分布式供能系統的經濟性分析

1天然氣系統的應用狀況節約能源和環境保護是世界上面臨的兩個問題。能源是人類賴以生存和發展的基礎,也是衡量一個國家綜合國力、人民生活水平以及國家文明發達程度的重要指標。近年來,燃氣熱電聯產,特別是中小型燃氣熱電冷三聯供,即分布式供能系統,已經在許多發達國家中廣泛使用,成為當前燃氣應用技術發展的主流。分布式供能是合理利用天然氣資源的最佳途徑之一,不僅可以實現能量的梯級利用和合理配置,提高能源利用率,而且還能有效改善環境美國從1978年開始提倡發展小型熱電聯產。目前,正研究能源資源高效利用的小型熱電冷三聯產中國是一個發展中國家,能源消費與發達國家相比存在較大的差距,按照目前的經濟發展趨勢,我國所面臨的能源問題仍然是相當嚴峻的。為適應我國能源結構調整和“西氣東輸”工程的具體實施,結合各地的具體情況,大力發展以天然氣為主的能源技術進步,已是沿線各地所面臨的主要任務天然氣冷熱電三聯產系統是一種對天然氣進行梯級利用的系統,可以有效地提高一次能源利用率本文詳細介紹了中國電力投資集團公司高級培訓中心(以下簡稱“中電投高培中心")天然氣分布式供能系統,其負荷現狀、系統配置優化與經濟性分析將在下文中詳細介紹。2供能方式和配套設施中國電力投資集團公司高級培訓中心(以下簡稱“中電投高培中心")位于上海市閔行區劍川路665號和721號,是中國電力投資集團公司干部培訓、技術工人教育培訓及國內外學術交流為一體的高級培訓中心和中國電力投資集團公司在上海的會議中心。學校目前采用的供能方式為大部分建筑物采用單體電空調,僅有西校區的培訓宿舍樓采用的是集中電空調,培訓宿舍樓的熱水負荷是由燃氣熱水鍋爐供應,學校后勤保障如食堂、餐廳等生活熱負荷的供應由設在綜合樓里的3臺燃油蒸汽鍋爐(單臺容量1t/h)提供。目前整個校區的實際用電量在800~1500kW左右,學校設有東部配電站(1×1250kVA+1×630kVA)和西部(2×630kVA)配電站,目前實際平均用電量約占兩個配電站所有變壓器容量的1/3。在目前上海市用電告急的情況下,學校如果采取傳統的電空調制冷和采暖方式,將會進一步增大上海電網負擔,用電成本也較高。2.1雙回電源運行情況中電投高級培訓中心目前由35kV春陽變電站供電。35kV春陽站現有主變壓器容量3×20MVA,出線電壓等級為35kV和10kV,該站目前兩回電源分別來自220kV金都變電站和220kV元江變電站。培訓中心內現有兩座10kV配電站,東部校區配電站內現配有2臺主變,變壓器容量為1250kVA+630kVA,出線電壓等級為10kV和0.4kV,配電站2路10kV電源進線來自35kV春陽站。圖1為中電投高培中心變電站一次模擬圖。2.2開啟2臺鍋爐,滿足用熱要求根據高培中心現有的熱負荷調查,在東校區綜合樓里的鍋爐房里有3臺容量為1t/h的燃油鍋爐,主要向浴室、餐廳、招待所等供熱,鍋爐房每天5:00~21:00需要開啟2臺鍋爐來滿足用熱要求,鍋爐的供汽參數為0.7MPa,170℃。鍋爐房除了春節期間學校放假2個星期,幾乎天天在兩班制運轉,年運行小時數可達5600h。05年這3臺鍋爐的全年柴油耗量為174t,按鍋爐效率為85%折算成蒸汽量,全年供汽量為2300t。根據鍋爐年供汽量和年運行小時數折算成年平均負荷為0.411t/h,根據每天開2臺爐的運行現狀估計目前校區的最大用汽量接近2t/h。培訓宿舍樓(培訓學員公寓)建筑面積為9047m33.1分布式冷水機組全熱負荷的經濟性為以清潔高(1)為充分利用能源,以“熱電聯供"和“并網不上網"為主要設計原則,配置小型、高效燃氣輪機+余熱鍋爐的分布式供能系統來提高供熱效率,余熱鍋爐產汽直接供熱。(2)根據熱負荷和電負荷的具體情況,所選的小型燃氣輪機分布式供能系統組能夠長期、穩定、經濟的運行。(3)為了提高機組經濟性,機組的產汽量的確定要使得機組盡可能處于長期運行狀態,通過熱負荷分析,機組設計熱負荷在1t/h,機組的使用率最高,熱電聯供機組年利用小時數可達7000h。(4)擬建的1套裝機容量均為250kW的燃氣輪機發電機組,接入10kV配電站內現有400V母線上,直接向母線上用電負荷供電。3.2分布式供能站分布式供能系統的主體工程包括燃氣輪機發電機組、余熱鍋爐及控制室。燃氣輪機發電機組、余熱鍋爐等均布置在分布式供能站內。燃氣輪機發電機組、余熱鍋爐基礎為新建鋼筋混凝土剛性基礎,天然地基。此外,空調制冷系統的設備也布置在分布式供能站內。圖2為設計的中電投高培中心分布式供能站的系統圖。3.3機組蒸汽負荷的確定經過預測熱負荷后,可知3幢建筑物合計新增的蒸汽量最大負荷為2.049t/h,出現在冬季的白天;最小負荷為0.611t/h,出現在夏季負荷的晚上;平均負荷按照不同季節的加權平均約為1.383t/h。現鍋爐房最大供熱量接近2t/h,3幢建筑物合計新增的最大蒸汽負荷為2.049t/h,合計最大蒸汽負荷在4t/h左右;現鍋爐房平均負荷為0.41t/h,3幢建筑物新增平均負荷為1.382t/h,合計平均負荷為1.792t/h;現鍋爐房晚上停爐,故最小負荷為0,新增最小負荷為0.611t/h,合計平均負荷也為0.611t/h。現有鍋爐房的供汽能力為3t/h,從合計最大熱負荷在4t/h左右,故配置的熱電聯供機組要至少能夠提供1t/h左右的蒸汽,就能滿足全校最大蒸汽負荷需求。為提高分布式供能系統熱電聯供機組的經濟性,要盡可能地提高機組的使用率,為此希望機組能夠一天24h運轉。如果配置的機組產汽量為1t/h左右,當晚上最小負荷為0.611~0.939t/h情況下,機組在60%~90%負荷下還能正常運行。如果配置的機組蒸汽產量大于1t/h,則機組在小于60%負荷以下運行機組效率大大降低,所以熱電聯供機組的蒸汽負荷不宜大于1t/h。綜上所述,機組的設計負荷選擇1t/h是最合適的,扣除學校休假時間機組可以全年8400h運行,由于在晚上的負荷是小于1t/h,所以折合成年利用小時數約為7000h。由于蒸汽溴化鋰機組需要0.8MPa的飽和蒸汽,取供熱參數為0.8MPa的飽和蒸汽。根據設計熱負荷的分析中,可知熱電聯供機組余熱產汽量在1t/h左右機組的年利用率最高,故選擇1臺英格索蘭MT250機組即可滿足要求,其內置天然氣增壓裝置,自用電量較小,機組結構緊湊,當機組的配置余熱鍋爐產生1t/h的蒸汽時,余熱鍋爐的排煙溫度大約在120℃左右,本工程中為了最大程度的利用余熱節約能源,在同鍋爐廠聯系以后決定在余熱鍋爐排煙煙道加裝一套熱水系統,可以將余熱鍋爐的排煙溫度降至80℃左右,同時還可以回收約1.33t/h左右的70℃熱水,回收的熱量也相當于0.11t/h的蒸汽供出的熱量。3.4氣管網主干線上接出本工程以天然氣為燃料。和原燃煤鍋爐相比,減少了對環境的污染,天然氣管道將從上海市天然氣管網主干線上接出。從目前了解到的天然氣管網情況來看,天然氣管網主干線的輸氣壓力為4bar,由于小型燃氣輪機耗氣量小,天然氣接入中電投高培中心是可能的。在設計熱負荷的前提下,如按照配置一臺250kW燃氣輪發電機組的方案,天然氣單位耗量為142.97m3.5氣輪機與余熱鍋爐本體的控制系統設計過程中,供能站的熱控專業范圍內的所有設備由上海工業自動化儀表研究所提供,公共系統控制系統次采用歐姆龍公司的PLC產品,燃氣輪機與余熱鍋爐本體的控制系統由英格索蘭和哈爾濱703所隨本體帶來。燃氣輪機與余熱鍋爐的控制系統通過RS485通訊借口上傳至公共系統PLC內。暖通空調系統中溴化鋰制冷機組與電制冷機組系統隨本體帶。其中溴化鋰機組的控制屏放置在控制室操作臺上,與公共系統沒有通訊;電制冷機組有啟停、故障等監控信號進入公共系統PLC,其中所有控制電纜通過電纜溝進入控制室內的架空地板,再進入PLC控制柜內。44.1堅持用余熱利用程度低,以熱余能基利用程度高。據測算,直接利用熱量多,熱損失高,熱損失高,總有效率高,總熱力高,總熱力高。在煤本工程中熱電比達到了2.98,發電效率為80%。一般來說,在一定的發電效率之下,熱電比越高總熱效率越高,要求余熱的利用程度越高,熱損失越小。由于分布式供能系統的余熱全部用來直接供熱,不需要用于生產蒸汽進行發電,沒有冷源損失,從而可以得到較高的熱電比和總熱效率。4.2工程建設投資本工程(包含空調系統)工程靜態投資為887.77萬元;單位投資35511元/kW;工程動態投資為909.57萬元;單位投資36383元/kW;建設項目總資金916.99萬元。如不包括空調系統,則工程靜態投資為635.32萬元;單位投資25413元/kW;工程動態投資為650.92萬元;單位投資26037元/kW;建設項目總資金658.19萬元。本工程僅對2套燃氣輪機+余熱鍋爐的熱電聯供機組三聯供系統進行經濟效益分析,即工程靜態投資不包括空調系統及調峰鍋爐。4.3熱價變化對于主要技術經濟指標的影響在財務評價在以下三個表中列出了在投資變化、天然氣價格變化和熱價變化時引起財務評價主要技術經濟指標變化的敏感性分析。從本項目的工程投資額、天然氣價格、熱價的變化而引起財務評價的主要技術經濟指標變化的敏感性分析看出,熱價變化對主要技術經濟指標影響相對較為敏感;在不含稅熱價為103.8元/GJ,不含稅電價為741.03元/MWh的條件下,全部投資內部收益率為9.91%,注資內部收益率8.00%,財務凈現值均為正值。投資資本回收期為8.93年,本項目有其一定的合理性。5優化結果和啟示隨著天然氣的廣泛應用,電力壟斷的逐步解體,環境保護要求提高和可再生能源利用技術水平的提高,不僅我國偏遠地區和西南地區的分布式供能將得到極大的發展,而且分布式供能系統將成為中國城市現代化的重要動力。毫無疑問,分布式供能系統將成為未來能源領域可持續發展的一個重要領域。從中電投天然氣分布式供能系統的設計配置和優化中,我們可以得出以下結論和啟示:(1)在中電投高培中心建設分布式供能站不但提供了供熱的可靠性、良好的熱負荷調節性能,燃氣輪機組還可以作為學校的備用電源,提高中電投高培中心用電的安全可靠性。(2)燃氣輪機燃用天然氣,具有可實施性,而且有利于環境保護,和燃油鍋爐相比,減少了對環境的污染。(3)從技術分析來看,本工程采用1套250kW燃氣輪機+1t/h余熱鍋爐的熱電聯供機組的配置方案,熱電比為2.98;總熱效率可達80%