电力施组_北京楼宇化分布式热电冷联产设计方案

北京楼宇化分布式热电冷联产设计方案

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。

华盛顿水门饭店安装了土星热电冷系统

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。

美国圣地亚哥海军医院安装了3台土星机组

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

Solar Saturn20技术指标

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&W ST5 迷你燃气轮机

ST5技术指标

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

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

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

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

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

索拉-远大系统工况变化热电冷出力比较

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

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

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

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

供热制冷的节支情况分析：

供热制冷的节约支出

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( 8333 kCal/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

天然气单价：非采暖季节1.4元/Nm3 采暖季节1.8元/Nm3

应用气价

此外，小型燃气轮机有一突出优势，就是在天然气供应出现问题时，可以自动切换其他液体燃料，如：柴油、液化石油气。

燃气轮机前置循环余热综合利用热电冷联产技术方案：
A、燃气--蒸汽联合循环热电联产方案，即：燃气轮机--余热锅炉--蒸汽溴化锂吸收式空调机方案（方案Ⅰ）。该方案是由燃气轮机首先利用天然气发电，将烟气中的余热通过余热锅炉回收转换成蒸汽利用，冬季依靠热交换器转换热水采暖，夏季依靠蒸汽溴化锂吸收式空调机制冷。
这是一个传统的解决方案，适合于蒸汽需要量比较大，蒸汽品质要求比较高的项目，例如：医院等。该方案还特别适合改造已经购买蒸汽锅炉和蒸汽蒸汽溴化锂吸收式空调机的单位进行热电冷联产改造。
本方案可能还需要一台小型蒸汽锅炉提供冬季、夏季燃气轮机不运行时段的采暖、制冷，以及安全备用。系统比较复杂，运行维护成本高，增加了压力容器，安全要求也比较高。因此，我们不建议采用这一技术解决方案。

图1 冷热电三联供系统方案I
采用间接热源和溴化锂吸收式制冷循环的工艺示意图

B、燃气轮机--余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机联合循环方案（方案Ⅱ）。该方案也是由燃气轮机首先利用天然气发电，所不同的是将烟气中的余热直接通过余热 / 直燃溴化锂吸收式空调机收转利用，冬季转换热水采暖，夏季转换冷水制冷。
设备淘汰了方案I 的余热蒸汽锅炉和备用蒸汽锅炉系统，以及化学水系统，蒸汽泻排系统，效率大大提高。在燃气轮机不运行时段，有溴化锂吸收式空调机直燃运行。不论安全性、经济性都好于方案I，因此我们推荐采用这一技术解决方案，我们只对这一技术解决方案进行经济评价。

图2 冷热电三联供系统方案II
采用直接热源和溴化锂吸收式制冷循环工艺示意图

上述两方案比较，从需求角度，各有千秋，采用燃气轮机--蒸汽锅炉--蒸汽溴化锂空调系统适合于大量需要蒸汽消毒的医院项目和已经使用蒸汽溴化锂空调单位的技术改造；从造价和运行经济性角度，采用燃气轮机--余热溴化锂空调系统节省了锅炉系统和化学水系统等，必然有优势。从需求匹配角度，燃气轮机--余热溴化锂空调系统更加合理。相比之下，燃气轮机--余热溴化锂空调系统更有优势，我们研究的重点将集中在这种方式上。

方案供热制冷能力比较

十二、燃料消耗量与燃料成本：
燃气轮机机组天然气耗量计算结果列表如下：
使用Saturn20燃气轮机的供热能力可以满足50,000平方米级建筑楼宇的实际需求。如果需要达到设计最高值，方案I需要安装一台小型天然气蒸汽锅炉，作为尖峰调峰使用，也可作为夜间保温设施，以保障热力系统的安全运行。方案II，可以利用扩大余热直燃机的功率，使其达到项目采暖、制冷的设施要求。

燃气轮机天然气消耗量

十三、设备投资：
中国已经加入WTO，明年起进口关税将逐步降低，增值税也将逐步被消费税代替，总体税收将不断处于下降趋势。税制对于本项目影响较大，占进口设备的30%左右，因此未来的总投资将会降低。

工程造价估算

预计工程总造价1,253万元，这一费用不包括土地费用和建筑物内部的暖通空调系统的投资，采用国内工程总包，采用方案II作为技术解决方案。

十四、投资收益与回收年限：

工程总造价可以在4年之内得到回收。
由于即使不采用燃气轮机，也要投资建设采暖、制冷和热水系统。实际上，真正增加的支出只是燃气轮机部分，而燃气轮机、进口关税和1/2的工程建设安装费用部分的回收周期不到3年，而设备的使用周期长达20-30年之久，其投资效益极为明显。
在折旧期20年的情况下，每年节约支出为259万元。

密执根州一小区的热电设施

十五、与其他方式比较：
在项目建设中，采用燃气轮机热电冷联产技术，可以减少投资一路供电投资，在北京地区，电力线路一般需要埋地，
施工费用平均170万元/公里，电力增容费240元/kVA，如果功率系数在0.8，折合300元/kW，1,170千瓦电力加上减少
电制冷的增容费可节约投资63.8万元；集中采暖的增容和配套费120元/平方米；电空调制冷投资100元/平方米；如
果采用燃气锅炉需要3台750kW热水锅炉，每台80万元，需要240万元。而采用热电冷联产技术，就不再需要这些投资
了。

采用燃气轮机热电冷联产技术的建设投资大于其他方式的技术解决方案，它的优势在于经济性明显好于其他方式。

北京地区各种能源解决方式的能源支出比较

上海地区商业建筑各种能源解决方式的能源支出比较

十六、关于方案适用性问题：
50,000平方米不是一个绝对的条件，要看项目的性质来决定。
例如商店，每平方米的制冷量120W，采暖量80W，而电量达到120W，按这个要求：制冷仅满足24,000平方米，采暖仅满足28,000平方米，电力仅满足10,000平方米。按照本方案确立的设计原则，只能保证25,000-30,000平方米的商业建筑的需求。
如果按照北京地区节能建筑的平均值，制冷量44W，采暖量34W，方案II的最大平均制冷面积65,250平方米，最大平均采暖面积66,500平方米。所以对于用热量较低的节能建筑，可保证65,000平方米建筑面积。
8-12万平方米的建筑可以考虑2套系统；12-20万平方米的建筑可以考虑使用3套系统，多系统供能的优点为：一是安全；二是调节灵活性大。但再大的建筑物就最好选用更大的燃气轮机系统了。

对于50,000平方米级的医院、宾馆等用电量和制冷、采暖量配备的建筑或建筑群，由于电价较高，运行周期较长，供热成本较大，供电安全要求也比较严格，所以采用燃气轮机热电冷联产技术来解决自身的能源供应，是一个经济效益、社会效益都十分理想的选择。燃气轮机热电冷联产技术，在我国的城市中，特别是北京和上海这样一些大城市中具有较大的推广潜力。