城市能源系统1课件

城市能源系统动态分析

——供热空调的考虑热能工程学院二○○五年三月第一部分背景城市能源结构调整可持续发展、环境问题提出要求西气东输、西电东送工程提供条件电力、燃气、供热等相关部门密切配合我国暖通行业

在城市能源系统中的地位中国建筑总能耗占全社会总能耗的25%，采暖空调耗能约占住宅总能耗的65%；三北地区采暖季采暖能耗占地区总能耗的25%以上；夏季耗电成为全年最高，2002年北京夏季耗电连创历史新高，达800万kW以上，空调耗电占4成；2002年北京市采暖空调耗气量占全年总耗气量的56.6％……推论采暖、空调在城市能源系统中占有重要地位；采暖空调方式选择将对城市能源结构调整产生重要作用；课题研究出发点有必要将空调耗能问题进行分析和研究，且将供热、空调做为一个系统，纳入城市能源与环境大系统中进行研究；供热、空调负荷的强时域性，要求在供热、空调动态负荷和设备变负荷特性的基础上，对能源系统进行动态模拟和分析。研究目标研究工作需反映城市能源系统在供热、空调动态负荷条件下的供需平衡及运行状况，提供包括各种一次能源和电力的消耗、产出及其负荷的不均匀性、污染物排放量在内的多项环境、能源总量和分布数据；模拟和分析结果能够为城市市政、能源及环境管理部门提供实际可操作的决策依据，对城市能源结构调整背景下的供热和空调方式选择和系统运行方式的确定有指导意义。第二部分模型与软件开发能源转换系统示意图——分散转换方式热电厂模型汽轮机抽凝机组汽轮机背压机组调峰能力差，主要承担基本负荷，不考虑变负荷特性，维持设计工况燃气轮机、内燃机单循环燃气蒸汽联合循环类似汽轮机抽凝机组变工况处理燃气CCHP参照单循环或联合循环处理方法集中锅炉模型燃料耗量电耗输配系统模型网输入输出热水网蒸汽网冷水网电网冷热两用网生活热水网天然气输配燃油储运煤炭储运其它分户供热空调设备模型能量转换效率暖器片、直接电热器户式燃气、燃油、燃煤炉单冷空调器热泵空调器耗电量电热器、家用空调

燃气炉和燃油炉中央供热、空调系统风冷热泵、水冷机组、直燃机、水源热泵、吸收制冷系统 机组能耗 末端能耗BCCHP污染物排放模型总量模型落地浓度计算排 地理位置放 排放量源 烟囱高度 直径ISCST3模型气象条件落地浓度落地坐标供热空调系统能流网络图（北京）系统三维示意图连接关系拓扑关联矩阵能源系统线形模型能量平衡关系多热源调节策略模型不均匀系数评价方法不均匀系数是评价样本数据不均匀性的一类概念，本文采用不均匀变差系数C，其定义为样本标准差和样本均值之比：能源系统动态分析软件主界面软件数据库介绍主要进行定性的动态分析评价，其准确性一定程度上也能够满足定量描述的要求；可以方便地研究系统局部的问题，如一个小区、一栋楼宇的能源分析，以及多热源调节等；易扩充、易移植，可以接纳各类研究成果，其研究范围可辐射能源系统分析的各个领域。软件功能第三部分实例分析实例1、北京市现状及奥运能源规划分析背景资料1：北京市燃气环境总量：2000年11亿立方米，2003年底20亿立方米，2008年50亿用气量持续大幅度增长季节性峰谷差问题明显，且逐年增大采暖和空调耗气量占总耗气量一半以上，且比例呈增加趋势背景资料2：北京市电力环境2001年京津塘电网负荷每15分钟数据月报2001年京津塘电网每日最大负荷统计表2002年北京各季节典型日的总负荷变化北京市供热空调系统概况2000年底，采暖用煤约为600－700万吨，约占全市能源消耗总量的18％左右，占全部煤炭消耗总量的1/3左右；2000年燃气总用量为11亿立方米，其中约有50％的天然气用于采暖；其余为电力、燃油和极少量的地热和工业余热城市热网热源汇总北京市能源系统现状模拟城八区民用建筑总面积2.33亿，其中城市热网有5655万平米热用户；区域燃煤锅炉总计9470万平米；小煤炉3977万平米；各蒸汽网供热总计1500万平米；空调总面积1.61亿平米，其中常规电制冷达到1.2亿平米；集中供给的生活热水用户总面积1410万平米2001年模拟结果2001年结果2001年结果2001年结果2001年总量数据北京市奥运能源系统分析《北京奥运行动规划能源建设和结构调整专项规划》对该规划意见与建议奥运能源规划——供热城八区民用建筑总面积3.5亿平方米，无供热面积100万平米；城市热网在2001年5655万平米基础上新增5500万平米供热面积，总量达到111.55百万平米；城八区区域燃煤锅炉和户式小煤炉均被取缔或改造，原燃煤热用户分别改为城市热网和燃气锅炉用户；燃气锅炉供热面积达到1.47亿平方米，原燃煤蒸汽网用户改为燃气蒸汽网用户；户式燃气炉用户达到3000万平米；在2001年基础上规划新增2000万平米直接电采暖用户，使得电采暖面积达到2600万平米；其它如燃油锅炉、直燃机、热泵等方式供暖面积1921万平米。奥运能源规划——空调总供冷面积2.5亿平米常规电制冷供冷面积1.845亿平米风冷、水冷、地源等热泵方式供冷4000万平米吸收式（包括直燃机）供冷2550万平米。改进意见——空调方面城市热网发展2000万平米的热水吸收机制冷；燃气直燃机制冷面积达到2000万平米；区域CCHP和楼宇CCHP各满足2000万平米的空调需求；上述措施替代常规电制冷；其余空调方式不变；改进意见——供热方面发展4000万平米燃气区域CCHP和BCCHP；取消发展2000万平米的电采暖计划；燃气锅炉供热面积从1.47亿降到1.23亿平方米；其余400万平米缺口由增加的燃气直燃机供应；其它供应方式不变。两方案结果对比燃煤和燃油情况，两方案相同两方案结果对比——燃气两方案结果对比——发电量两方案结果对比——耗电量两方案结果对比——烟尘排量两方案结果对比——SO2排量两方案结果对比——NOx排量燃气削峰填谷冬季耗气19.1亿立方米，占全年总耗量的89.5％，夏季耗气1.7亿立方米，占7.8％，冬季最大负荷145.6万立方米/小时，过渡季最小负荷126立方米/小时，夏季最大负荷14.8万立方米/小时，冬夏最大负荷相差近10倍；冬季耗气25.3亿立方米，占全年总耗量的73.6％，夏季耗气6.6亿立方米，占19.2％，冬季最大负荷187.3万立方米/小时，过渡季最小负荷126立方米/小时，夏季最大负荷74.5万立方米/小时，冬夏最大负荷相差2.5倍；两方案的年不均匀系数分别为0.72和0.55，改进方案较规划方案有较大改善燃气削峰填谷奥运规划冬季耗气19.1亿立方米，占全年的89.5％，夏季耗气1.7亿立方米，占7.8％；冬季最大负荷145.6万立方米/小时，过渡季最小负荷126立方米/小时，夏季最大负荷14.8万立方米/小时，冬夏最大负荷相差近10倍；年不均匀系数0.72改进方案冬季耗气25.3亿立方米，占全年总耗量的73.6％，夏季耗气6.6亿立方米，占19.2％；冬季最大负荷187.3万立方米/小时，过渡季最小负荷126立方米/小时，夏季最大负荷74.5万立方米/小时，冬夏最大负荷相差2.5倍；年不均匀系数0.55两方案电力对比分析削峰填谷作用系统耗电量其它发电及外购电量节能效果城市电力平衡关系供热空调系统内发电量 ＋其它发电及外购电量

＝

供热空调相关电负荷 ＋供热空调无关电负荷

系统耗电量奥运能源规划全年用电量134.8亿度，夏季耗电50.2亿度，冬季50.6亿度；夏季最高电负荷5742MW，冬季最高负荷2236MW，冬夏最高负荷差为3500MW；过渡季最小负荷为560MW；不均匀系数1.76改进方案全年用电量115.6亿度，夏季耗电41.7亿度，冬季总耗电41.6；夏季最大负荷4239MW，冬季最大负荷1470MW，冬夏最大负荷相差2769MW；过渡季最小负荷为577MW不均匀系数2.26两方案结果对比——外部电量系统外部电量奥运能源规划全年系统外总发电量526亿度；所需的系统外部最大发电量1290万kW全年最小负荷2520MW不均匀变差系数3.36。改进方案全年系统外总发电量464.5亿度；所需的系统外部最大发电量1024万kW全年最小负荷1195MW不均匀变差系数3.26。各方案总量数据节能效果分析改进方案多消耗了13亿方天然气;多发42.5亿度电；少耗19亿度电；13亿方天然气发了61.5亿度电，按天然气热值为每立方米8500千卡计，折合发电效率为47.9％。 相当于中小型燃气蒸汽联合循环机组的发电效率，节能效果良好。小结北京市能源系统在电力、天然气和热力负荷方面的季节不均匀性比较严重；奥运能源规划在环保、替煤方面效果显著，但对系统不均衡性问题非但没有解决，而且有加剧的倾向；改进方案在促进能源系统均衡性方面思路正确，对天然气和电力环境产生良好效果，系统耗电量的不均衡性说明此方案还有进一步完善余地。实例2武汉经济技术开发区能源规划项目概述以汽车、轻工产业为支柱的，有序、超前的现代化工业新区，是武汉市和华中地区重要的经济增长点。清华大学建筑技术科学系在2002年，为开发区制定了《武汉经济技术开发区能源规划》。热负荷现状与预测现有热源晨鸣乾能热电责任有限公司热电厂晨明汉阳纸业热电厂沌口燃机电厂（燃油调峰电厂）若干燃油、燃煤锅炉规划思路供热分区图3.2.3方案1沌口燃机电厂不进行热电改造第一热源点扩建燃气尖峰锅炉

方案1注释第一热源点的燃煤热电联产承担全部407.7吨/小时的基本蒸汽负荷；需新建供热能力258.7吨/小时，同时尖峰锅炉承担175.7吨/小时的高峰供热量。3.2.2方案2沌口燃机电厂不进行热电改造第一热源点扩建热电冷三联供

方案2注释第一热源点的燃煤热电联产承担全部583.4吨/小时的蒸汽负荷；在现有149吨/小时供热能力基础上，需规划建设434.4吨/小时的热电联产供热能力；夏季用热低谷可供制冷用的蒸汽量最大可达220吨/小时。3.2.1方案3沌口燃机电厂热电改造燃煤热电联产燃气尖峰锅炉

方案3注释——沌口燃机电厂燃气蒸汽联合循环承担基本供汽负荷（407.7吨/小时）中的160吨/小时；将燃气蒸汽联合循环的汽轮机部分由凝汽式改为抽凝式运行。方案3注释——一热源热电厂承担基本供汽负荷（410吨/小时）中的250吨/小时；在149吨/小时供热能力基础上，需增建100吨/小时供热能力的机组。方案3注释——燃气尖峰锅炉承担冬季供汽尖峰负荷170～180吨/小时；尖峰负荷主要由神龙汽车引起，可考虑在神龙工厂就近建设180吨的燃气锅炉；方案比较分析能源系统模拟分析环境系统模拟分析能源系统网络示意图现状模拟结果图5.62001年开发区电力曲线图5.72001年开发区污染物排放量模拟结果对比图全区环境分析与模拟图5.19武汉经济技术开发区规划方案1——烟尘浓度分布图5.20武汉经济技术开发区规划方案1——SO2浓度分布图5.21武汉经济技术开发区规划方案1——NOx浓度分布小结东区方案1：燃煤热电联产与燃气尖峰锅炉方案2：燃煤热电冷三联供（环境是制约因素）；方案3：沌口燃机电厂热电改造，燃煤热电联产，燃气尖峰锅炉方案（经济性和调峰电厂体制转型是制约因素）。西区近期以分散的燃气锅炉为主要供热手段，随着热负荷的发展，远期建设包括燃煤锅炉和热电联产电厂在内的第二热源点，在进行用地规划时，应考虑第二热源点建厂用地。第四部分结论与展望结论开发的城市能源系统动态模拟分析方法和工具：做为模拟工具，本研究不仅能够对诸多方案进行定性的动态分析评价，其模拟结果的准确性，一定程度上也能够满足对城市能源系统进行定量描述的要求；做为系统方法，可用它方便的研究系统及其局部的问题，如一个小区、一栋楼宇的能源分析，以及多热源调节、小范围能源供应方式的比较分析等工作；做为开放平台，可以接纳各类研究成果，易扩充、易移植，其原理可辐射能源系统分析的各个领域，已有的北京和武汉的研究表明软件对民用和工业负荷都能够很好的处理。对北京现状和奥运能源规划的模拟分析，表明本市能源系统的不均匀性正在逐渐增强，规划中应该补充电力、天然气的削峰填谷方案，对一些相关技术给予鼓励；电负荷的改善，当前首先应降低夏季电负荷，而不是增加冬季电负荷。为此，夏季单一电制冷的空调模式需要打破，高效的直燃机、吸收机、分布式燃气热电冷联供技术是较好的选择。武汉经济技术开发区能源系统负荷全年比较均匀，全年能耗曲线的波动主要与工业用热的季节不均匀性有关。对若干规划方案进行了比较分析，对各方案的各项能源消耗，电力生产、污染物排放总量和落地浓度分布、主要经济性指标进行了分析，从经济性、环境保护和环境经济综合等不同角度提出了适合该地区的若干能源方案。展望在城市能源系统动态模拟分析的模型研究方面，有以下工作需要进一步完善和开展：基础数据的收集、整理经济性的考虑变负荷模型的深入研究建筑能耗指标的代表性模型功能的进一步扩充针对北京奥运能源规划的改进还需要深入进行，主要是电力系统的季节不均匀性仍没有大的改善，同时，改进方案中冬季削减电采暖的力度比夏季吸收机和直燃机替代电制冷节省的电耗力度要大，使得整体耗电不均匀性加大，因此从改善电力系统均衡性角度，可以考虑加大夏季削峰力度。燃气热电冷联供系统普遍存在的问题是其热电比通常低于用户对热电的实际需求比，导致电力自用有余，需能够上网，大面积的三联供系统，对电力系统其它电厂的运行模式产生的影响需要进一步研究。结束晨鸣汉阳纸业热电厂总装机容量21MW，3台蒸汽轮机（12MW双抽＋6MW背压＋3MW背压），配有4台65吨燃煤锅炉，供汽160t/h属晨鸣汉阳纸业自备热电厂机组投产时间