工业园区小型分布式能源系统应用研究--林世平

1、工业园区小型分布式能源系统应用研究 林世平 （武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉 430070；新奥能源服务有限公司 廊坊065001）摘要 ：本文通过对新兴工业园区热负荷等用能规律、园区企业需求分析，探索统一规划、分步实施、实现能源梯级利用及相关系统能效技术，建设以循环流化床锅炉加背压式机组热电联产技术为核心的小型分布式能源系统，以解决园区热电负荷供应、能源综合利用和环境污染的问题，并指出项目建设存在的问题和风险，是建设工业园区小型分布式能源系统的有益探索。关键词 ：工业园区；热负荷概算指标；热电联产 ；分布式能源系统1、前言中国目前有各种规模和规格的工业园区在建设，如国家级、省级、市级的

2、工业园区，甚至乡镇级的工业园区，园区经济正在成为中国经济发展的热点和推动区域经济发展的重点，各工业园区以自身优势、优惠政策、支持措施加大招商引资力度，实现园区规划目标。工业园区需要有齐备的基础设施配套和支撑，除水、电、热力、燃气等配套设施外，还要考虑园区经济循环需要所必须的能源梯级利用、废物利用等多种需求。而目前许多工业园区在此方面的投入和建设远远不足,按照园区规划要求进行建设投资巨大，政府往往缺乏充足资金进行建设和配套。尤其是工业园区在能源综合利用和环境保护方面往往存在较突出的问题，表现在有的缺少统一的规划，或者虽有规划但由于资金、职能等原因投入及实施不足，园区小锅炉大量存在、分散供热现象严

3、重，造成能源利用效率低下和环境污染严重。近年来，在国家“上大压小”政策的牵引下，工业园区上了不少规模较大的热电项目，对关停众多燃煤小锅炉、提高能源利用率、减少排放起到了一定作用，但随之而来的是由于园区规模达不到预期、用户负荷不足，不少热电企业负荷普遍存在“大马拉小车”的现象，经济效益低而出现亏损和停产，分散小锅炉又“复燃”，这些园区能源利用效率和环境污染的问题还是没有解决好。实现能源梯级利用，提高能源综合利用率、减少环境排放是现代工业园的一个基本特征，我国许多工业园区远没有达到这个要求。本文以河南某工业园区为案例，提出发展以背压式燃煤热电机组为核心的小型分布式能源系统，在满足工业园区能源需求的

4、同时，解决园区的能源、环境和项目的经济性问题。本项目为承担该市107国道以东的小店、榆东等五个园区的集中供能。目前5个工业园区中，小店和榆东工业园区经过近几年的建设已初具规模，本项目主要为这2个工业园区供能，其它3个工业园区正在起步、发展较慢，以后根据实际发展情况进行相应调整。1.1工业园区建设小型分布式能源系统的必要性 （1）满足园区经济增长、热负荷增加的需求。工业园区大多选择在城乡或城市之间的结合部，工业及市政基础设施较薄弱，招商引资具有一定难度，项目的建设进度具有很大的不确定性。有的工业园区已经发展10多年仍不能达到规划的目标，在园区集中供能方面大多缺乏统一规划，在不能集中解决入园企业蒸

5、汽及采暖负荷的情况下，园区企业各自为政，自己建设小型、分散的锅炉房解决热源问题。通常新兴工业园区锅炉房达到4050个以上，锅炉容量从0.5t/h20t/h不等，实际负荷仅为装机容量的2530%，能源利用率低、初投资较大、设备利用率低，且环境污染非常严重。新入园企业由于没有热源而给园区管委会施压或转投其它基础设施较好的园区，但随着园区入驻企业的增加和现有企业的不断发展，生产、生活用汽供需矛盾日益突出，建设园区热电联产小型分布式能源系统刻不容缓。（2）是综合利用能源、提高能源效率的需要。园区企业分散供能，锅炉效率一般仅在50左右，热效率低，能源浪费严重。分布式能源集中供能，采用大型锅炉热效率高，同

6、时由于采用背压式机组，高品位能源用于发电，发电后的余热用于供热供暖，实现了能源的梯次利用，提高了能源的综合利用率。（3）是减少环境污染、提高经济效益的需要。分散供能锅炉房用煤的运入和废渣、灰的运出，加剧了园区的环境污染；锅炉房的引风机和鼓风机绝大多数未采取消声措施，噪声污染严重；除尘设施不完善，无脱硫设施，造成严重的环境和空气污染。热电联产分布式能源系统设施集中，可设置高效的除尘、脱硫装置有利于环境保护；项目可位于园区边缘，减少燃煤、灰渣在装卸、运输、储存过程中对环境的污染以及对园区交通的影响。分布式能源系统取消小锅炉房，减少了噪声对环境的污染，减少用水量及污水排放量，可以改善本地区环境质量，

7、保护和改善环境。【1】分布式能源系统符合国家能源政策，鼓励供热锅炉单台容量20t/h及以上者，热负荷年利用大于4000小时，经技术经济比较具有明显经济效益的项目改造为热电联产，但近年来随着煤炭价格的大幅提高，供热成本增加，经济效益下降。多联供项目建成后,不仅可降低供热成本，而且可以提供部分用电负荷，保障能源的安全，社会、经济效益明显。2、工业园区负荷分析新兴工业园区从开始建设到达到规划要求通常需要10年20年的时间，在建设初期必须考虑热负荷的发展规律并做好预测，按照“统一规划，分步实施”的原则进行设计和建设。热负荷预测的准确性是分布式能源系统建设成败的关键。对于园区已经入驻的企业根据热负荷调研

8、进行详细的分析和预测，在调研过程中注意取得第一手的实际热负荷曲线、生产规律、检修规律、产品热负荷单耗等数据，并考虑同时使用系数。经验表明大多数企业由于担心蒸汽保障的问题，在填报热负荷及设计管径时往往选取最大值，这在计算设计热负荷时必须进行技术处理。对于园区还在招商及闲置地块，也要按照热负荷概算指标进行估算。2.1 热负荷概算指标工业园区是由单一产业聚集区或综合性产业区构成，对电子信息、纺织、新材料、机械及装备制造产业区等，可采用线性回归预测方法并充分考虑一些附加值，得出每个产业区每平方公里的规划热负荷，如下：【2】生物医药产业区：50吨/时.Km2电子信息产业区：25吨/时.Km2纺织及新材料

9、产业区：30吨/时.Km2精密机械及装备制造产业区：20吨/时.Km2出口加工区：40吨/时.Km2工业发展备用地：25吨/时.Km2 由于工业园区的区域较大，所以同时使用系数不可忽略。各类负荷的变化规律是：工业负荷为全年性负荷，冬季与夏季负荷有一定差异，其比值一般在1.0：0.6，全年平均热负荷为冬季负荷的80%，取年平均系数为0.8；采暖负荷为季节性负荷，负荷曲线为正态分布，峰腰是整个采暖期负荷的年平均值，为最大值的0.50.8，取采暖负荷的平均系数为0.6；空调制冷的热负荷也是季节性负荷，平均值一般为峰值的80%，取空调冷负荷的平均系数为0.8；生活热水负荷量通常占全网负荷总量的比例很小

10、可忽略不计。由于用户最大热负荷同时出现概率不高，根据有关规范和设计手册的推荐值，热负荷的同时使用系数对工业通常取0.65，空调（冬、夏两季）取0.85。一般可选择工业生产占40%，采暖、通风占60%。选用全系统的同时使用系数为0.70.8。热负荷的年运行时数对大部分实行两班制和每周双休日制的企业，采用每年4000工作小时计算。规划热负荷等于总预测热负荷（或合同热负荷）乘以全热负荷同时使用系数，即：Q规（0.70.8）Q预 吨/时。22 热负荷分析 下面以本案例工业园区的装机方案为例进行分析说明。 该工业园区现有生产用蒸汽供热锅炉25台，除1台20t/h和1台10t/h的链条式蒸汽锅炉外，其余均

11、为6t/h以下小型燃煤锅炉。园区计划建设热电联产小型分布式能源以取代分散、高污染、高能耗的小锅炉。目前园区需要蒸汽的企业50多家，考虑热负荷同时使用系数后，设计热负荷为44.3 t/h。（1）热负荷参数。经调查该工业园区工业用汽绝大多数用户使用P0.8MPa饱和蒸汽。分布式能源系统在建厂址供热半径南北方向为2.5公里，东西方向为3.5公里。现阶段工业园区的工业用汽最远距离3km,此区域以外的热负荷全部为民用采暖用户。考虑到供热管网的压降、温降与现有热网的设计，供热参数选用0.98MPa 、250过热蒸汽。（2）工业热负荷暂定为p=0.6MPa(g)饱和蒸汽、蒸汽焓值h=2762kJ/kg，电厂

12、出口蒸汽P=0.98MPa(a)、t=300、焓值h=3052kJ/kg，焓值折减系数为0.9，热网效率按0.96考虑。（3）采暖热负荷按城市热力网设计规范，学校采暖指标为60w/m2,居住办公为45w/m2，并按汽机出口蒸汽焓值折算汽量。（4）工业园区内的工业热负荷变化较大，最大生产热负荷与平均生产热负荷同时使用系数取0.7。（5）将工业园区现状热负荷、近期热负荷的叠加值作为本工程的设计热负荷 。设计热负荷汇总如下：工业园区现状热负荷最大平均最小单位t/ht/ht/h采暖期52.1 48.8 47.2 非采暖期20.0 16.7 15.0 表1 现状热负荷表2 近期热负荷工业园区近期设计热负

13、荷最大平均最小单位t/ht/ht/h采暖期46.5 42.4 41.8 非采暖期20.7 16.6 16.0 表3 工业蒸汽及民用采暖负荷汇总现状近期热负荷（2012年）远期热负荷（2020年）工业蒸汽热负荷工业蒸汽热负荷工业蒸汽热负荷采暖热负荷最大（t/h）设计（t/h）最大（t/h）设计（t/h）最大（t/h）设计（t/h）面积（万米2最大（MW）平均（MW）52.144.386.868.4302.4238.1220108.575.53、 系统配置方案3.1 主要技术原则（1） “统一规划、分步实施、以热定电和适度规模”的原则，以供热为主要任务，并符合改善环境、节约能源和提高供热质量的要求

14、。（2） 根据以热定电、热电联产的原则，尽量提高热电比，节约能源，有较好的经济性、灵活性和安全性。（3） 尽量降低工程造价，提高经济效益，工艺流程合理，管线布置短捷，建筑物布置紧凑，减少工程占地，缩短建设工期，提高综合经济效益。（4） 根据能源供应条件和优化能源结构的要求，从改善环境质量、节约能源和提高供热质量出发，优化热电联产的方案。在园区建设初期，入园企业较少、热负荷较小，达不到建设分布式能源的最小负荷；或由于企业急需蒸汽的供应，对供汽时间有严格的要求，提供给能源系统的建设期很短；或由于项目的审批环节较多、周期较长（通常需要18-24个月），项目建设期最少也需要12-24个月的时间。为及时

15、保障部分入园企业用汽需求，按照“统一规划、分步实施”的原则、结合现有热负荷及近期热负荷的要求，可以考虑项目一期只建设部分管网及锅炉房，尽快实现集中供热。在一期建设的同时进行分布式能源项目的报建工作，待拿到项目建设手续后对原有锅炉系统进行改造和扩建，建设成循环流化床锅炉加背压式汽轮发电机组的分布式能源系统。这样可以在减少一期投资、降低投资风险、满足园区企业用热需求的同时，建成小型分布式能源系统实现能源的综合利用。3.2 系统装机方案根据“统一规划、分步实施、以热定电、适度规模”的热电建设原则及实事求是、效为先、技术先进、践行系统能效的原则确定系统装机方案。该系统装机方案如下：一期建设两台35t/

16、h（1.25MPa、250）的循环流化床锅炉（锅炉按照次高温、次高压进行整体设计、布置、计算;一期工程安装后成为1.25MPa、250的低压循环流化床锅炉进行供汽; 二期工程经过简单的改造即成为次高温、次高压循环流化床锅炉)。根据热负荷的增长及园区的发展，二期将35 t/h锅炉改造成次高温、次高压锅炉，并新建一台75t/h的次高温、次高压循环流化床锅炉及一台6.0MW的背压式汽轮发电机组。根据负荷的增长逐步进行扩建，最终规模达到装机容量18MW、供汽能力238t/h的规模。一期建设两台35t/h的次高温、次高压（485、5.3MPa）的循环流化床锅炉。分两步实施：锅炉按照次高温、次高压进行设计

17、、布置、计算。通过整体考虑、模块化合理设计、精心安装，一期工程安装后成为1.25MPa、250的低压循环流化床锅炉进行供汽；二期工程通过加装过热器、减温器及其他受热面，经过简单的改装即成为次高温、次高压循环流化床锅炉，并新上一台75t/h的次高温、次高压锅炉及6.0MW背压式汽轮发电机组,成为以背压式热电机组为核心的小型分布式能源系统。该方案既降低了项目前期的运营成本，创造了较好的经济效益，又能以较低的资金投入顺利从集中供热过渡到热电联产分布式能源系统。一、二期设备的合理配置和互为备用，解决了低压锅炉在热电联产系统中的使用及匹配问题。4、经济和环境效益4.1 经济效益：（1）锅炉热效率从50%

18、提高到83%。（2）提高能源效率节约标煤16.9万吨/年，以5500大卡/公斤煤价650元/吨计算，节约1381万元/年。（3）年均利润总额为1255万元，年均所得税额为315万元（所得税率25），年均净利润为940万元。总投资收益率4.96%，项目资本金净利润率20.14%，税前投资回收期7年，税后投资回收期8.7年。4.2 环境效益：表4 年污染物减排量项 目单 位工程全部实施后（2020年）耗煤减少量万吨年16.9灰渣减少量万吨年4.9烟尘排放减少量万吨年1.0SO2排放减少量吨年3122NOX排放减少量吨年5745、问题及风险分析5.1项目核准问题2004年底前新建和扩建热电联产项目采用政府审批制。2004年底政府实施了新投资体制改革，建设项目采用备案或核准制，这一改革简化了手续，提高了政府的办事效率。热电项目基本属于企业投资项目，按新的要求只需办理核准手续。但新的核准办法要求，凡燃煤热电联产项目不管容量大小由各省上报国家发改委核准，使项目核准存在一定不确定性。【3】5.2 园区热负荷稳定性 园区企业受国家政策及世界经济形势的影响较大，如2008年金融危机危机影响，个别企业停产或限量生产。有的企