50000平方米级建筑分布式热电冷联产综合技术解决方案.docx

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50000平方米级建筑分布式热电冷联产综合技术解决方案

50000平方米级建筑分布式热电冷联产综合技术解决方案

方案编制人员

金红光（博士、中国科学院工程热物理研究所研究员、中国能源网高级顾问）

韩晓平（中国能源网首席信息主管）

范鹤海（中国能源网高级技术顾问华北电力设计院教授级高级工程师）

江丽霞（博士、中国科学院工程热物理研究所助理研究员）

本方案引用参考了上海发电设备成套技术研究所李名远、张时飞、陈键

以及远大空调有限公司彭奇凡、严晓武等专家的研究成果

SolarSaturn20热电冷系统应用研究

中国能源网www.C

2001年12月18日

一、概述：

2000年由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了《关

于发展热电联产的规定》，这是贯彻《中华人民共和国节能法》，实施可持续发展战略、落实环

保基本国策和提高资源综合利用效率的重要行政规章。

《规定》再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策，支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电冷

联产项目，特别强调了国家积极支持发展燃气轮机联合循环热电联产和小型燃气热电联冷产。

国

家计委已在"十五"计划实施方案中确定在北京、上海积极抓好试点工程。

目前，北京、天津等地正在积极利用陕甘宁天然气资源，并计划建设第二条陕京管线。

上海、江

苏和浙江等地也正在努力开拓"西气东输"工程实施后的天然气市场，这些都为发展小型燃气轮

机及微型燃气轮机热电联产提供了良好的机遇。

世界各国实践表明，发展能源梯级利用的小型热

电冷联产是合理、高效地利用天然气资源的最佳手段，对于改善环境、降低因燃料调整带来的成

本增加，也是最好的解决方案之一。

为适应国家关于环境保护的要求，改善首都及周边地区的大气质量，开拓天然气合理、高效的用

途，拟在北京发展楼宇化分布式热电冷联产，建设一批以天然气为燃料的燃气热电冷系统，以替

代和优化整合目前由常规的燃煤、燃油、燃气锅炉采暖；燃气、电力空调制冷和备用柴油机组成

的能源系统，提高北京电力供应的安全可靠性，缓解夏季制冷用电高峰，平衡天然气利用，降低

天然气成本，扩大天然气市场。

二、方案构思：

   在北京地区，拥有大量规模在50,000平方米左右的公用性和商用性建筑，研究制定这一规模的热电冷一体化综合技术解决方案，对于北京的环境保护、提高电力供应安全和减缓电空调调峰压力，以及北京的可持续发展具有深远意义。

设计一种技术可靠、适用性强、经济性能良好，满足特别是医院、酒店、综合办公大楼等用户需求的综合技术解决方案，是发展这一容量及楼宇化热电冷联产的关键。

根据世界的发展趋势和国际上的最新设计理念，本方案推荐采用小型燃气轮机技术，并结合采用余热锅炉-蒸汽溴化锂空调，或者直接采用余热溴化锂空调互相连接，直接提供电力、制冷冷水、采暖热水和生活用热水。

如果需要，可在余热溴化锂空调的燃烧腔内，或烟气出口处再设置热交换器生产蒸汽。

三、设计依据：

   根据国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会，以及国家电力公司要求，为积极推动分布式热电冷联产项目在北京的实施，落实国家"十五"规划中"在北京建设热电冷联产试点工作"，实现北京市政府"迎接奥运会，建设新北京"的目标，依据中国电机工程协会热电专业委员会王振铭秘书长的建议，本方案能源配置采取以下原则：

"以基荷电力定容量，不足电力从电网补充，不足热量补燃解决"和电力"并网不上网售电"，并采取"友好同步发电"的设计观念，即与供电公司、燃气公司和用户友好相处，平行同步供电。

暖通指标参照中国建筑科学研究院李先瑞研究员提供的北京地区实际测量得出的"空调设计冷暖负荷指标"和"生活热水负荷指标"作为建筑采暖、制冷和生活热水供应标准。

以美国索拉透平公司、加拿大普拉特o惠特尼公司和远大空调有限公司提供的应用设备技术方案研究编制了以下解决方案：

   小型燃气轮机--余热（补燃）锅炉蒸汽溴化锂吸收式空调机热电冷联产方案与小型燃气轮机--余热/直燃溴化锂吸收式空调机热电冷联产方案

   备注：

方案可以根据用电安全需求，采用1套1,180kW索拉土星20机组，也可以采用2套457kW普惠ST5S机组，因为两种机组容量、效率相当，本方案只论述土星20机组方案。

北京地区基本环境条件：

平均温度12℃（计算按15℃），相对适度60%，海拔高度50m。

四、设备介绍：

1、索拉透平公司是世界上最大的小型工业型燃气轮机制造厂家，产品行销全球，至今生产的燃气轮机已超过11,500台，其中引进中国的机组近70台。

索拉小燃机设计精良，坚固耐用，性能可靠，是一种很适合在分布失热电联产项目中广泛应用的动力设备。

为更好地配合在中国市场的售后服务，索拉已决定在天津港保税区建设备件支援中心提供备件支持，能够为中国用户，特别是北京地区用户提供及时的服务支持。

    土星（Saturn）20机组，出力1,121kW，发电效率24.3%，排烟温度503℃，烟气流量23,367kg/h，大修周期3万小时。

噪音小于85分贝，属于高频噪音，易于控制。

土星机组剖面图

                                    SolarSaturn20技术指标

SolarSaturn20燃机单机发电容量

kW

1177

燃气轮机长度

mm

5,980

燃气轮机宽度

mm

2,200

燃气轮机高度

mm

2,180

燃气轮机重量

kg

9980

燃气轮机重量

kg

9980

燃气轮机烟气流量

t/hrs

23.172

燃气轮机烟气温度

℃

504.8

燃气轮机烟气热量

GJ/hrs

12.431

2、普拉特•惠特尼公司是世界上最大的小型航空发动机制造商，中国民航大量使用该公司发动机产品。

以该公司发动机组装的地面发电机设备多达数几千台，其设备技术先进，轻巧可靠的技术特性在同行业中处于领先地位。

    ST5S机组，出力457kW，顶峰出力563kW，发电效率23.5%，排烟温度587℃，烟气流量8,280kg/h，大修寿命周期3.2万小时

P&WST5迷你燃气轮机

ST5技术指标

机组

单位

ST5R回热循环型

ST5S热电联产型

功率

kW

395

457

效率

%

32.7

23.5

排烟温度

℃

365

587

烟气流量

kg/s

2.22

2.3

转速

Rpm

30,000

30,000

长

mm

1,359

1,099

重量

kg

1,800

800

3、余热锅炉，可以采用杭州锅炉厂或哈尔滨锅炉厂与703研究所的产品，也可以采用国外厂家或其在国内合资企业的产品。

小型余热锅炉是一种技术非常成熟的产品，早以被世界和中国广泛应用。

余热锅炉可以采用补燃技术，增加供热能力，提高供热灵活性。

                                         索拉热电系统

余热锅炉补燃工况比较

环境工作温度

℃

15

环境工作湿度

%

60

燃气轮机燃料耗量

MJ

17,454.42

kWh

4,848.45

燃气轮机出力

kW

1,177

发电效率

%

24.28

余热锅炉排烟温度

℃

512.70

余热锅炉蒸汽量

kg/h

3,400

蒸汽压力

Bar

8

蒸汽温度

℃

170.42

蒸汽焓值

kJ/kg

2,768.4

余热回收量

MJ/h

9,412.6

kWh

2,614.60

热电联产效率

%

78.20

补燃820℃

余热锅炉蒸汽量

kg/h

6,520

余热回收量

MJ/h

18,050.0

kWh

5013.88

补燃燃料量

MJ

7,804.00

kWh

2,167.78

热电联产效率

%

88.24

补燃927℃

余热锅炉蒸汽量

kg/h

7,556

余热回收量

MJ/h

20,918.0

kWh

5,810.56

补燃燃料量

MJ

10,546.00

kWh

2,929.44

热电联产效率

%

89.84

4、蒸汽溴化锂空调机组，国内外有远大、大连三洋、双良、凯利等几十个厂家可以提供各种规格的产品，选择余地极大，本方案以三洋NG61M型800冷吨蒸汽溴化锂空调机组技术指标作为参考。

余热锅炉与三洋NG61M型蒸汽溴化锂空调机组技术参数

环境工作温度

℃

15

环境工作湿度

%

60

燃气轮机燃料耗量

GJ

17.45

燃气轮机出力

kW

1,177

余热锅炉进口温度

℃

512.70

烟气量

kg/h

22,917.86

余热锅炉蒸汽发生量

kg/h

3,856.18

除氧蒸汽消耗量

kg/h

456.50

有效蒸汽供应量

kg/h

3,399.68

蒸汽压力

Bar

8

蒸汽温度

℃

170.42

蒸汽焓值

kJ/kg

2,768.40

余热回收量

MJ/h

9,411.67

大卡

2,247.94

kWk

2,614.35

制冷机长度

mm

5,690

制冷机宽度

mm

2,500

制冷机高度

mm

3,330

制冷机运转重量

kg/h

26,600

制冷COP

1.0465

制冷量

大卡

2,352.47

kWh

2,735.92

冷吨

USRT

777.25

5、余热溴化锂空调机组，目前远大和大连三洋等公司都可以提供，但本方案将按照远大空调有限公司提供的远大BHRS250VII型余热双效吸收式冷温水机组技术参数指标作为基本设计依据。

该机组在燃气轮机停运时可以直燃供热制冷，并可以增加容量作为冷热高峰的调节手段，保证满足需求的供应平衡。

    远大产品在国内外拥有很高的声望，余热溴化锂空调机已经销往美国，该公司与Salor机组的配套方案已经在美国能源部中标，现正在实施之中。

目前这一技术正在争取在北京燃气集团调度中心项目中使用。

远大BHRS250VII型余热双效吸收式冷温水机组技术参数

远大直燃机长度

mm

6,600

远大直燃机宽度

mm

2,600

远大直燃机高度

mm

2,850

远大直燃机重量

kg

25,000

COP

1.27

余热回收能力

kW

2261（制冷）—2430（供热）

制冷量

kW

2,871

供热量

kW

2,248

冷水进出口温度

℃

12-7

冷水流量

M3/h

500

温水进出口温度

℃

57-65

温水流量

M3/h

241

冷却水进出口温度

℃

32-37.3

温水流量

M3/h

805

五、需求分析：

   项目对于能源的需求主要在电力、采暖、制冷和生活热水，以及部分蒸汽用于消毒等需求。

用户的需求往往是不恒定的，需要进行一些调节。

通过蓄热和蓄冷技术进行一些调节，力求总量平衡。

尽量减少夜间低谷低电价时段的运行，避免浪费可以提高经济效益。

本方案按夜间8小时50%出力考虑，总量可以保证实现平衡。

需求与保证能力的比较

项目

单位

指标

保证面积

m2

50,000

采暖设计指标

W/m2

56.3

设计指标容量需求

kW

2815

制冷设计指标

W/m2

69.3

设计指标容量需求

kW

3465

采暖应用指标

W/m2

33.9

应用指标容量需求

kW

1695

24小时连续供暖需求

kW

40,680

制冷设计指标

W/m2

44

设计指标容量需求

kW

2,200

24小时连续制冷需求

kW

52,800

方案供暖指标

W/m2

45

方案供暖能力

kW

2,248

20小时连续供暖能力

kW

44,960

方案制冷指标

W/m2

57

方案制冷能力

kW

2871

20小时连续制冷能力

kW

57,420

六、容量选择：

   根据已经确定的原则，本方案计划在热力和制冷上基本满足平均负荷需求，而电力解决25%-50%的负荷需求，保证关键部位的电力供应安全。

   因目前建筑部门适用的建筑暖通空调设计标准是上世纪80年的标准，大大落后于目前建筑的实际建设应用水平，如果按上述标准配置系统，必然造成设备投资的巨大浪费。

因此，本方案将根据北京地区实际测量标准设计。

   电力系统采用外网提供不足电力补充、安全备用和调节；热力和制冷系统应利用一些原有系统作为备用和调节手段，如果没有可利用系统，使用余热溴化锂空调机直燃增容供热制冷峰荷也是解决问题的重要方法之一。

   因此燃气发电装置的功率选择，主要要依照"以热（冷）定电"的原则，因为热力和制冷一般是无法得到外部支持的，而电力是可以依靠外网补充，所以电力容量最好小于大楼要求的电力需求，并具有较大的调节灵活性。

可供选择的最佳燃气发电装置是1,000kW级小型燃气轮机，索拉土星20机组是一个适用的机组选择。

索拉-远大系统热电冷匹配容量指标

保障供热/制冷面积

m2

50,000

设计供电指标

W/m2

50-80

供电总量

kW/hrs

1170

标准单位建筑平米供电量

23.40

设计供热应用指标

W/m2

34-50

供暖总量

kW/hrs

2248

标准单位建筑平米供热量

W/m2

49.03

kJ/m2

177

kCal/m2

42

余热/直燃机COP值

1.27

设计应用制冷指标

W/m2

44-60

制冷总量

kW/hrs

2871

标准单位建筑平米制冷量

W/m2

57.42

kJ/m2

207

kCal/m2

49

索拉-远大系统工况变化热电冷出力比较

电力负荷

实测标准

100

80

70

60

50

40

30

电力输出

kW

1,170

936

819

702

585

468

351

50000平米单位电量

W/m2

40-80

23.4

18.72

16.38

14.04

11.7

9.36

7.02

发电效率

％

24.1

22.65

21.63

20.33

18.7

16.62

14.12

尾气流量

kg/h

23,367

23,335

23,315

23,294

23,270

23,243

23,216

尾气温度

℃

503.4

444.6

416.8

390.1

364.5

340

317.7

余热利用量

kW

2,261

1,852

1,659

1,475

1,298

1,130

977

COP

1.27

1.35

1.39

1.44

1.49

1.5

1.52

制冷负荷

％

100

87

80

74

67

59

52

制冷量

kW

2,871

2,500

2,306

2,124

1,934

1,695

1,486

50000平米单位冷量

W/m2

44-60

57.42

50

46.12

42.48

38.68

33.9

29.72

排气温度

℃

145

145

145

145

145

145

145

回收余热

kW

2,430

2,135

1,995

1,861

1,732

1,609

1,497

供热效率

％

92.5

92.5

92.5

92.5

92.5

92.5

92.5

供热负荷

％

100

97

91

85

79

73

68

余热供热量

kW

2,248

1,975

1,846

1,722

1,602

1,488

1,385

50000平米单位热量

W/m2

34-37

44.96

39.5

36.92

34.44

32.04

29.76

27.7

七、运行时间：

   每一个项目都有不同的内部需求和需求规律，设备利用时间也有所不同，我们在次主要研究最适合采用本技术的医院、宾馆等项目的规律。

预计设备利用时间

季节

单位

周期

天数

日利用小时

比例

实际利用时间

冬季采暖期

hrs

10.20--4.10

172

20

39.27%

3440

夏季制冷期

hrs

5.16-9.20

128

20

29.22%

2560

春秋非采暖制冷期

hrs

4.1-5.14/9.16-10.31

65

16

11.87%

1040

全年

hrs

365

24

100.00%

8760

实际利用时间

hrs

365

19.29

80.37%

7040

安装在建筑物一侧的Solar燃机

八、电价与发电节约支出：

北京商业和非普通工业用电的价格构成比较复杂，一般采用非普通工业平均电价0.58kWh，高峰0.92kWh，平峰0.56kWh，低谷0.26kWh。

电价与发电节支

时段

季节

出力

运行时间

利用时间

小时发电量

发电量

电价

电费节支

单位

%

hrs

hrs

kWh

kWh

元/kWh

元

高

冬季采暖期

100%

8

1,376

1,170

1,609,920

0.92

1,481,126

夏季制冷期

100%

8

1,024

1,170

1,198,080

0.92

1,102,234

峰

春秋非采暖制冷期

100%

8

520

1,170

608,400

0.92

559,728

平

冬季采暖期

100%

8

1,376

1,170

1,609,920

0.56

901,555

夏季制冷期

100%

8

1,024

1,170

1,198,080

0.56

670,925

峰

春秋非采暖制冷期

50%

8

260

585

152,100

0.56

85,176

低

冬季采暖期

50%

8

688

585

402,480

0.26

104,645

夏季制冷期

50%

8

512

585

299,520

0.26

77,875

谷

春秋非采暖制冷期

0%

8

0

0

0

0.26

0

合计

6,780

7,078,500

4,983,264

九、热价、冷价与供热制冷节约支出：

热价应按照北京天然气集中供热费用进行核定，目前北京市执行的天然气集中供热价格为30元/m2/a。

热价

项目

单位

数值

标准热价

元/m2/a

30

采暖周期

days

121

hrs

2,904

供暖标准

W/m2

40

kCal/m2

34

热价

元/MW

258.3

元/kW

0.258

冷价可以按照电制冷成本价和天然气制冷成本价格进行平衡，天然气制冷还需要电力和水冷等成本，所以以电力平均价格作为制冷成本价格是接近天然气制冷的实际成本，是比较合理的指标。

各种电价气价下的制冷成本

项目

单位

数值

制冷成本

高峰电价

元/kWh

0.92

0.3067

平峰电价

元/kWh

0.56

0.1867

低谷电价

元/kWh

0.26

0.0867

平均值

元/kWh

0.58

0.1933

高峰天然气气价

元/Nm3

1.80

0.1689

低谷天然气气价

元/Nm3

1.40

0.1314

供热制冷的节支情况分析：

供热制冷的节约支出

时段

季节

出力

运行时间

利用时间

小时冷热量

冷热量

冷热价

冷热节支

单位

%

hrs

hrs

kWh

kWh

元/kWh

元

高

冬季采暖期

100%

8

1,376

2,248

3,093,248

0.258

798,876

夏季制冷期

100%

8

1,024

2,871

2,939,904

0.307

901,571

峰

春秋非采暖制冷期

100%

8

520

957

497,640

0.307

152,610

平

冬季采暖期

100%

8

1,376

2,248

3,093,248

0.258

798,876

夏季制冷期

100%

8

1,024

2,871

2,939,904

0.187

548,782

峰

春秋非采暖制冷期

8

0

0

0

0.187

0

低

冬季采暖期

79%

8

1,087.04

1,776

1,930,496

0.258

498,579

夏季制冷期

67%

8

686.08

1,924

1,319,723

0.087

114376

谷

春秋非采暖制冷期

0%

8

0

0

0

0

合计

7,093.12

15,814,163

3,813,669

十,燃料：

在城市中使用小型燃气轮机主要使用清洁、安全的天然气燃料，在北京使用陕甘宁气田天然气，西气东输工程第一阶段也将采用陕甘宁气。

天然气热值：

不小于34888.6kJ/Nm3（8333kCal/Nm3）。

陕甘宁天然气成分及特性具体成分如下：

燃气储份分析表

项目

单位

组成

数值

甲烷

%

CH4

95.9494

乙烷

%

C2H6

0.9075

丙烷

%

C3H8

0.1367

硫化氢

%

H2S

0.0002

二氧化碳

%

CO2

3.000

水

%

H2O

0.0062

高位热值

MJ/Nm3

39.0051

低位热值

MJ/Nm3

35.1597

密度

Kg/Nm3

0.7616