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商业楼宇天然气冷热电联产分布式电源应用价值分析

作者:admin来源:本网 日期:2018-3-20 8:47:00 人气: 标签:

  能源是人类生存的基本条件和社会发展的原动基金项目:山东省中青年科学家奖励基金资助(03BS121)力,能源问题一直是人们关注的焦点。目前世界上正在积极推动第二代能源系统的建设,进行试点,抓紧开发配套相关设备,甚至准备立法。所谓第二代能源系统主要具有以下特征:燃料的多元化、设备的小型、微型化、冷热电联产化、网络化、智能化控制和信息化管理、高标准的环保水平。其中,燃用清洁燃料一天然气的商业楼宇冷热电联产分布式电源可谓其中较典型的代表,是21世纪能源利用方面值得期待的发展方向。

  1楼宇冷热电联产分布式电源的发展内外一般简称为BCHP,本文以下亦称为BCHP)是一种建立在能量梯级利用概念上,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产现场能源系统,在发电的同时,利用余热或余热+补燃机组的模式进行冷暖供给。BCHP始于20世纪70年代的能源危机,目的在于提高能源利用率,减少有害排放。BCHP不仅充分地利用了燃料的热能,而且最重要的是,它将燃料的能量按品位逐级加以利用,使之无论从量上还是从质上都得到了充分利用,其总能源利用效率可高达90%以上〔1.与此同时,减少了各能源系统综合投资和运行管理代价,大大降低了有害排放量,减少了供电线损并能够应急突发事件,提高了供电安全性。BCHP的动力装置可选择外燃式或内燃式蒸汽动力装置;制冷装置可选择压缩式、吸收式或其它热驱动制冷方式;采暖装置可直接采用热交换装置或冷暖联供装置。BCHP规模很灵活,可以是大规模冷热电联产系统,也可以是设在用户现场的中小型分布式系统,系统流程可进行优选。目前BCHP主要用于楼宇、区域建筑、有可燃废气或工业余热的建筑物等。

  燃用天然气的BCHP主要有两种工作模式:燃气轮机驱动电机发电,排出的高温尾气通过余热锅炉回收产生蒸汽,部分蒸汽供给吸收式制冷机,其余蒸汽通过热交换器提供采暖及卫生热水,或作为工业用汽使用。这种模式适合于大量需要蒸汽的建筑,例如需要蒸汽消毒的医院,还适合于已经使用蒸汽吸收式制冷机的建筑物进行技术改造;(2)燃气轮机或余热锅炉的排气还可以直接驱动排气直热型和排气再燃型冷温水机为用户提供所需制冷、采暖及生活热水。这种模式下,尾气余热直接由冷温水机回收进行制冷、采暖并提供卫生热水,无须另加热交换器,系统流程简单造价低,特别适用于无蒸汽需要的楼宇建筑。

  BCHP最早出现在美国。到目前为止,美国仍是BCHP的积极倡导者。目前,美国Solar公司在小型燃气轮机生产方面已具备雄厚实力,主要生产1~15MW的燃气轮机;美国的Caspstone公司主要生产25~300kW的微型燃机。美国BCHP现在正以年均9.6%的发展速度增长,其中20~10000kW机组发展特别快。根据美国提出的“BCHP2020年纲领”〔2,其战略实施目标为:2005年建成200个示范工程,在10%的联邦建筑物中采用BCHP;2010年20%的新建和5%的现有商用、机构类建筑物将使用BCHP;到2020年50%的新建和15%的现有商用、机构类建筑物将使用BCHP;英国的Bowman公司现在也已成为微型燃机著名的生产商,英国在曼彻斯特机场还成功建立了BCHP项目;意大利、泰国用减免20%~40%燃料费的办法鼓励建筑物应用BCHP.我国政府从可持续发展战略出发,也在调整天然气的使用比重,除了建设大型燃气一蒸汽联合循环电站外,也开始重视燃气轮机或柴油机BCHP的试点建设。目前,国内已有一些BCHP的成功应用例子:上海市黄浦区中心医院、浦东国际机场、环球国际金融中心、淄博万杰集团等,实践证明,这些项目都取得了良好的节能性、经济性和环境效益。此外,湖南长沙远大空调有限公司生产的尾气吸收式冷温水机,可以解决制冷、采暖和卫生热水联供,已经与美国Solar、英国Bowman等燃机公司的产品配套。

  2商业楼宇应用BCHP的价值分析2.1某酒店应用BCHP的价值分析基础数据该酒店是济南市一家四星级酒店,制冷、供暖保证面积为38000m2,符合大型楼宇的要求,适宜于采用独立的BCHP.目前酒店电力供应全部来自电网,用电需求量为:年用电量350X 104kWh年最大用电负荷800kW,年平均用电负荷400kW,电价为71元/kWh.采用中央空调集中制冷,自备锅炉集中供暖以及提供热水。制冷采暖需求数据列于表1.表2为酒店设备当前年运行时间。

  BCHP方案的价值分析BCHP的选定通常以满足冷、热负荷中较大者为原则,本文以满足热负荷为依据。为了有效利用BCHP中燃气轮机的余热,选用美国Solar公司生产的SolarSatum20型燃气轮机发电机组配以远大BZ300直燃溴化锂冷温水机组,经计算,燃气轮机所提供的热量足够提供直燃机所用热量,因此冷温水机组不需补燃。其主要技术参数见表2.名称指标名称指标发电机功率,kW锅炉铭牌蒸发量,t/h制冷机平均制冷量,kW蒸汽压力MPa制冷机型离心式蒸汽温度,°c制冷系数一台锅炉的供暖量,kW/制冷机最大制冷量,kW/最大供暖总量,kW/冬季采暖期实际利用小时数,h夏季制冷期实际利用小时数,h春秋非规定采暖制冷期实际利用小时数,h表2 SolarSaturn20以及BZ300主要技术指标燃机单机发电容量,kW/直燃机长度mm燃机长度,mm直燃机宽度mm燃机宽度,mm直燃机高度mm燃机高度mm最大燃气量(制冷/供热)104kca/h燃机烟气流量,l/h制冷量/供热量,kW/燃机烟气温度,°c冷水进出口温度,°c燃机烟气热量,G/h温水进出口温度,°c天然气耗量,m3/h配电,kW/ CCOP(含配电)制冷/供热根据酒店的冷热负荷的设计规范,同时结合济南市大型酒店的实际统计结果,得到BCHP设备预计运行时间,如表3所示。

  表3 BCHP设备预计运行时间季节天数,日利用时间h实际利用小时数,h冬季采暖期夏季制冷期春秋非规定采暖制冷期BCHP方案以冷热负荷定机组容量,不足电力由电网补充,至于多余电量,根据目前国内外BCHP的发展趋势,有关专家呼吁应该在政策上对BCHP给予优惠,因此,本文计算时假设多余发电量可按一定价格上网出售(本文计算时取该价格为0.32元/kWh)计算得到该酒店采用BCHP方案以后投资收益和投资回收期,列于表4.表4 BCHP方案投资收益和投资回收期计算结果项目计算结果项目计算结果发电节支,元/年收益,元/年冷热节支,元/年设备总投资,元总收入,元/年设备折旧期,年发电年运行费用,元/年设备折旧费,元/年天然气支出费用,元/年投资回收期,年总支出,元/年年节约支出,元/年根据以上结果,与当前采用的冷热电供应方案相比,该写字楼采用BCHP方案每年可节约开支接近60万元。虽然从目前情况来看,年收益率只能达到9.2%左右,但今后随着微型燃气轮机价格和关税的进一步降低,投资回收期还会进一步缩短。

  将BCHP方案与当前冷热电供应方案的年燃料消耗量折算成当量标煤,其中天然气热值取35588k/m3,标煤热值取29 308k/kg电厂发电平均煤耗取为335g标准煤cWh,电网线损率取6.74%,厂用电率取5.56%,重油热值取401931/kg柴油密度取0.85kg/L.计算得到当前方案年燃料消耗量折算为4 855.2t标煤,BCHP方案年燃料消耗量折算为3578.2t标煤,年节约标煤1277t,能源节约率为26.3%.因而采用BCHP可大大节约有限的资源,提高能源使用效率。

  表5为计算得到的BCHP方案与当前方案的排放物结果对比。

  表5BCHP方案与当前方案污染物排放比较主要污染物名称电网供电方案年排放量,t BCHP方案年排放量,t有害排放减少率,接近100固体废渣接近100可见,除去良好的经济价值和能源节约价值以外,BCHP方案还具有很高的环保价值。以上分析的还仅仅是直接环保价值,如果考虑到间接环保价值,其效益将更加可观:为了处理燃煤所排放的大量污染物,必须消耗巨大的人力、物力、财力,而BCHP不仅节省了相关的费用,并且在净化空气、改善生存环境、减少医疗卫生费用等方面具有显著的作用,另外,其在提高城市清洁度、改善投资环境、吸引外来投资等方面所具有的潜在价值亦不容忽视。

  2.2某写字楼应用BCHP的价值分析本文还对济南市一座采暖、制冷面积37的写字楼应用BCHP进行了价值分析。该写字楼主采用两台直燃吸收式冷温水机组,冬季采暖时间1400h,每台机组制热量1471kW柴油消耗率170L/h;夏季制冷时间1500h,每台机组制冷量1744kW柴油消耗率150L/h. BCHP方案拟采用一台SolarSatum20燃气轮机发电机组和两台BZ150型排气直热型冷温水机组,燃机长X宽X高=5单机冷热电匹配容量供电指标为1 121kW天然气消耗量501.03m3/h;冷温水机组制冷量1 745kW,制热量1要基础数据为:所用电量全部来自电网,采暖与制冷345kW.表6为BCHP方案经济价值计算结果。

  表6 BCHP方案经济价值计算结果项目计算结果项目计算结果发电节支,元/年收益,元/年冷热节支,元/年设备总投资,元总收入,元/年设备折旧期,年发电年运行费用,元/年设备折旧费,元/年天然气支出费用,元/年投资回收期,年总支出,元/年年节约支出,元/年计算还得到当前方案年柴油消耗量折算为2 347t标煤,BCHP方案年天然气消耗量折算为1806t标煤,能源节约率为23.05%;与当前采用的冷热电供应方案相比,BCHP方案每年可少排放CO2 1.1t,固体废渣约12.78t,排放减少率分别为55.3%、接近100%、44%和接近100%. 3结语楼宇冷热电联产分布式电源在提高能源利用效率、缓解地区性电力失衡和时段性电力短缺、改善电网安全性等方面表现出很大的优越性,尤其是燃用天然气的BCHP系统,还可以大大减少有害物排放量,这对于人类所追求的绿色环境的实现无疑有着很大的实用价值。

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