燃气冷热电三联供在北京医院工程设计中的应用探讨

1引言燃气冷热电三联供简单地说即为：天然气发电、余热供热、余热制冷。相比于常规供能：燃煤发电、燃气供热、电制冷，具有能源梯级利用，综合能源利用率高；清洁环保，减少排放CO2、SO2；与大型电网互相支撑，供能安全性高的优势及对燃气和电力有双重削峰填谷作用。2燃气冷热电三联供在医院中的应用现状2.1燃气冷热电三联供技术在我国医院中的应用现状随着我国节能减排政策力度的不断加大，燃气冷热电三联供项目在全国的各类功能建筑中得到广泛使用，但在医院建筑内，目前仅在上海的几家医院使用，分别为黄浦区中心医院、上海闵行中心医院、同济医院、仁济医院，在北京还没有医院建筑投入使用的项目。由我院设计的清河医院，采用了三联供技术，在北京开创了北京地区的先例，目前三联供设备已经安装完毕，马上进入使用阶段。2.2冷热电三联供技术在国际医院中的应用现状虽然在国内医院建筑中算是起步阶段，但在国外，美国、日本等发达国家，医院建筑采用三联供的技术已经很普遍。对于分布式能源项目，根据相关统计数据，到2005年为止，美国已经有6000多座分布式能源站；英国只有5000多万人口，但是分布式能源站就有1000多座；丹麦建成的火电厂均是既发电又供热，供热锅炉房均是既供热又发电；日本由于资源比较缺乏，对冷热电三联供研究十分重视。目前，日本三联供系统广泛应用于区域冷暖、医院、商店、办公楼、福利院等项目中。图1和图2是日本2000年民用燃气冷热电三联供项目数量和装机容量数。图1

2000年日本民用燃气冷热电三联供项目数量（件）图2

2000年日本民用燃气冷热电三联供项目装机容量(MW)从图1和图2中可以看出，医院建筑2000年在日本民用燃气冷热电三联供项目数量（件）上是排列最高的，冷热电三联供项目装机容量也排在仅次于区域冷暖的第二位。说明医院建筑还是非常适合采用冷热电三联供技术的。2.3医院建筑是否适合采用三联供技术采用冷热电三联供技术，需要满足下列条件：（1）有较为稳定的（冷）热负荷；（2）较高的电价和较低的天然气价格；（3）需要有备用电源；（4）天然气供应能力充足。对于医院建筑，根据北京某医院实测的数据可得年冷负荷变化曲线，最大冷负荷出现在第5000h左右（即7~8月），年供冷时间在3600h左右，其中1200h左右时间冷负荷在50%设计负荷以上，大部分时间处于30%~40%设计负荷，约有20%的时间在25%设计负荷之下，因此年冷负荷曲线处于平稳的下降趋势；最大热负荷出现在第8000h左右（即12~1月），年供热时间在3500h左右，其中有2000h左右的时间热负荷在50%设计负荷以上，热负荷相对比较平稳，最大热负荷和最小热负荷出现的时间相对比较少；满足条件（1）；采用三联供系统后，作为一次清洁能源的燃气，国家政策方面和燃气集团都有相应的政策支持，满足条件（2）；对于医院建筑，里面有相当比例的一级负荷和一级负荷中的特别重要负荷，需要有备用电源，满足条件（3）；根据北京的规划，至2020年，北京市年用气量将达到180亿m3，至2025年，北京市年用气量将达到200亿m3，为发展三联供系统提供了良好的气源保障，满足条件（4）。3最近几年燃气冷热电三联供系统相关规范和政策既然医院建筑比较适合采用燃气冷热电三联供技术，为什么我国三联供技术在医院中的应用情况很少，或是很多省份都没有采用呢？主要还是因为国家相关政策的缺失和现有电力体制不允许并网和上网的制约，为此，最近几年，国家层面和省市层面均制定了相应的规范和政策。国家层面：（1）2007年，国家发改委出台《天然气利用政策》鼓励燃气冷热电联供应用；（2）2009年，国家能源局《新能源规划》鼓励燃气冷热电联供应用；（3）2010年，住房和城乡建设部发布了燃气冷热电三联供工程技术规范——CJJ145-2010，解决了在工程设计领域关于三联供技术长期没有国家规范的问题；（4）国家电网公司发布国家电网公司企业标准《分布式电源接入电网技术规定》（Q／GDW_480-2010）及编制说明，对三联供发电并网提出了具体的要求；（5）2011年，国家发改委、国家能源局、财政部、住房和城乡建设部，又提出了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》（发改能源【2011】2196号文），主要为发展建立1000个示范工程，2020年全国装机容量达到5000万kW，对试点项目将给与财政补贴。（6）2012年2月10日，国家能源局发布《新能源产业发展趋势研究报告》，以冷热电联合供应为主的天然气分布式能源，将是我国当前分布式能源发展的重点。（7）2012年，国务院办公厅发文，《国务院关于落实政府工作报告重点工作部分分工的意见》（国发【2012】13号），内容包含发展智能电网和分布式能源（燃气冷热电三联供）等。结合国家层面出台的各项政策法规指导意见等，部分经济发达省市也出台了相应的规定，比如上海市：（1）2008年鼓励政策：分布式供能系统设备投资补贴1000元/kW；天然气价格优惠；支持项目发电并网等；（2）2008年上海市建设和交通委员会发布上海市工程建设规范——《分布式供能系统工程技术规范》（DG/TJ08-115-2008），此规范的发布，为上海地区进行燃气冷热电三联供系统的设计提供了规范依据。北京等其他城市也积极响应国家政策规范，出台了相应的政策和指导意见。4

北京地区燃气冷热电三联供工程实例4.1清河医院工程概况本工程位于北京市清河小营地区，为改造项目，改造前结构主体已经封顶，改造后为三级甲等综合医院，总床位数500床，分为门诊综合楼与康复楼两栋单体。门诊楼地下3层，地上15层（含空调净化机房层），康复楼地下3层，地上6层。两栋单体通过地下3层与地下2层连为一体。本次工程设计为在原有的结构框架中进行改造，医疗功能改为血液病诊治专科医院，将原北京市道培医院整体搬迁至此。改造后，总建筑面积75969m2，其中地上46692m2，地下29295m2。4.2燃气冷热电三联供系统设计原变电所设置在康复楼的地下2层，本工程维持原变电所的位置，本工程的能源中心（即三联供系统）部分位于门诊楼和康复楼之间地下2层及部分地下1层。本三联供系统以天然气为燃料,通过燃气内燃发电机组（2台，电量为836kW）发电满足清河医院大楼部分的电力需求，电力不足部分由电网补充；燃气内燃发电机组发电后排出的高温烟气和高温缸套水进入烟气热水型直燃机（余热回收利用设备），用于部分空调制冷和提供部分生活热水，不足的部分由调峰设备双工况螺杆式电制冷空调（3台，电量为247kW）和真空燃气热水锅炉（2台，Q=2.91MW）解决。真空燃气热水锅炉主要供清河医院全年所需的大部分负荷（3233.86kW的生活热水负荷、4200kW的空调采暖负荷及600kW的散热器采暖负荷）。4.2.1燃气冷热电三联供系统运行方式1）制冷采暖及生活热水系统运行方式：（1）燃气内燃发电机组运行时，优先利用烟气余热和缸套水余热供能来满足冷热负荷需求；（2）夏季制冷时当余热量不能满足全部冷负荷需求时，通过直燃机补燃或开启双工况电制冷空调来满足冷负荷需求；（3）冬季采暖时当余热量不能满足全部热负荷需求时，通过直燃机补燃或开启真空燃气热水热锅来满足热负荷需求；（4）生活热水负荷由2台4t的真空燃气锅炉配合燃气内燃发电机保障供应，平时正常运行1台真空燃气热水锅炉保障基本生活热水需求，不足时再开启另外一台真空燃气热水锅炉；（5）发电机组检修或故障时，两台烟气热水型直燃机均可使用全补燃的方式运行。2）发电系统运行方式：（1）孤网模式下自动检测燃气发电机所带的三级电力负荷及系统制冷采暖量，确定系统发电量和所带三级负荷量；（2）并网模式下自动跟踪用电负荷和冷热负荷确定系统发电量，与市电并网（不上网）。以上工艺设备的切换，使得工艺系统始终工作在节能的运行状态，实现“以热定电”的运行模式。4.2.2电气强电专业的系统设计自附近10kV开闭站引2路10kV电源，每一供电回路均可满足全院用电负荷要求，10kV系统采用单母线分段接线，分段运行方式，一路电源故障或检修时，手动合分段断路器，由另一路电源带全部负荷运行。本项目共设置了5台变压器，1~2TM容量为2×1250kVA，单母线分段，中间设母联；3~4TM容量为2x×1600kVA，单母线分段，中间设母联；1~4TM所带负荷为除去医院医技负荷以外的其他负荷；5TM容量为1250kVA，带医技负荷。本项目设置2台836kW燃气发电机，设置一段专用燃气发电机母线段（见图3注1），燃气发电机出口电压为400V，所带负荷为燃气发电机房自用电负荷、冷冻机房电制冷负荷、部分三级负荷;设置一台1000kW的柴油发电机，设置一段应急母线段（见图3注2），应急母线段电源正常状态取自1TM，两路市电全部失去的情况下转由柴油发电机供电，同时燃气发电机也可以作为应急母线段的长期电源使用（见图3注3所示开关回路）。本次电气设计兼顾燃气发电机孤网运行和并网运行两种工况，在本项目进行设计阶段还不允许并网，所以在运行初期采用孤网运行，在保障重要负荷安全的前提下，发电机尽量多发电；后期在国家政策允许的情况下并网运行，并网运行工况：燃气发电机母线通过联络开关（见图3注4）与4TM低压母线通过同期并联运行，当国家政策允许并网时，手动关合注4所示隔离开关，并在燃气发电机与4TM两个电源满足并网条件时，自动闭合注4所示断路器，实现并网运行。为了充分发挥三联供系统的优点，燃气发电机要尽量多发电，所以特别增加了燃气发电机负荷转换柜（见图3注5），可以通过燃气发电机负荷转换柜，将普通三类负荷转移到燃气发电机母线上来，此负荷转化柜平时由1TM供电。图3能源中心电气系统接线示意图4.2.3此项目三联供部分在可研至施工图阶段遇到的问题1）燃气发电机容量和台数的选择是采用“以热定电”还是采用“以电定热”来确定燃气发电机组的容量，是以往设计三联供系统的讨论焦点。由于本项目为改造项目，燃气发电机组的容量和台数需要考虑是否能在本楼内放下，并结合可研资料由原医院的相关数据绘制的冷、热、电年、日负荷曲线，综合考虑最终确定采用2台836kW的柴油发电机。现在业界已经达成共识，并且在国网能源研究院2012年关于分布式能源的政策法规关键问题研究中，明确冷热电三联供采用“以热定电”的设计原则，在《燃气冷热电三联供工程技术规范》（CJJ145-2010）中3.3.1条还规定，当孤网运行时，燃气发电机应能满足所带尖峰负荷的大小，并网运行时，应根据基本电负荷曲线确定，单台容量应满足低负荷要求，并且在CJJ145-2010的总则中，1.0.4及1.0.5条明确规定：三联供系统应遵循电能自发自用、余热利用最大化的原则，系统的设备配置及运行模式应经技术经济比较后确定；联供系统的年平均能源综合利用率应大于70%，避免出现投资浪费和运行不经济。而上海黄浦医院由于选择燃气发电机容量过大，使得燃气发电机一直处于低效率运转而没有充分发挥三联供系统的优势。对于燃气发电机组的台数，目前CJJ145-2010的3.3.2条也明确规定，当用户的供电性要求较高时，发电机组不宜少于两台；6.2.3及6.2.3条规定，孤网运行或是发电机组兼做备用电源时，发电机组的数量不宜少于两台。2）燃气发电机是否可以作为应急电源使用可研阶段评审专家对燃气发电机是否可以作为应急电源使用看法不一，可研阶段仍执行1995版的《供配电系统设计规范》，规范2.0.3条规定独立于正常电源的发电机组可作为应急电源，专家对此条意见不一，有的专家认为燃气发电机的燃气是受市政条件影响，而且燃气发电机平时是一直在工作状态，而应急电源平时应该是在备用状态，所以燃气发电机不能作为应急电源使用，所以为了供电可靠性更高，可研阶段没有将燃气发电机作为应急电源使用；而本项目进入施工图阶段时，《供配电系统设计规范》的最新版即2009版（2010年7月1日实施）的4.0.1条规定三联供燃气发电机是可以作为备用电源使用，而不能作为应急电源，而且新规范也明确了应急电源与备用电源的区别。本设计最终采用了应急柴油发电机作为应急电源，而将燃气发电机作为市电断电后的备用电源使用的方案。3）应急电源的选择应急电源是选EPS蓄电池还是柴油发电机？因为本工程为改造项目，选择柴油发电机因为要考虑进排风、排烟等因素，不便于在改造项目中实施，所以在方案和初设阶段，选用EPS蓄电池作为应急电源，将蓄电池分为三组，分别设置在两个楼地下位置，集中供电。在施工图阶段，由于EPS的造价超出医院甲方的预算，而且EPS分组设置后需要的建筑面积比较大；经综合考虑还是选择柴油发电机作为应急电源，为了解决进排风问题，冷却方式采用将排风机与散热管与主体分开，置于柴油发电机房外裙房屋顶的闭式水循环风冷方式，将柴油发电机房设置在地下一层，也与三联供能源站机房不在同一层。按照《供配电系统设计规范》（2009版）的3.0.9条的规定，备用电源的负荷严禁接入应急供电系统。为了满足此条规定，本项目所采用的应急柴油发电机只能作为备用电源使用，而负荷末端设计的EPS或是UPS才能作为应急电源使用。

4）燃气发电机的运行方式的选择燃气发电机运行方式共有三种：孤网、并网（并网不上网）、上网（并网且上网）；根据《燃气冷热电三联供工程技术规范》（CJJ145-2010）总则中1.0.3条规定，联供系统宜采用并网的运行方式，只有并网（或上网）才能保证联供发电机组选型适当，运行效率高及保证足够的满负荷运行时间，系统才有一定的经济效益；3.1.3条规定，当没有公共电网或公共电网接入困难时，所带电负荷比较稳定，发电机可采用孤网的运行方式，否则应采用并网的运行方式。上网的方式还应执行电力行业的相关标准，由于本项目设计时还没有相关规范，所以兼顾燃气发电机孤网运行和并网运行两种工况，先期按孤网运行，待政策允许再按并网运行。5）与电网接入点的电压等级的确定由于在本项目设计时，没有相应的规范要求，本设计仅根据以往的运行项目经验和可研进行的设计，采用400V的电压等级；而在《燃气冷热电三联供工程技术规范》（CJJ145-2010），6.1.3条明确规定，并网运行时，单机功率小于2000kW的发电机组，机端的输出电压宜采用400V；单机功率大于或等于2000kW的发电机组，机端输出电压宜采用10.5kV；6.4.3条规定，采用400V的发电机组，宜在用户变配电系统低压侧并网。6）《供配电系统设计规范》（2009版）的出台对柴油发电机和三联供系统中燃气发电机设计的影响在发电机的三联供系统的设计中，按最新版规范，在系统中需要设置柴油发电机和燃气发电机两个备用电源才能满足医院的需求。如前所述，部分一级负荷及一级负