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技术丨基于燃气的分布式能源站

北极星电力网新闻中心  来源:汽机监督  作者:张宝  2018/4/11 9:17:48  我要投稿  

北极星火力发电网讯:浙江省内一次能源较缺,燃煤增量受限,发展新能源,其大致范围是垃圾发电、生物质掺烧、风电、光伏、地热方面五个方面。垃圾发电选址受限,省内生物质资源短缺、收集困难,风电、尤其是海上风电方兴未艾,太阳能光伏已遍地开花;风电、光伏集中发电尚可,却无法完成高效供应冷、热;浙江省内有一定的地热资源,但目前作为较大规模的能源供应可能性不大。由于经济发展迅速,实力雄厚,再加上早已建立的密集的天燃气供应网络,基于燃气的分布式能源必将成为今后浙江省内综合能源发展的最重要一极。

1、系统的组成

从目前情况看,基于燃气的冷热电分布式能源系统设备主要包括燃气内燃机、燃气轮机、溴化锂制冷/热机、大型电空调、柴油发电机、燃气/余热/电锅炉、蓄冷/热罐等,其中关键设备为燃气内燃机、燃气轮机、溴化锂制冷/热机,前两者基本以进口设备为主,后者有不错的国产设备。

燃气轮机对进汽压力要求高(一般高于次高压级别(0.4-1.6MPa)),而城市天燃气管网压力多为0.4MPa以下,这方面燃气内燃机适应性更好,更能适应城市建筑安装与防火规范的要求;另外,同等级的情况下,燃气内燃机排汽温度一般要比燃气轮机低50℃左右,发电效率更高,尤其是冷、热负荷需求较小的情况下,更具有优势;另外,目前的燃气轮机单机容量偏大,微型燃气轮机发展又不成熟,在单机电功率2000kW这个级别,主要是以燃气内燃机为主。基于这三点,目前,基于燃气的分布式能源,其发电设备还是多选用燃气内燃机。

燃气内燃机排烟余热或用来制热,或用来制冷,具体主要根据用户需要来设计。制热的话,一般选用余热锅炉,可以提供高温高压的蒸汽,也可以提供生活用热水;制冷的话,一般选用溴化锂制冷机。

溴化锂制冷机使用热源来驱动,其中除了较小的水泵外,无大型转动设备。它的驱动热源可使用蒸汽、热水、也可以使用烟气(最低175℃左右),在冷负荷需求量较大时,甚至可以使用天燃气补燃,当然这要在设备选型时就要确定。溴化锂制冷机使用水为制冷剂,由此决定其能提供的冷冻水温度的最低温度不可能太低,一般可提供7℃以上的冷冻水,通过管路输送、换热器换热,可为用户供冷。当然,也有溴化锂制热,一般可提供110℃左右的热水。

燃气内燃机与溴化锂制冷机一般采用一对一的单元制配置,它们均需要冷却水来维持它们的正常循环工作,其中燃气内燃机的冷却水中分缸套水与中温水,前者出口温度一般为95℃左右,可用来供热,而后者出口一般为60℃左右,一般不再利用;溴化锂制冷机的冷却水一般也不再利用,可通过机力通风设备散热后循环使用。

大型电空调也叫冷水机,一般设计作为故障备用或顶尖峰冷负荷使用,当然,当冷负荷需求大而电负荷需求小时,也可以用发出的电驱动电空调,以增加制冷量;电空调单机电功率一般设计为单台燃气内燃机发电容量20%左右。还有柴油发电机,也是作用故障备用或顶尖峰电负荷使用。

蓄冷罐在分布式能源站中的地位很重要,起到转移负荷的作用。比如,可以将晚上剩余的冷负荷蓄起来,移到白天使用,有它在,整个分布式能源站的负荷调节会平稳很多,当然,它的另一个作用是事故备用,也就是说,一旦溴化锂制冷机、电空调均故障时,蓄冷罐要顶上一段时间,具体时间长短根据用户要求设计确定。

2 技术经济

  国家要求,分布式能源系统年平均能源综合利用效率要达到70%以上,实际上,这是不难达到的。与传统的电力生产方式相比,基于燃气的分布式能源由于少了冷源损失,其设计综合能源利用率轻松可达80%以上。一般地,就基于燃气内燃机的分布式能源站的能量利用看,其天然气提供的能源中,40%用来发电,25%由内燃机烟气余热排出后用来制冷/热,15%由缸套水带走后也可利用,5%由内燃机中冷器散热、5%从润滑油散热、10%其它消耗,损失的能量合计一般不超过20%。

以为一个约24万m2的建筑配套建设的基于燃气内燃机的分布式能源站为例,提供冷热电负荷,安装两台容量2200kW的燃气内燃发电机、2台制冷量为5800kW的溴化锂制冷机、4台地源热泵(制冷、冰、热)、1台直燃机、两台燃气锅炉(共3000kW),再加上一些辅助设备,总计设备投资约6300万元,再加上建筑成本600万元、安装费用1500万元,其它费用900万元,总计投资共约1亿元。其收入主要来自卖冷、热、电,对其收益率影响最大的是冷、热价格与天燃气价格。一般情况下,可以做到总投资收益率7%以上,静态投资回收期10年左右。另外,政府补贴也是项目的一个重要收入来源。就运营成本而言,天然气费用可占三分之二左右。

就所了解到的情况看,影响后期天燃气分布式能源站运行经济性的最重要因素还是冷热电负荷及其匹配情况。项目可研阶段,负荷预测准确,建成后运行状态一般不错,不少项目长期处于停运状态或亏本运行,其最最重要的原因就是预测负荷与实际负荷相差太大,当然这其中的原因是多方面的,除了可研水平低外,还有政府违约等不可控制因素。

3 基建、调试与运维

基于天然气的分布式能源站建设与常规发电站有相似之处,许多地方可以借鉴。不同之处主要有以下几个方面,一是此类项目政策性较强,通常涉及到巨额的政府补贴,对相关政策的细致深入的了解,有利于自身利益最大化;二是此类项目一般紧靠市区,有时甚至就在居民区,安全、消防、市政等要求较高;三是需要就并网问题与电力部门进行细致的沟通,从目前情况看,多数此类项目采用“并网上网”的模式,而对于能源站来说,采用“余电上网”模式才能使利益最大化;四是多数情况下要与用户同步建设,建设规模与用户的发展相适应,为此要与用户、政府各方进行不断沟通。

与常规电站一样,调试工作很重要,但分布式能源站的调试相对简单,尤其是机务专业的调试,工作量不是很大,多数工程都没有专门的调试单位,而是由业方或运维方与设备厂家一起完成的设备的调试工作。但无论谁来做这样工作,基于燃气的分布式能源站的调试一般还是分为分部试运、整套启动试验、试生产三个阶段。需要调试的设备或系统主要有:阀门、水泵、给排水系统、消除系统、天然气系统、电气系统、自动控制系统、冷却水系统、冷温水系统、通风系统、内燃机缸套水系统、化水系统、锅炉、发电机、电空调、柴油发电机等。

维护与检修是基于燃气内燃机的分布式电站一项重要工作,尤其是对长期处于重载运行的燃气内燃机的维护十分重要,它的维护分日常维护与定期检修。像家用小汽车一样,日常维护包括火花塞检查与更换、润滑油及其过滤器更换等,一般每运行750小时、1500小时、3000小时、6000小时均要进行相应检查。燃气内燃机的检修也分小修、中修与大修,检修周期为:小修15000小时(约花费3-4%新机成本),中修30000小时(约花费10-12%新机成本 ),大修60000小时(约花费25-30%新机成本)。

与燃气轮机相比,燃气内燃机的负荷适应性要差很多,比如它不能承受30%以上的负荷突变,再比如它的负荷由100%突降到50%时,频率与电压稳定时间要20s左右。一般情况下,燃气内燃机运行要求每步加载负荷不大于10%。当然,采用涡轮增压技术可以增加机组的抗负荷突变能力,但也很难改变很多。燃气内燃发电机在以下情况下会保护停运:过负荷(超额定负荷10%)、超速(超额定转速2%)、润滑油压力低、水温、水位故障、蓄电池故障(蓄电池用于自身励磁)、功率方向故障、紧急停车故障等。

了解得知,燃气内燃机运行可靠性不是很好,比如某能源站有5×4.4MW燃气内燃机组,据说每年总计故障停运约20次,主要原因是火花塞等小故障。在单体设备不可靠的情况下,需要通过好的系统设计来弥补这个不足,要确保各设备在故障的情况下相互支援,而不使能源供应中断。

国内基于燃气的分布式能源站的维护一般外包。能源站的运行人员也不多,具体根据机组数量而定,一般地,供冷/热面积25万m2的能源站,采用1台内燃机与溴化锂制冷机、2到3台电制冷,1到2台燃气锅炉,运行人员一般为9人,分4班,1人备用;另设管理人员4名,主其中主管1人,机械、电气工程师各1人。

4 可研与设计

如前所述,良好的可研,直接决定能源站投运后的经济效益。其中负荷计算是其中重要一环。负荷包括冷、热、电、蒸汽等,建筑行业有相应的计算依据,但计算结果往往偏差较大,精确的计算需要对用户更为细致的调查,对于已存在的用户,这种方法尚可以使用,对于未来的用户,还是需要设计人员的经验,并依赖相关方良好的契约精神。由于基于燃气的分布式能源涉及到的能量转换环节较多,设计时应力求工艺简单,不求余热全利用,抓大放小即可。

分布式能源站设计的一般流程是:资料收集,负荷分析,发电设备选型,余热设备选型,调峰设备选型,辅助设备选型,系统综合热力计算,技术经济分析,不同方案比较选优,可借助于专业的软件来完成上述工作。就发电容量选型方面,基于燃气的分布式能源站一般采用“以电定热”的方式,选型原则是:保证设备发电及余热尽可能的长时间运行,一般步骤如下:

(1)根据用户资料,计算电、冷、热的设计负荷。(给出冷、热、电的全年逐时变化图,即以小时为计数单位,全年8760小时,绘制全年负荷逐时变化图。)

(2)选发电设备。绘制电力负荷变化延时曲线(即知道保证某一负荷以上的小时数)。比如,保证全年满负荷时数3500小时以上的最低负荷在4000kW左右。据此来选择发电机组,比如上述数据可选择两台发电容量为2000kW左右的内燃机组。

(3)选余热设备。根据选定的内燃机,计算其可利用余热(冷)量,一般按这一计算结果的2.5倍选择制冷(热)机组;必要时可采用补燃设备。

(4)选择调峰设备。由设计的总负荷,减去上述设备负荷,选电空调、燃气锅炉与蓄能箱,也可以增加太阳能热设备等。

(5)选附属设备。一般按一对一原则选泵。

据了解,由于靠近市区或生活区,基于燃气内燃机的分布式能源站噪声防治工作也十分重要,在设计阶段就要充分考虑。

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