14，1034515，4121837，96650七、容量确定对于分布式能源的技术解决方案，容量的可增减性柔性因素非常关键，由于用户的用能方式在建设初期难以确定，特别对于热电冷都要自己解决的能源岛方案。为防止投资的浪费，应该采用比较谨慎的选择，“从小到大”，选择比较低的指标来确定机组，但要留出扩建的余地和设备空间。如果由燃气轮机承担系统全部供热和制冷，将采用冬季直接供热，夏季余热锅炉补燃运行，预计夏季最炎热的6、7、8三个月，锅炉补燃温度将达到88以上。由于没有SOLART605500KW机组的计算软件，本方案按照5200KW机组测算。环境温度影响与容量匹配关系月份月123456789101112平均值平均温度141121273131302620931783单机出力KW5550544651934826460844604460449846544863526654814911双机出力KW111001089210386965292168920892089969290972610532109629883单机热量KG/H12045120011186511613215632322123221228002165211640119081201616295双机热量KG/H24090240022373023226431264644246442456004330423280238162403232591锅炉温度484485488449375081481480075049244874485612单机燃耗GJ649364126218593579457820548205481403798785963627464397018双机燃耗GJ129861282412436118715891416410816410816280615975611926126481287814036容量与需求指标关系项目单位电热冷使用面积M2373，000258，830258，830设计需求量KW31，7414019，2120548，94890平均指标W/M28510742318912节能需求量KW15，6705016，2233542，18500平均指标W/M24201626816298预计实际需求量KW14，1034515，4121837，96650平均指标W/M23781595514669系统发电与用电需求关系项目单位1号燃机2号燃机3号燃机4号燃机5号燃机单机发电量KW55005500100010001000累计发电容量KW550011000120001300014000建筑单位面积电量W/M214752949321734853753供需比例39007800850992189927上表说明电力基本可以满足预计的负荷需求，如果不能满足，可以增加内燃发电机组。如果项目期工程上马，也可以考虑再增加1台5500KW燃气轮机。系统供冷与冷需求关系项目单位1号燃机1号补燃2号燃机2号补燃3号燃机4号燃机5号燃机单机供冷量KW962351246089623512408132413241324累计供冷量KW96235220843317078441686454926468166481406建筑单位面积冷量W/M2371885321225017065175761808818599供需比例253558178351116331198212331JP12679上表说明系统制冷量完全可以满足需求，而且可选择的运行方式很多，由于补燃锅炉的技术灵活性，可以通过调节补燃系统燃料耗量来调节供热，能够保证系统不会浪费能源。系统供热与热需求关系项目单位1号燃机2号燃机3号燃机4号燃机5号燃机单机供热量KW9623596235132413241324累计供热量KW9623519247205712189523219建筑单位面积热量W/M237187436794884598971供需比例624412487133461420515064由于本项目的热指标比较低，所以热量难以消纳。但是考虑到热电联产系统每天仅运行14小时，另外10小时仍需要采暖，如果利用普通水蓄热，蓄能温度4090，蓄能温差50，将需要4个466立方米水池，长10M宽10M深5M；若采用浓盐水，蓄能温度4098，蓄能温差58，将需要4个400立方米水池，长10M宽8M深5M。水池可置于地下，不占用建筑面积，夏季可用于蓄冷水，如果按15蓄能温差计算，可蓄能32500KW，作为尖峰调峰负荷使用。蓄热系统容量要求项目单位数值多余热量KWH7740蓄能时间HRS14蓄能总量KWH108355放能时间HRS10单位时间放热量KWH10836单位面积放热量W/M242八、投资估算1、预计不采用热电冷系统的投资为103亿元。传统方式造价估算项目单位数值变电站万RMB3500电力接入施工万RMB1500天然气锅炉万RMB300备用发电机万RMB800制冷机造价万RMB2600冷却塔水泵万RMB500各种换热器万RMB85辅助设备万RMB100运输安装万RMB300工程施工万RMB500工程前期万RMB50其他万RMB65总造价万RMB103002、热电冷联产的造价为11亿元，比传统方式仅增加700万元。但本方案未考虑燃气轮机进口税和增值税，而且不包括土地成本。热电冷系统造价估算项目单位数值燃气轮机单价万USD210万RMB1737装机数量UNIT2燃气轮机总价万RMB3473余热锅炉单价万RMB350装机数量UNIT2余热锅炉总价万RMB700燃气内燃机单价万RMB450装机数量UNIT3燃气内燃机总价万RMB1350制冷机组单价万RMB650装机数量UNIT4制冷机总价万RMB2600冷却塔水泵万RMB500各种换热器万RMB85辅助设备万RMB250运输安装万RMB950工程施工万RMB900工程前期万RMB80其他万RMB112总造价万RMB11000九、环境保护使用天然气，基本没有二氧化硫污染，主要污染物为氮氧化物NOX，北京市规定为200MG/M3。燃气轮机可选用低排放为25PPM，相当不到60MG/M3，非常环保。燃气内燃机250MG/M3，有所超标，将来进入永久厂房后，可以采用烟道催化技术降低排放。补燃余热锅炉预计的补燃温度设计在927以下，这是NOX大量生成以内，而且实际补燃温度多在850以下，所以也不会大量生成NOX。十、经济评价项目主要收益来自发电、供热和制冷，本方案未考虑生活热水供应收益。项目主要支出为燃料消耗成本和运行费用。1、发电收益预计年发电收益3227万元。发电收益估算项目单位燃气轮机1内燃机23内燃机合计应用发电容量KW9，8839731，94610，856年利用时间HRS527087603285年发电量万KWH5，2081785235639266，06051适用电费元/KWH048560410405446发电收益万元/A2，529143498034