备用发电机与热电联产

上海电气（集团）总公司 高 坚 高书歧

1 问题的由来

随着科学技术的发展，一些电力用户和用电设备，对电力供应可靠性的要求越来越高。医院、数据中心、通讯枢纽等一些重要用户为了保证供电的可靠性，在它们的供电系统中，除了有双电源供电外，其内部另外设置了备用发电机，甚至有的还设置了不停电电源（U P S），以保证在紧急情况下给一些重要的场所和设备不间断的供电。

这些备用发电机组，只有电力系统故障，供电的两个电源都同时停电时，才紧急启动发电。近几年来我国的输变电技术和设备都有了很大的发展，极大地提高了供电的可靠性，两个电源同时故障的几率很小。所以备用发电机启动的机会也越来越少。有的一年甚至几年都不用一次。尽管如此，为了在紧急关头有电可用，一些重要的用户还是要花上几十万甚至几百万元，去购置备用发电机，放在那里以备不时之需。虽然这些发电机平时是不动的，但是为了在紧急时能开得起来，发的出电，平时还要花费许多的人力物力去精心维护保养。所有这些都是为了能在一年或几年中用上几分钟或几十分钟，而不得不为之的劳民伤财之举。

2 电力供应系统现状及分析

2.1现状

现在我们以某大型医院为例，就其电力供应系统进行具体分析。

当前一些大型医院，都毫无例外的采用了这种双电源加备用发电机的供电模式。该医院的供电原则系统图如图1。

图1 供电系统原则线路图

其主要供电设备及其主要参数如下;

变压器：

2 X1600 k V A 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

2 X1250 k V A 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

备用柴油发电机：

发电机1台，燃料为柴油，发电功率1020kW，电压380 V

2.2对现有供电系统的分析：

由图1可以看出该系统可保证医院用电的基本安全。但我们也不能忽视它的一些固有的问题：

1）备用发电机是以柴油作燃料的，平时必须储备足够的燃料，这无形中就增加了一个火警隐患点；

2）备用发电机尽管平时不用，还要花费许多人力和物力去精心维护保养，这是一笔不小的费用；

3）花费了几十万甚至几百万元购置的发电机，平时没有发挥其应有的投资效益，只有在“等待使用”中慢慢贬值；

4）备用发电机平时是静止的，只有在两路供电电源都故障同时停电时，才紧急启动。从系统停电，到备用机启动,具备对外供电条件，至少要二十秒到几十秒的时间。这个几十秒的时间，对一般的用电设备而言是可以接受的。但是，对一些特殊的用电场所和设备而言，这短短几十秒钟的时间也是不允许的；

5）这种备用电源的投入，要经过一个切断外界联系，再发电供电的切换过程。在这过程当中有许多开关和设备参入其中的切换动作，恢复系统送电时还要有一个相反的过程，在这个反复的过程当中有许多设备还要受到再供电的冲击，所以在这个反复的过程中最容易产生设备事故和系统事故。

3 目前电力供应系统的改善方案

3.1 改善方案应该考虑的几个问题

1）尽量减少能源的品种，简化管理；

2）应优先采用高效节能减排的新技术新设备，提高能源利用率，减少对环境的污染；

3）在医院消耗的热能中，热水占了较大的份额，故在选择设备时，应该优先考虑那些生产热水较多的设备和系统；

4）在平时应该保证有足够的安全的电力供应，在事故时应保证有足够的和不间断的应急电源。

3.2 改善方案的设备选择

基于以上几点，还有该医院还设有三台燃用天然气的蒸汽锅炉，考虑到运行的安全性和灵活性，所以这里选用德国MT U公司生产的，两台用天然气作燃料的燃气内燃机热电机组，代替原来用柴油做燃料的备用发电机组。由于增加了自供电能力，因而也可相应的减少了受电变压器的容量。

1）设备的具体参数如下：

热电机组 2台

型号 G C772 N 5

发电 有功功率772kW

视在功率965k V A

供热 861kW,还有53kW400℃的热水（合计914kW）

耗天然气 187 m3/h (L H V=10kW/m3)

发电效率 41.3%

总效率 87.4% （若计及53kW400℃的热水，总效率可达90.2%）

2）改善方案受电变压器的容量选择：

式中S— 改善方案所需受电变压器总容量（k V A）

S1—原来受电变压器的总容量 （k V A）

S1=2×1600 k V A+2×1250 k V A=5700 k V A

S2—改善方案新增加的自供电能力 （k V A）

S2=965 k V A×2=1930 k V A

改善方案所需的变压器的容量S：

S=S1－S2=5700 k V A-1930 k V A=3770 k V A

据此，我们可选择4台1000k V A的变压器，代替原来的4台变压器。主要参数如下;

变压器：

台数 4台

容量 每台1000 k V A

电压 10 k V±2×2.5/0.4-0.38 k V

改善方案原则供电系统图如图2。

图2 改善供电系统原则线路图

我们将前面的两个系统图进行比较，不难发现两者的变化不大，只是图2比图1多了一台发电机。

但是，由于系统中的设备配置发生了变化，设备参数也有变化，再将发电机的运行方式由备用改为常用，使得整个系统发生了质的变化。

其一，根据医院的需要新系统对设备的配置和参数进行了优化。增加了两台热电机组，在发出1544kW电能的同时，还能供给1828kW（2×914kW）的热能（约33 t/h温升500 C热水），部分的解决了医院用热水的问题。由于增加了自供电的能力，减少了对外来电的依赖，提高了用电的安全性。同时也相应的减少了受电变压器的容量，这不仅减少了一次设备的投资，而且大幅度的减少了运行费。

其二，运行方式的变化。用两台正常运行的热电机组，代替原来正常情况下不运行的备用发电机组。当外部供电系统故障时，只要将故障点从供电母线上断开即可，发电机照常运行。这样既保证了供电的不间断，又可避免或减少在电源切换过程中可能出现的意外（很多意外事故都是在切换过程中发生的）。新增加的热电机组所生产的电和热，仅仅是医院需要的一部分。为了充分发挥新机组节能环保的优势，可以让它们长时间的满负荷运行，每年至少可运行7000 h。

4 改进方案的经济效益估算

4.1 一次性的投入F1

式中F1— 包括项目一次性的设备投资，并扣除政策补贴和因设备重新组合而减少的部分设备费的综合性的资金。

F11— 新机组设备购置费。按1万元/kW计，不同的厂家和不同的型号，可能有较大的差别

F11=772kW×2×1万元/kW=1544万元

F12— 市政府为鼓励热电联产推广应用，而给使用单位的政策性的补贴，补贴数额是按照用户安装热电设备的容量计算的，1000元/kW.。

F12=1000元/kW×772kW×2=154.4万元

F13— 省去原来备用发电机的购置费。柴油发电机价格按2600元/kW计。

F13=2600元/kW×1020kW=265.2万元

F1=F11-F12-F13=1544万元-154.4万元-265.2万元=1124.4万元

4.2 发电、节约及减排的收入

根据国家发展与改革委员会2011年的有关价格文件，华东电网调整后的电价，工商业及其他用户，二部制未分时电价由电度电价和基本电费两部分组成。其电度电价为0.769元/kW·h.基本电费由按变压器容量计算的收费是27元/k V A·月；按最大需求量计算的收费是40.5元/kW·月。

1）发电收入F2

式中p— 每台机每小时的发电量

dj— 单位电价：0.769元/kW·h

h— 年平均运行小时数，取7000h；

F2=772×2×0.769×7000=831.14（万元）

2）节约的费用F3

（1）供热节煤的收入F31

热电机组在生产电能的同时，还生产了大量的热能。用小锅炉生产同样的热能所消耗的煤的价值即为供热的节煤收入。

式中q— 单台热电机组每小时生产的热量914kW

h— 年平均运行小时数取7000 h

Md— 单位转换系数0.123k g/kW

Nl— 锅炉的效率取0.9

mj— 标准煤价，参考年初秦皇岛码头煤价取1000元/t。

F31=914×2×7000×0.123÷0.9×1000=174.88（万元)

（2）变压器容量减少所节约的费用F32

式中S1— 原方案的变压器的容量 k V A

S2— 改善方案的变压器容量 k V A

Bf— 按变压器容量收费的标准 27元/k V A·月

F32={（2×1600+2×1250）-4×1000}×27×12=55.08（万元）

（3）最大负荷减少所节约的电费F33

式中ΔP— 减少的最大负荷，即增加的自供电能力772kW

Fg— 最大负荷收费标准 40.5元/kW·月

F33=772 X 2×40.5×12=75.04(万元)

F3=F31+F32+F33=174.88+55.08+75.04=305.00(万元)

3）减排CO2的收入F4

CO2的减排主要由两部分，一部分是因在发电的同时生产了大量的热，从而节约了煤炭,减少了CO2的排放；另一部分是用天然气发电比用煤发电而减少的CO2排放。节约的减排指标可放到碳交易平台上进行交易。减排的收入可按下式进行测算：

式中P—热电机组单机每小时发电量772kW

h—年平均运行小时数取7000 h

nd— 电碳转换系数，即生产1kW电力所产生的CO2,华东地区取0.853 k g/kW

T—全年供热节约标准煤吨数1748.8（t）

Tm— 碳转换系数即1 t标准煤完全燃烧所产生的CO2，取2.6

Cj— CO2市场价取100元/t,(目前世界交易价15～18美元/t)

F4=（2×772×7000×0.853+1748.8×2.6）×100=137.66（万元）

4.3 每年的总支出F5

为了简化过程，又能说明问题，这里只考虑了几项主要的和较大的费用。如：燃料费、折旧费、人工费、维护费等。

1)燃料费F51

式中qr— 单机每小时的耗气量 187 m/h

h— 年运行小时数 取 7000小时

Bj— 为燃料单价。根据上海市有关文件，热电联产用天然气价格为2.43元/m3.

F51=2×187×7000×2.43=636.17(万元)

2)设备折旧费F52

折旧年限按十年计：

F52=设备费÷10=1544÷10=154.4（万元）

3)人工费 F53

按五人，每人每年平均工资50000元

F53=50000×5=25(万元)

4)维修及管理费F54

表1 案例计算结果

参考有关电力法规，合计取设备费的3.5%

F54=1544 X0.035=54.04(万元)

F5=F51+F52+F53+F54=636.17+154.4+25+54.04=869.61(万元)4.4投资回收年限N

N=（设备费-政府补贴-备用机组购置费）÷（发电收入+节约的费用+减排的收入-总支出）=F1÷(F2+F3+F4+-F5)=1124.4÷(831.14+305.00+137.61-869.61)=1124.4÷404.14=2.78（年）

各种费用计算结果汇总如表1。

5 结论及建议：

1)将供电系统中的备用发电机，用热电联产机组代替，运行方式由备用改为常用。这样不仅提高了供电的安全性和供电的质量，环境友好，且还有较好的经济效益；

2)建议有关的设计规程作必要的修改，用常用的热电机组代替备用的发电机组；

3)政府不但要支持热电设备的应用，要更多的鼓励和支持设备制造商，生产更多、更好的热电联产设备。

参考资料

[1]金红光 郑丹星 徐建中 编著 分布式冷热电联产系统装置及应用北京 电力出版社 2010年2月

[2]胡仰耆 杨国荣 医院用能与节能 暖通空调2009年4期 1～4页