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商業樓宇天然氣冷熱電聯產分布式電源應用價值分析

作者:admin來源:本網 日期:2018-3-20 8:47:00 人氣: 標簽:

  能源是人類生存的基本條件和社會發展的原動基金項目:山東省中青年科學家獎勵基金資助(03BS121)力,能源問題一直是人們關注的焦點。目前世界上正在積極推動第二代能源系統的建設,進行試點,抓緊開發配套相關設備,甚至準備立法。所謂第二代能源系統主要具有以下特征:燃料的多元化、設備的小型、微型化、冷熱電聯產化、網絡化、智能化控制和信息化管理、高標準的環保水平。其中,燃用清潔燃料一天然氣的商業樓宇冷熱電聯產分布式電源可謂其中較典型的代表,是21世紀能源利用方面值得期待的發展方向。

  1樓宇冷熱電聯產分布式電源的發展內外一般簡稱為BCHP,本文以下亦稱為BCHP)是一種建立在能量梯級利用概念上,將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發電過程一體化的多聯產現場能源系統,在發電的同時,利用余熱或余熱+補燃機組的模式進行冷暖供給。BCHP始于20世紀70年代的能源危機,目的在于提高能源利用率,減少有害排放。BCHP不僅充分地利用了燃料的熱能,而且最重要的是,它將燃料的能量按品位逐級加以利用,使之無論從量上還是從質上都得到了充分利用,其總能源利用效率可高達90%以上〔1.與此同時,減少了各能源系統綜合投資和運行管理代價,大大降低了有害排放量,減少了供電線損并能夠應急突發事件,提高了供電安全性。BCHP的動力裝置可選擇外燃式或內燃式蒸汽動力裝置;制冷裝置可選擇壓縮式、吸收式或其它熱驅動制冷方式;采暖裝置可直接采用熱交換裝置或冷暖聯供裝置。BCHP規模很靈活,可以是大規模冷熱電聯產系統,也可以是設在用戶現場的中小型分布式系統,系統流程可進行優選。目前BCHP主要用于樓宇、區域建筑、有可燃廢氣或工業余熱的建筑物等。

  燃用天然氣的BCHP主要有兩種工作模式:燃氣輪機驅動電機發電,排出的高溫尾氣通過余熱鍋爐回收產生蒸汽,部分蒸汽供給吸收式制冷機,其余蒸汽通過熱交換器提供采暖及衛生熱水,或作為工業用汽使用。這種模式適合于大量需要蒸汽的建筑,例如需要蒸汽消毒的醫院,還適合于已經使用蒸汽吸收式制冷機的建筑物進行技術改造;(2)燃氣輪機或余熱鍋爐的排氣還可以直接驅動排氣直熱型和排氣再燃型冷溫水機為用戶提供所需制冷、采暖及生活熱水。這種模式下,尾氣余熱直接由冷溫水機回收進行制冷、采暖并提供衛生熱水,無須另加熱交換器,系統流程簡單造價低,特別適用于無蒸汽需要的樓宇建筑。

  BCHP最早出現在美國。到目前為止,美國仍是BCHP的積極倡導者。目前,美國Solar公司在小型燃氣輪機生產方面已具備雄厚實力,主要生產1~15MW的燃氣輪機;美國的Caspstone公司主要生產25~300kW的微型燃機。美國BCHP現在正以年均9.6%的發展速度增長,其中20~10000kW機組發展特別快。根據美國提出的“BCHP2020年綱領”〔2,其戰略實施目標為:2005年建成200個示范工程,在10%的聯邦建筑物中采用BCHP;2010年20%的新建和5%的現有商用、機構類建筑物將使用BCHP;到2020年50%的新建和15%的現有商用、機構類建筑物將使用BCHP;英國的Bowman公司現在也已成為微型燃機著名的生產商,英國在曼徹斯特機場還成功建立了BCHP項目;意大利、泰國用減免20%~40%燃料費的辦法鼓勵建筑物應用BCHP.我國政府從可持續發展戰略出發,也在調整天然氣的使用比重,除了建設大型燃氣一蒸汽聯合循環電站外,也開始重視燃氣輪機或柴油機BCHP的試點建設。目前,國內已有一些BCHP的成功應用例子:上海市黃浦區中心醫院、浦東國際機場、環球國際金融中心、淄博萬杰集團等,實踐證明,這些項目都取得了良好的節能性、經濟性和環境效益。此外,湖南長沙遠大空調有限公司生產的尾氣吸收式冷溫水機,可以解決制冷、采暖和衛生熱水聯供,已經與美國Solar、英國Bowman等燃機公司的產品配套。

  2商業樓宇應用BCHP的價值分析2.1某酒店應用BCHP的價值分析基礎數據該酒店是濟南市一家四星級酒店,制冷、供暖保證面積為38000m2,符合大型樓宇的要求,適宜于采用獨立的BCHP.目前酒店電力供應全部來自電網,用電需求量為:年用電量350X 104kWh年最大用電負荷800kW,年平均用電負荷400kW,電價為71元/kWh.采用中央空調集中制冷,自備鍋爐集中供暖以及提供熱水。制冷采暖需求數據列于表1.表2為酒店設備當前年運行時間。

  BCHP方案的價值分析BCHP的選定通常以滿足冷、熱負荷中較大者為原則,本文以滿足熱負荷為依據。為了有效利用BCHP中燃氣輪機的余熱,選用美國Solar公司生產的SolarSatum20型燃氣輪機發電機組配以遠大BZ300直燃溴化鋰冷溫水機組,經計算,燃氣輪機所提供的熱量足夠提供直燃機所用熱量,因此冷溫水機組不需補燃。其主要技術參數見表2.名稱指標名稱指標發電機功率,kW鍋爐銘牌蒸發量,t/h制冷機平均制冷量,kW蒸汽壓力MPa制冷機型離心式蒸汽溫度,°c制冷系數一臺鍋爐的供暖量,kW/制冷機最大制冷量,kW/最大供暖總量,kW/冬季采暖期實際利用小時數,h夏季制冷期實際利用小時數,h春秋非規定采暖制冷期實際利用小時數,h表2 SolarSaturn20以及BZ300主要技術指標燃機單機發電容量,kW/直燃機長度mm燃機長度,mm直燃機寬度mm燃機寬度,mm直燃機高度mm燃機高度mm最大燃氣量(制冷/供熱)104kca/h燃機煙氣流量,l/h制冷量/供熱量,kW/燃機煙氣溫度,°c冷水進出口溫度,°c燃機煙氣熱量,G/h溫水進出口溫度,°c天然氣耗量,m3/h配電,kW/ CCOP(含配電)制冷/供熱根據酒店的冷熱負荷的設計規范,同時結合濟南市大型酒店的實際統計結果,得到BCHP設備預計運行時間,如表3所示。

  表3 BCHP設備預計運行時間季節天數,日利用時間h實際利用小時數,h冬季采暖期夏季制冷期春秋非規定采暖制冷期BCHP方案以冷熱負荷定機組容量,不足電力由電網補充,至于多余電量,根據目前國內外BCHP的發展趨勢,有關專家呼吁應該在政策上對BCHP給予優惠,因此,本文計算時假設多余發電量可按一定價格上網出售(本文計算時取該價格為0.32元/kWh)計算得到該酒店采用BCHP方案以后投資收益和投資回收期,列于表4.表4 BCHP方案投資收益和投資回收期計算結果項目計算結果項目計算結果發電節支,元/年收益,元/年冷熱節支,元/年設備總投資,元總收入,元/年設備折舊期,年發電年運行費用,元/年設備折舊費,元/年天然氣支出費用,元/年投資回收期,年總支出,元/年年節約支出,元/年根據以上結果,與當前采用的冷熱電供應方案相比,該寫字樓采用BCHP方案每年可節約開支接近60萬元。雖然從目前情況來看,年收益率只能達到9.2%左右,但今后隨著微型燃氣輪機價格和關稅的進一步降低,投資回收期還會進一步縮短。

  將BCHP方案與當前冷熱電供應方案的年燃料消耗量折算成當量標煤,其中天然氣熱值取35588k/m3,標煤熱值取29 308k/kg電廠發電平均煤耗取為335g標準煤cWh,電網線損率取6.74%,廠用電率取5.56%,重油熱值取401931/kg柴油密度取0.85kg/L.計算得到當前方案年燃料消耗量折算為4 855.2t標煤,BCHP方案年燃料消耗量折算為3578.2t標煤,年節約標煤1277t,能源節約率為26.3%.因而采用BCHP可大大節約有限的資源,提高能源使用效率。

  表5為計算得到的BCHP方案與當前方案的排放物結果對比。

  表5BCHP方案與當前方案污染物排放比較主要污染物名稱電網供電方案年排放量,t BCHP方案年排放量,t有害排放減少率,接近100固體廢渣接近100可見,除去良好的經濟價值和能源節約價值以外,BCHP方案還具有很高的環保價值。以上分析的還僅僅是直接環保價值,如果考慮到間接環保價值,其效益將更加可觀:為了處理燃煤所排放的大量污染物,必須消耗巨大的人力、物力、財力,而BCHP不僅節省了相關的費用,并且在凈化空氣、改善生存環境、減少醫療衛生費用等方面具有顯著的作用,另外,其在提高城市清潔度、改善投資環境、吸引外來投資等方面所具有的潛在價值亦不容忽視。

  2.2某寫字樓應用BCHP的價值分析本文還對濟南市一座采暖、制冷面積37的寫字樓應用BCHP進行了價值分析。該寫字樓主采用兩臺直燃吸收式冷溫水機組,冬季采暖時間1400h,每臺機組制熱量1471kW柴油消耗率170L/h;夏季制冷時間1500h,每臺機組制冷量1744kW柴油消耗率150L/h. BCHP方案擬采用一臺SolarSatum20燃氣輪機發電機組和兩臺BZ150型排氣直熱型冷溫水機組,燃機長X寬X高=5單機冷熱電匹配容量供電指標為1 121kW天然氣消耗量501.03m3/h;冷溫水機組制冷量1 745kW,制熱量1要基礎數據為:所用電量全部來自電網,采暖與制冷345kW.表6為BCHP方案經濟價值計算結果。

  表6 BCHP方案經濟價值計算結果項目計算結果項目計算結果發電節支,元/年收益,元/年冷熱節支,元/年設備總投資,元總收入,元/年設備折舊期,年發電年運行費用,元/年設備折舊費,元/年天然氣支出費用,元/年投資回收期,年總支出,元/年年節約支出,元/年計算還得到當前方案年柴油消耗量折算為2 347t標煤,BCHP方案年天然氣消耗量折算為1806t標煤,能源節約率為23.05%;與當前采用的冷熱電供應方案相比,BCHP方案每年可少排放CO2 1.1t,固體廢渣約12.78t,排放減少率分別為55.3%、接近100%、44%和接近100%. 3結語樓宇冷熱電聯產分布式電源在提高能源利用效率、緩解地區性電力失衡和時段性電力短缺、改善電網安全性等方面表現出很大的優越性,尤其是燃用天然氣的BCHP系統,還可以大大減少有害物排放量,這對于人類所追求的綠色環境的實現無疑有著很大的實用價值。

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