分布式三联供系统的规划设计研究

刘　伟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院　上海　200070



分布式三联供系统的规划设计研究

刘伟

上海电气集团股份有限公司 中央研究院上海200070

主要对分布式三联供系统的规划设计进行了研究，针对典型拓扑结构的分布式三联供系统构造了规划设计方法流程图，并结合实例论证了最合适的方案，同时还分析了典型日机组的运行策略，探讨了天然气价格、补贴政策对分布式三联供系统经济效益的影响。

分布式能源； 三联供； 规划设计； 运行优化

分布式三联供系统结合了高品位的能源发电和低品位的能源供热或制冷，实现了能量的梯级利用，是一种先进的用能方式，具有清洁、环保、高效等特点[1]，在楼宇建筑、区域工业园等众多领域得到了广泛应用。在分布式三联供项目建设进程中，前期规划设计是重要环节之一，规划设计是否合理往往会影响投运后系统运行的经济效益和环保效益。同时，规划设计又是一个十分繁琐、复杂的工作，涉及系统配置、运行方式、能源价格、政策补贴、负荷波动等多种因素[2]。因此，在项目起步阶段如何对三联供系统进行科学、合理的规划设计就显得尤为重要[3]。为了满足实际工程规划设计需求，以更好地发挥分布式三联供项目的优势，研究了分布式三联供系统的规划设计方法，构造了规划设计方法流程图，并对一个实际的分布式三联供项目进行了规划设计及分析。

1　规划设计流程

分布式三联供系统的设计过程包括配置选型和运行优化两大部分[4]。前者决定了系统的年折旧费用，后者则会影响系统的年燃料费用。在进行分布式三联供系统规划设计前作如下说明。

(1) 分布式三联供系统规划设计主要针对典型拓扑结构的分布式三联供系统，包括典型微燃机三联供系统、典型燃机三联供系统、典型内燃机三联供系统[5]，如图1～图3所示。

(2) 原动机是三联供系统中的核心设备[6]，在分布式三联供规划设计中采用先选择某一型号原动机设备台数，后配置余热利用设备容量的策略，按照一拖一模式进行系统方案配置，原动机台数最大值取10。

(3) 对于配套余热设备容量的计算，采取按照原动机余热量选型的策略进行。而对于燃气锅炉、电空调这类满足极端情况下冷热负荷的余热利用装置，则按照最大冷热负荷选型的策略进行配置。

(4) 在运行优化方面，通过计算典型工况日的燃料费用测算年燃料费用，典型工况日包括冬季典型工况日、夏季典型工况日和过渡季典型工况日[7]。

图1　典型微燃机三联供系统图

图2　典型燃机三联供系统图

图3　典型内燃机三联供系统图

(5) 认为运行的动力设备出力相同，余热利用设备作为一种热量转换装置，效率为定值。

规划设计流程如图4所示： 根据所选定的原动机型号，计算出满足条件的若干套方案的主要经济性指标，如项目初投资、年折旧费用、年运行费用、投资回收年限、系统利用效率等。结合项目的实际情况，从众多可选方案中选择最合适的一套方案。相关计算公式如下所示：

图4　分布式三联供系统规划优化流程图

① 年折旧费计算公式[8]：

Cdp=r∑Cinvestment

(1)

r=i(i+1)N/[(i+1)N-1]

(2)

式中：r为资本回收因数；i为年利率；N为系统使用年限；计算中i、N的取值分别为7%和15；Cinvestment为系统投资。

② 年运行燃料费用计算公式：

Cop=CwinterDwinter+CsummerDsummer+CotherDother

(3)

式中：Cwinter、Csummer、Cother依次为冬季典型日、夏季典型日、过渡季典型日运行费用；Dwinter、Dsummer、Dother依次为冬季典型日、夏季典型日、过渡季典型日天数。

典型日运行费用优化方面，将典型日分为24h时段，对每一时段采用线性规划算法进行三联供系统运行策略优化，每一时段运行费用的计算流程如图5所示。通过对每一时段燃料费用求和，计算出典型工况日的燃料费用。详细计算过程见文献[9]。

③ 静态投资回收期计算公式[10]：

(4)

④ 系统综合效率计算公式[10]：

(5)

式中：eff为年平均能源综合利用率；W为三联供系统年发电量，kWh；Q为年余热(供热或制冷)利用量，GJ；B为分布式三联供系统年燃气总耗量，m3；QL为燃气低位热值，kJ/m3。

图5　分布式三联供系统典型日运行策略优化流程图

2　优化实例

2.1负荷

以上海某企业冷热电三联供项目为实例，企业负荷主要有两类： 一类为蒸汽热负荷(参数为1MPa饱和蒸汽)，满足生产用汽及冷热负荷需求；一类为机械设备运行及生活所需的电力负荷。图6～图8依次为夏季、过渡季、冬季典型日电和蒸汽负荷特性曲线。

图6　夏季典型日负荷特性

图7　过渡季典型日负荷特性

图8　冬季典型日负荷特性

2.2能源价格

当地能源价格见表1。其中，峰段电价时间段为8：00～11：00、18：00～21：00，平段电价时间段为6：00～8：00、11：00～18：00、21：00～22：00，谷段电价时间段为22：00～次日6：00。

表1　能源价格

2.3设备特性

选用三菱1.5MW燃气内燃机为原动机，根据三菱方面资料，1.5MW分布式内燃机三联供项目单位建设成本约6800元/kW。考虑项目建设过程中可能会产生其它费用，项目单位建设投资成本按照7800元/kW估算。1.5MW燃气内燃机设备特性见表2，余热锅炉效率取0.75，燃气锅炉效率取0.9。

表2　1.5MW燃气内燃机发电输出与排热回收各项数据

2.4补贴收入

根据2013年1月上海市发改委《上海市天然气分布式供能系统和燃气空调发展专项扶持办法》，对天然气分布式供能项目按照1000元/kW给予设备投资补贴，对年平均能源综合利用效率达到70%及以上，且年利用小时在2000h及以上的分布式供能项目再给予2000元/kW的补贴，每个项目享受的补贴最高不超过5000万元。

3　结果分析

规划结果汇总如表3所示，每套方案的具体指标如表4所示。需要指出，为了利用缸套水和中冷水热量，提高系统总效率，已经采取了用部分缸套水和中冷水预热锅炉给水(加热至85℃)的措施。从表4可以看出，在年总费用方面三联供系统优于热电分产。随着原动机设备台数的增加，系统投资费用增加，而燃料费用会逐步降低直至达到一个定值，这是因为此时原动机装机容量超过系统负荷需求，会有一部分机组处于停运状态，燃料费用已经无法再降低。

表3　方案汇总表

表4　气价3.13元/m3、内燃机补贴3000元/kW规划方案比较

可以看出方案5年总费用最低，不过用户对方案的选择还要综合考虑其它一些因素，比如初投资费用承受能力、建设场地限制、投资回收期、补贴领取条件等。由于上海对三联供项目的补贴需综合效率大于70%，而该企业实际热水负荷消纳能力欠缺，通过建厂用浴室勉强可将方案2综合效率提升到70%，另外与其它方案相比，方案2在项目初投资、投资回收期、年总费用等方面也具有一定优势，因此，更倾向于采用方案2。

以方案2为例，各典型日分布式供能系统机组的运行优化结果如图9所示。三种典型日机组运行策略相同(红、绿、蓝三种颜色曲线重合)，运行方式为：

图9　方案2典型日机组运行策略

(1) 6：00～22：00，机组满载运行，尽可能多地为企业提供蒸汽和电力，负荷尖峰时段，蒸汽不足部分由燃气锅炉提供，电力不足部分采用外购；

(2) 22：00～次日6：00，为充分享受低谷电价，分布式机组全部停止运行，蒸汽全部由燃气锅炉提供，电力全部外购。

燃料价格对三联供系统的经济效益有很大的影响，虽然上海对三联供项目有补助，但是当气价涨至4.13元/m3时，在年总费用方面三联供系统的优势已微乎其微，见表5。在没有补贴的情况下，气价涨至3.63元/m3时，三联供系统的经济效益已基本没有，见表6。

表5　气价4.13元/m3、内燃机补贴3000元/kW规划方案比较

表6　气价3.63元/m3、内燃机无补贴规划方案比较

4　结论

通过研究分布式三联供系统的规划设计，构造了规划设计方法流程图，对一个实例进行规划设计，得出以下结论。

(1) 由于上海对三联供项目的补贴需综合效率大于70%，如果企业有足够的热水负荷消纳能力，可以推荐方案5。而该企业实际热水负荷消纳能力相对欠缺，通过建厂用浴室勉强可将方案2综合效率提升到70%，因此，结合该企业的客观情况更倾向于采用方案2。

(2) 以方案2为例，典型日系统采用日启夜停的运行模式： 6：00～22：00，机组满载运行；22：00～次日6：00，为充分享受低谷电价，分布式机组全部停止运行。

(3) 燃料价格对三联供系统的经济效益有很大影响。虽然上海对三联供项目有补助，但是当气价涨至4.13元/m3时，三联供项目的经济效益已微乎其微。而在没有补贴的情况下，气价涨至3.63元/m3时，三联供项目的经济效益已基本没有。

以上结论对相关专业人员具有参考价值。

[1] 陆伟.城市能源环境中分布式供能系统优化配置研究[D].北京： 中国科学院研究生院(工程热物理研究所)，2007.

[2] 葛斌.热电冷联产原理与技术[M].北京: 中国电力出版社,2011.

[3] 林怡.微小燃机热电冷联供与地下水源热泵耦合系统研究[D].北京: 中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2010.

[4] 胡燕飞,吴静怡,李胜.冷热电联供系统的优化运行分析[J].华北电力大学学报,2010,37(1):5-9.

[5] 闫晓娟.燃气轮机冷热电联供系统性能及运行优化研究[D].上海: 东华大学,2012.

[6] 杨允.南方地区分布式供能系统优化配置与综合评价研究[D].北京: 中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2013.

[7] 杨方德.热电冷三联供系统综合性能分析[D].西安: 长安大学,2011.

[8] 刘爱国.我国南方地区燃气轮机分布式供能系统的研究[D].北京： 中国科学院研究生院(工程热物理研究所)，2009.

[9] 刘伟，古云蛟.基于线性规划算法的燃气内燃机三联供系统运行策略优化[J].上海电气技术，2016,9(1): 9-13.

[10] 上海交通大学.微型燃气轮机分布式供能系统仿真测试分析报告[R].上海，2014.

It was mainly a study on the planning design of distributed CCHP systems. Aiming at distributed CCHP system with typical topology structure， the flow chart for planning and designing was built while the most appropriate solution was demonstrated with examples. Also analyzed the operation strategy for unit in a typical running day， discussed gas prices and conducted a study of the impact of gas pricing and subsidy policy to the economic benefits of the CCHP systems.

Distributed Energy； CCHP System； Planning and Design； Operation Optimization

2016年2月

刘伟(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事分布式能源系统仿真与规划设计研究工作，

E-mail： liuwei10@shanghai-electric.com

TM-9；TK01+9

A

1674-540X(2016)02-006-06