北京楼宇化分布式热电冷联产设计方案

北京楼宇化分布式热电冷联产设计方案2000年由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了落实环保基本国策和提高资源综合利用效率的重要行政规章。电冷联产项目，特别强调了国家积极支持发展燃气轮机联合循环热电联产和小型燃气热电联冷产。国家计委已在"十五"计划实施方案中确定在北京、上海积极抓好试点工程。江苏和浙江等地也正在努力开拓"西气东输"工程实施后的天然气市场，这些都为发展小型燃的小型热电冷联产是合理、高效地利用天然气资源的最佳手段，对于改善环境、降低因燃料调整带来的成本增加，也是最好的解决方案之一。为适应国家关于环境保护的要求，改善首都及周边地区的大气质量，开拓天然气合理、高效的用途，拟在北京发展楼宇化分布式热电冷联产，建设一批以天然气为燃料的燃气热电冷系统，以替代和优化整合目前由常规的燃煤、燃油、燃气锅炉采暖；燃气、电力空调制冷和备用柴油机组成的能源系统，提高北京电力供应的安全可靠性，缓解夏季制冷用电高峰，平衡天然气利用，降低天然气成本，扩大天然气市场。在北京地区，拥有大量规模在50,000平方米左右的公用性和商用性建筑，研究制定这一规模的热电冷一体化综合技术解决方案，对于北京的环境保护、提高电力供应安全和减缓电空调调峰压力，以及北京的可持续发展具有深远意义。设计一种技术可靠、适用性强、经济性能良好，满足特别是医院、酒店、综合办公大楼等用户需求的综合技术解决方案，是发展这一容量及楼宇化热电冷联产的关键。根据世界的发展趋势和国际上的最新设计理念，本方案推荐采用小型燃气轮机技术，并结合采用余热锅炉-蒸汽溴化锂空调，或者直接采用余热溴化锂空调互相连接，直接提供电力、制冷冷水、采暖热水和生活用热水。如果需要，可在余热溴化锂空调的燃烧腔内，或烟气出口处再设置热交换器生产蒸汽。华盛顿水门饭店安装了土星热电冷系统根据国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会，以及国家电力公司要求，为积极推动分布式热电冷联产项目在北京的实施，落实国家"十五"规划中"在北京建设热电冷联产试点工作"，实现北京市政府"迎接奥运会，建设新北京"的目标，依据中国电机工程协会热不足电力从电网补充，不足热量补燃解决"和电力"并网不上网售电"，并采取"友好同步发电"的设计观念，即与供电公司、燃气公司和用户友好相处，平行同步供电。暖通指标参照中国建筑科学研究院李先瑞研究员提供的北京地区实际测量得出的"空调设计冷暖负荷指标"和"生活热水负荷指标"作为建筑采暖、制冷和生活热水供应标准。以美国索拉透平公司、加拿大普拉特o惠特尼公司和远大空调有限公司提供的应用设备技术方案研究编制了以下解决方案：小型燃气轮机--余热（补燃）锅炉蒸汽溴化锂吸收式空调机热电冷联产方案与小型燃气轮机--余热/直燃溴化锂吸收式空调机热电冷联产方案用2套457kW普惠ST5S机组，因为两种机组容量、效率相当，本方案只论述土星20机组北京地区基本环境条件：平均温度12℃（计算按15℃),相对适度60%，海拔高度50m。美国圣地亚哥海军医院安装了3台土星机组1、索拉透平公司是世界上最大的小型工业型燃气轮机制造厂家，产品行销全球，至今配合在中国市场的售后服务，索拉已决定在天津港保税区建设备件支援中心提供备件支持，能够为中国用户，特别是北京地区用户提供及时的服务支持。土星机组剖面图SolarSaturn20燃机单机发电容量kW1177燃气轮机长度mm燃气轮机宽度mm2,200燃气轮机高度mm2,180燃气轮机重量燃气轮机重量燃气轮机烟气流量23.172燃气轮机烟气温度℃燃气轮机烟气热量GJ/hrs2、普拉特•惠特尼公司是世界上最大的小型航空发动机制造商，中国民航大量使用该公司发动机产品。以该公司发动机组装的地面发电机设备多达数几千台，其设备技术先进，轻巧可靠的技术特性在同行业中处于领先地位。ST5S机组，出力457kW，顶峰出力563kW，发电效率23.5%，排烟温度587℃,烟气流量8,280kg/h，大修寿命周期3.2万小时P&WST5迷你燃气轮机机组ST5S热电联产型%排烟温度℃烟气流量kg/sRpm30,00030,000长mm3、余热锅炉，可以采用杭州锅炉厂或哈尔滨锅炉厂与703研究所的产品，也可以采用国外厂家或其在国内合资企业的产品。小型余热锅炉是一种技术非常成熟的产品，早以被世界和中国广泛应用。余热锅炉可以采用补燃技术，增加供热能力，提高供热灵活性。索拉热电系统余热锅炉补燃工况比较环境工作温度℃环境工作湿度%燃气轮机燃料耗量MJkWh4,848.45燃气轮机出力发电效率%24.28余热锅炉排烟温度℃512.70余热锅炉蒸汽量kg/h蒸汽压力Bar8蒸汽温度℃蒸汽焓值kJ/kg2,768.4余热回收量MJ/hkWh9,412.62,614.60热电联产效率%补燃820℃余热锅炉蒸汽量余热回收量补燃燃料量kg/hMJ/hkWhMJkWh6,5205013.887,804.002,167.78热电联产效率%88.24补燃927℃余热锅炉蒸汽量kg/h余热回收量MJ/hkWh20,918.05,810.56补燃燃料量MJkWh2,929.44热电联产效率%89.844、蒸汽溴化锂空调机组，国内外有远大、大连三洋、双良、凯利等几十个厂家可以提供各种规格的产品，选择余地极大，本方案以三洋NG61M型800冷吨蒸汽溴化锂空调机组技余热锅炉与三洋NG61M型蒸汽溴化锂空调机组技术参数环境工作温度℃环境工作湿度%燃气轮机燃料耗量燃气轮机出力余热锅炉进口温度℃512.70烟气量kg/h22,917.86余热锅炉蒸汽发生量kg/h3,856.18除氧蒸汽消耗量kg/h456.50有效蒸汽供应量kg/h3,399.68蒸汽压力Bar8蒸汽温度℃蒸汽焓值kJ/kg2,768.40余热回收量MJ/h9,411.67kWk2,247.942,614.35制冷机长度mm制冷机宽度mm2,500制冷机高度mm制冷机运转重量kg/h26,600制冷COP制冷量kWh2,352.472,735.92USRT777.255、余热溴化锂空调机组，目前远大和大连三洋等公司都可以提供，但本方案将按照远大空调有限公司提供的远大BHRS250VII型余热双效吸收式冷温水机组技术参数指标作为基本设计依据。该机组在燃气轮机停运时可以直燃供热制冷，并可以增加容量作为冷热高峰的调节手段，保证满足需求的供应平衡。远大产品在国内外拥有很高的声望，余热溴化锂空调机已经销往美国，该公司与Salor机组的配套方案已经在美国能源部中标，现正在实施之中。目前这一技术正在争取在北京燃气集团调度中心项目中使用。远大BHRS250VII型余热双效吸收式冷温水机组技术参数远大直燃机长度mm6,600远大直燃机宽度mm2,600远大直燃机高度mm2,850远大直燃机重量25,000COP余热回收能力制冷量2,871供热量供热量kW2,248冷水流量M3/h500温水进出口温度℃57-65温水流量M3/h241冷却水进出口温度℃32-37.3温水流量M3/h805项目对于能源的需求主要在电力、采暖、制冷和生活热水，以及部分蒸汽用于消毒等需求。用户的需求往往是不恒定的，需要进行一些调节。通过蓄热和蓄冷技术进行一些调节，力求总量平衡。尽量减少夜间低谷低电价时段的运行，避免浪费可以提高经济效益。本方案按夜间8小时50%出力考虑，总量可以保证实现平衡。需求与保证能力的比较保证面积m250,000采暖设计指标W/m2设计指标容量需求制冷设计指标W/m2设计指标容量需求采暖应用指标W/m2应用指标容量需求24小时连续供暖需求40,680制冷设计指标W/m2设计指标容量需求2,20024小时连续制冷需求52,800方案供暖指标W/m2方案供暖能力2,24820小时连续供暖能力kW44,960方案制冷指标方案制冷指标W/m257方案制冷能力kW287120小时连续制冷能力kW57,420根据已经确定的原则，本方案计划在热力和制冷上基本满足平均负荷需求，而电力解决25%-50%的负荷需求，保证关键部位的电力供应安全。因目前建筑部门适用的建筑暖通空调设计标准是上世纪80年的标准，大大落后于目前建筑的实际建设应用水平，如果按上述标准配置系统，必然造成设备投资的巨大浪费。因此，本方案将根据北京地区实际测量标准设计。电力系统采用外网提供不足电力补充、安全备用和调节；热力和制冷系统应利用一些原有系统作为备用和调节手段，如果没有可利用系统，使用余热溴化锂空调机直燃增容供热制冷峰荷也是解决问题的重要方法之一。因此燃气发电装置的功率选择，主要要依照"以热（冷）定电"的原则，因为热力和制冷一般是无法得到外部支持的，而电力是可以依靠外网补充，所以电力容量最好小于大楼要求的电力需求，并具有较大的调节灵活性。可供选择的最佳燃气发电装置是1,000kW级小型燃气轮机，索拉土星20机组是一个适用的机组选择。索拉-远大系统热电冷匹配容量指标保障供热/制冷面积m250,000设计供电指标设计供电指标W/m250-80供电总量kW/hrs1170标准单位建筑平米供电量23.40设计供热应用指标设计供热应用指标W/m234-50供暖总量kW/hrs2248W/m249.03标准单位建筑平米供热量kJ/m2177kCal/m242余热/直燃机余热/直燃机COP值1.27设计应用制冷指标W/m244-60制冷总量kW/hrs2871W/m257.42标准单位建筑平米制冷量kJ/m2207kCal/m249索拉-远大系统工况变化热电冷出力比较50000平米单位电量发电效率尾气流量尾气温度余热利用量COP制冷负荷制冷量50000平米单位冷量排气温度供热效率供热负荷余热供热量50000平米单位热量W/m2%kg/h℃%W/m2℃%%W/m2实测标准40-8044-6023,367503.42,2612,8712,4302,24844.9622.6523,335444.61,8521.352,5002,13521.6323,315416.81,6591.392,30646.1220.3323,294390.11,4752,12442.4823,27023,24329.7623,216317.729.72每一个项目都有不同的内部需求和需求规律，设备利用时间也有所不同，我们在次主要研究最适合采用本技术的医院、宾馆等项目的规律。预计设备利用时间冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷期全年实际利用时间hrshrshrshrshrs4.1-5.14/9.16-10.3165实际利用时日利用小时比例间安装在建筑物一侧的Solar燃机北京商业和非普通工业用电的价格构成比较复杂，一般采用非普通工业平均电价0.58kWh，高峰0.92kWh，平峰0.56kWh，低谷0.26kWh。时段季节时段季节出力运行时间利用时间单位%hrshrskWhkWh元/kWh元高冬季采暖期100%81,3761,1701,609,9200.921,481,126夏季制冷期100%81,0241,1701,198,0800.921,102,234春秋非采暖制冷期平冬季采暖期100%81,3761,1701,609,9200.56901,555夏季制冷期100%81,0241,1701,198,0800.56670,925春秋非采暖制冷期低冬季采暖期50%8688585402,4800.26104,645夏季制冷期50%8512585299,5200.2677,875春秋非采暖制冷期6,7807,078,5004,983,264九、热价、冷价与供热制冷节约支出：热价应按照北京天然气集中供热费用进行核定，目前北京市执行的天然气集中供热价格为项目单位数值标准热价标准热价元/m2/a30hrs2,904供暖标准W/m240kCal/m234热价元/MW258.3元/kW元/kW0.258冷价可以按照电制冷成本价和天然气制冷成本价格进行平衡，天然气制冷还需要电力和水冷各种电价气价下的制冷成本制冷成本高峰电价元/kWh0.3067平峰电价元/kWh0.1867低谷电价元/kWh0.0867平均值元/kWh0.1933高峰天然气气价元/Nm30.1689低谷天然气气价元/Nm30.1314供热制冷的节约支出冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷期冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷出力运行时间%hrs8利用时间hrs0小时冷热量冷热量kWh2,2482,8712,2482,8710kWh3,093,2482,939,904497,6403,093,2482,939,9040冷热价元/kWh0.2580.3070.3070.2580.1870.187冷热节支元798,876901,571798,876548,7820期888686.08888686.080000.2580.087498,5790夏季制冷期春秋非采暖制冷期7,093.123,813,6697,093.12在城市中使用小型燃气轮机主要使用清洁、安全的天然气燃料，在北京使用陕甘宁气田天然气，西气东输工程第一阶段也将采用陕甘宁气。天然气热值：不小于34888.6kJ/Nm3(8333kCal/Nm3)。陕甘宁天然气成分及特性具体成燃气储份分析表%95.9494%C2H60.9075%C3H80.1367硫化氢%H2S0.0002二氧化碳%水%H2O0.0062高位热值MJ/Nm339.0051低位热值MJ/Nm335.1597Kg/Nm30.76160.589动力粘度U×10-40.1056运动粘度爆炸上限爆炸下限V×10-4%%0.1385天然气单价：非采暖季节1.4元/Nm3采暖季节1.8元/Nm3应用气价冬季天然气气价元/Nm3执行周期月5夏季天然气气价元/Nm3执行周期月7平均气价元/Nm3此外，小型燃气轮机有一突出优势，就是在天然气供应出现问题时，可以自动切换其他液体燃料，如：柴油、液化石油气。索拉燃气轮机方案：工程根据"以基荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决"和"并网不上网"原则，建议选用一台1,000kW级发电设备，由于国内使用最多的小型燃气轮机主要是索拉（Solar）透平公司的产品，资料充分，所以燃气轮机以SolarTurbines生产的Saturn20机组技术数据作为设计依据，若采用余热高炉溴化锂空调以Solar和大连三洋空调公司NG-61M机组配套系统为依据，若采用余热型溴化锂空调以远大BHRS250Ⅶ机组为依据。SolarSaturn20燃气轮机技术指标（ISO工况）项目项目单位技术指标发电出力燃料耗量单位燃耗%24.28发电效率kJ/kWh14825.83排烟温度℃烟气流量kg/hrs22918余热回收量热电综合效率%75.32余热锅炉与三洋蒸汽溴化锂空调技术指标环境工作湿度%燃气轮机燃料耗量燃气轮机出力余热锅炉进口温度℃烟气量kg/h22917.86余热锅炉蒸汽发生量kg/h3856.18除氧蒸汽消耗量kg/h456.50有效蒸汽供应量kg/h3399.68蒸汽压力Bar蒸汽温度℃蒸汽焓值kJ/kg2768.40余热回收量MJ/h大卡9411.672247.942614.35制冷COP制冷量2352.472735.92USRT777.25远大余热双效吸收式冷温水机BHRS250Ⅶ与燃气轮机Saturn20冷热电联产参数项SATURN燃气目发电效率尾气流量尾气温度%%kg/h℃24.1023,36722.6523,335444.621.6323,315416.820.3323,29423,27023,24323,216轮机制排气温度℃4kcal/hBHRS250Ⅶ远大余热双效吸收式冷温水机COP制冷负荷余热制冷量排气温度供热效率供热负荷余热供热量其它额定参数冷水出口温度冷水进口温度冷水流量温水出口温度温水流量%4kCal/h℃4kCal/h%%4kCal/h℃℃M3/h℃M3/h2,2612,8712,4302,24872,5002,1352,3062,124冷却水出口冷却水进口冷却水流量温水进口温度℃℃m3/h℃％；低位热值：8400kcal/Nm3。2.冷温水机：技术条件依据JISB8622-1994《吸收式制冷机》。燃气轮机前置循环余热综合利用热电冷联产技术方案：A、燃气--蒸汽联合循环热电联产方案，即：燃气轮机--余热锅炉--蒸汽溴化锂吸收式空调机方案（方案Ⅰ)。该方案是由燃气轮机首先利用天然气发电，将烟气中的余热通过余热锅炉回收转换成蒸汽利用，冬季依靠热交换器转换热水采暖，夏季依靠蒸汽溴化锂吸收式空调这是一个传统的解决方案，适合于蒸汽需要量比较大，蒸汽品质要求比较高的项目，例如：医院等。该方案还特别适合改造已经购买蒸汽锅炉和蒸汽蒸汽溴化锂吸收式空调机的单位进本方案可能还需要一台小型蒸汽锅炉提供冬季、夏季燃气轮机不运行时段的采暖、制冷，以我们不建议采用这一技术解决方案。采用间接热源和溴化锂吸收式制冷循环的工艺示意图B、燃气轮机--余热/直燃溴化锂吸收式空调机联合循环方案（方案Ⅱ)。该方案也是由燃气轮机首先利用天然气发电，所不同的是将烟气中的余热直接通过余热/直燃溴化锂吸收式空调机收转利用，冬季转换热水采暖，夏季转换冷水制冷。设备淘汰了方案I的余热蒸汽锅炉和备用蒸汽锅炉系统，以及化学水系统，蒸汽泻排系统，效率大大提高。在燃气轮机不运行时段，有溴化锂吸收式空调机直燃运行。不论安全性、经济性都好于方案I，因此我们推荐采用这一技术解决方案，我们只对这一技术解决方案进行图2冷热电三联供系统方案II采用直接热源和溴化锂吸收式制冷循环工艺示意图上述两方案比较，从需求角度，各有千秋，采用燃气轮机--蒸汽锅炉--蒸汽溴化锂空调系统适合于大量需要蒸汽消毒的医院项目和已经使用蒸汽溴化锂空调单位的技术改造；从造价和运行经济性角度，采用燃气轮机--余热溴化锂空调系统节省然有优势。从需求匹配角度，燃气轮机--余热溴化锂空调系统更加合理。相比之下，燃气轮机--余热溴化锂空调系统更有优势，我们研究的重点将集中在这种方式上。方案供热制冷能力比较I燃机-锅炉-空调燃机-空调供热能力燃气轮机机组天然气耗量计算结果列表如下：使用Saturn20燃气轮机的供热能力可以满足50,000平方米级建筑楼宇的实际需求。如果需要达到设计最高值，方案I需要安装一台小型天然气蒸汽锅炉，作为尖峰调峰使用，也可作为夜间保温设施，以保障热力系统的安全运行。方案II，可以利用扩大余热直燃机的功率，使其达到项目采暖、制冷的设施要求。燃气轮机天然气消耗量冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷期冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷期冬季采暖期夏季制冷期春秋非采暖制冷期%运行时间hrs888888888利用时间hrs0小时燃耗m3501.03501.03501.03501.03501.03322.86322.86322.860燃料耗量m3689,421513,057260,537689,421513,057839,43222,1260燃料价格元/m3燃料费用元718,280364,752718,280399,827231,4240合计6,7803,136,8655,031,998中国已经加入WTO，明年起进口关税将逐步降低，增值税也将逐步被消费税代替，总体税收将不断处于下降趋势。税制对于本项目影响较大，占进口设备的30%左右，因此未来的总投工程造价估算燃气轮机设备投资关税（含增值税）余热直燃机设备投资运费/工程安装费用预计工程总造价单位平米分摊元元元元元元/M2750,0006,202,5002,469,0602,000,000预计工程总造价1,253万元，这一费用不包括土地费用和建筑物内部的暖通空调系统的投资，采用国内工程总包，采用方案II作为技术解决方案。发电节支4,983,264制冷供热节支3,813,669总收入8,796,933kWh运行费用元/kWh0.065年运行费用547,560冬季天然气价格元/m3冬季燃气支出2,881,742夏季天然气价格元/m3夏季燃气支出2,150,257燃料支出5,031,998总支出5,579,5583,217,374投资偿还周期A燃气轮机部分偿还周期a折旧周期A设备折旧费626,615.5年节约支出工程总造价可以在4年之内得到回收。由于即使不采用燃气轮机，也要投资建设采暖、制冷和热水系统。实际上，真正增加的支出只是燃气轮机部分，而燃气轮机、进口关税和1/2的工程建设安装费用部分的回收周3年，而设备的使用周期长达20-30年之久，其投资效益极为明显。在折旧期20年的情况下，每年节约支出为259万元。密执根州一小区的热电设施在项目建设中，采用燃气轮机热电冷联产技术，可以减少投资一路供电投资，在北京地区，施工费用平均170万元/公里，电力增容费240元/kVA，如果功率系数在0.8，折合300元/kW，1,170千瓦电力加上减少冷投资100元/平方米；如果采用燃气锅炉需要3台750kW热水锅炉，每台80万元，需要240万元。而采用热电冷联产技术，就不再需要这些投资建筑面积功率系数制冷容量COP折合电空调容量减少电力增容费第二路电力施工费平均建设长度减少电力施工费集中采暖配套费节约集中采暖费集中制冷设备单位投资集中制冷设备投资分散制冷设备单位投资分散制冷设备投资燃气锅炉投资燃气轮机投资m2元/kVA元/kW元/km元/m2元/m2元/m2热电冷2,8713287,1002,040,0003,000,0009,563,250购电锅炉空调2,8715,000,0002,400,000购电集中供热2,8716,000,0005,000,000购电集中供热蒸汽空调2,8713287,1006,000,0003,000,000购电直燃机2,8713287,1003,000,000实际增加投资实际增加投资9,885,1507,400,00011,000,0008,712,9002,712,900采用燃气轮机热电冷联产技术的建设投资大于其他方式的技术解决方案，它的优势在于经济性明显好于其他方式。北京地区各种能源解决方式的能源支出比较总发电功率供电量预计年设备发电小时年发电购电量平均电价年发购电收入支出供暖功率预计年设备供热小时年供热量供热收入总制冷功率预计设备制冷小时年制冷量制冷收入hrskWh元/kWhhrskWh元/kWhhrskWh元/kWh热电冷749736081467520.190679928640.1525购电锅炉空调-1170-749736081467520.218579928640.1867购电集中供热-1170-749736081467520.245179928640.1867购电集中供热蒸汽空调-1170-749736081467520.257679928640.2576购电直燃机-1170-749736081467520.190679928640.1525天然气总耗量m3/hrs501.03272.94272.94天然气价格元/m3年耗气量Nm33210616989151年燃料成本小时运行费用元/hrs29.257.312529.25年运行费用上海地区商业建筑各种能源解决方式的能源支出比较总发电功率供电量预计年设备发电年发电购电量平均电价hrskWh元热电冷6,584,760购电锅炉空调-1,170-6,584,760购电集中供热-1,170-6584760购电集中供热蒸汽空调-1,170-6,584,760购电直燃机-1,170-6,584,760/kWh年发购电出供暖功率预计年设年供热量hrskWh元2,2482,832,4800.25502,2482,832,4800.25502,2482,832,4800.25492,2482,832,4800.27952,2482,832,4800.2550供热收入总制冷功率预计设备制冷小时/kWh元/ahrs2,8714,3682,8714,3682,8714,368