多能源綜合供熱系統(tǒng)案例分析

fgh315 2017-11-09

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0 引言

分布式能源技術(shù)可實現(xiàn)對能源進(jìn)行綜合梯級利用，是我國能源領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。該技術(shù)已被列入我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展前景廣闊。多能源綜合供熱系統(tǒng)是將可再生能源和清潔能源集成化的供熱系統(tǒng)，可實現(xiàn)燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)和污水源熱泵系統(tǒng)以及燃?xì)忮仩t3種系統(tǒng)的優(yōu)勢互補與能源合理配置，進(jìn)一步推動節(jié)能、環(huán)保、低碳工作，促進(jìn)供熱水產(chǎn)品的技術(shù)升級，提高生活和工作環(huán)境的舒適度。

1 多能源供熱系統(tǒng)案例

1.1 項目概況

該項目供熱能源站位于山東省濟(jì)南市某污水處理廠附近，其主要供暖熱用戶為某居住小區(qū)，設(shè)計供熱面積30萬m²，設(shè)計熱負(fù)荷10 MW，冬季能源站設(shè)計供回水溫度55 ℃/45 ℃。能源站主要以某凈化水廠出水作為污水源，采用污水源熱泵系統(tǒng)供熱；同時，以天然氣為主要驅(qū)動能源，采用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t調(diào)峰系統(tǒng)與污水源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)。3個系統(tǒng)組成的多能源供熱系統(tǒng)共同向小區(qū)供熱，已成功運行1 a，供暖效果良好。

1.2 供熱系統(tǒng)介紹

1.2.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機系統(tǒng)

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)是在熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能源供應(yīng)方式，屬于新型分布式能源系統(tǒng)，其機組以小型化、分散化的方式布置在用戶附近，可同時向用戶供冷、供熱、供電，實現(xiàn)能源的綜合梯級利用，是一種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的集成化應(yīng)用。

該項目燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)采用1臺功率為1 024 kW的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機，燃?xì)夂牧?40.39 m³/h。所發(fā)電能通過電纜并入廠區(qū)供電系統(tǒng)，在0.4 kV低壓側(cè)為廠區(qū)及配套系統(tǒng)供電，可承擔(dān)螺桿式污水源熱泵和能源站設(shè)備用電、照明及動力負(fù)荷。發(fā)電機組的余熱利用是指對缸套水和廢氣熱量進(jìn)行綜合利用，冷卻水通過板式換熱器與發(fā)動機的缸套水進(jìn)行換熱，使得外循環(huán)水的溫度升高，再經(jīng)過煙氣換熱器與廢氣進(jìn)行換熱，溫度繼續(xù)升高后供給用戶。

1.2.2 螺桿式污水源熱泵系統(tǒng)

采用3臺額定供熱量3 281.7 kW的螺桿式污水源熱泵機組，單臺輸入功率796.9 kW。螺桿式污水源熱泵機組的用電負(fù)荷應(yīng)優(yōu)先采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機所發(fā)電量，不足部分由市電補充。污水源熱泵機組設(shè)置在隔音室內(nèi)，有效降低了對環(huán)境的噪聲污染。

1.2.3 燃?xì)忮仩t

采用1臺燃?xì)鉄崴仩t作調(diào)峰使用，額定熱功率3.5 MW，設(shè)計熱效率92%，燃?xì)庥昧?39.4 m³/h。當(dāng)室外溫度下降、熱負(fù)荷增加到主熱源無法滿足系統(tǒng)要求時，啟動調(diào)峰熱源。

該供熱系統(tǒng)采用燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)與污水源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)給用戶供熱的方式，系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 供熱系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性分析

在確保能承擔(dān)小區(qū)供熱負(fù)荷的前提下，對該系統(tǒng)分以下4種運行方案進(jìn)行比較。方案1：不運行燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機；方案2：電價峰時段發(fā)電機運行；方案3：電價峰、平時段發(fā)電機運行；方案4：電價峰、谷、平時段發(fā)電機均運行。

電價按照大工業(yè)用戶峰、谷、平電價計算，高峰時段為08:30—11:30，16:00—20:00；低谷時段為23:00—07:00；其余為平時段。峰電價格為0.89元/(kW·h)，平電價格為0.59元/(kW·h)，谷電價格為0.29元/(kW·h)。天然氣價格為3元/m³。供暖期天數(shù)按照120 d計算，每天運行24 h。

2.1 方案1年運行費用分析

不運行燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機，只運行3臺污水源熱泵時年運行費用見表1。

表1 方案1年運行費用

該系統(tǒng)2015年2月20日至3月20日僅開啟3臺污水源熱泵，實際運行電費為1 086 723.49元，核算到4個月為4 346 893.96元，實際運行電費與計算結(jié)果誤差不大。

2.2 方案2年運行費用分析

發(fā)電機電價峰時段運行、污水源熱泵一直運行時年運行費用見表2。

表2 方案2年運行費用

2.3 方案3年運行費用分析

電價峰、平時段發(fā)電機組運行，污水源熱泵一直運行時年運行費用見表3。

表3 方案3年運行費用2.4 方案4年運行費用分析

電價峰、谷、平時段發(fā)電機均運行，污水源熱泵一直運行時年運行費用見表4。

表4 方案4年運行費用

根據(jù)表1~4中數(shù)據(jù)可以看出，方案2和方案3的年運行費用均低于方案1，方案2的年運行費用最低，比不運行發(fā)電機每年可節(jié)約182 582元，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，濟(jì)南市政府有關(guān)部門正在優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低煤炭消耗，提高清潔能源使用比例，確定拆除35 t/h以下的全部小型鍋爐，推進(jìn)煤改氣、煤改電，作為清潔能源的天然氣價格有下調(diào)趨勢，屆時該項目將具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定性及能效分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益及穩(wěn)定性

該工程多熱源系統(tǒng)中的燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)以燃?xì)庾鳛橐淮文茉矗瑢l(fā)電系統(tǒng)與供熱系統(tǒng)結(jié)合，以燃?xì)鈨?nèi)燃機為原動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電后的高溫?zé)煔夂透滋姿ㄟ^余熱回收設(shè)備進(jìn)行再利用，雖然其單項發(fā)電效率不如大型發(fā)電廠的高，只有30%左右，但將其用于供熱的余熱計算在內(nèi)后，一次能源利用率可提高到88%。天然氣近似為一種清潔能源，其燃燒過程排放的污染物總量比燃油少35%，比燃煤少70%，環(huán)境效益顯著。

污水源熱泵是指從城市生活廢水或者從工業(yè)生產(chǎn)污水中提取熱量，并轉(zhuǎn)換成可利用的清潔能源來實現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖的熱泵系統(tǒng)。與目前大量采用的自備鍋爐房或者區(qū)域鍋爐房相比，污水源熱泵不但有很好的節(jié)能效果，同時還能減少CO₂，SO₂，NO_x的排放量。所以污水源熱泵對降低溫室效應(yīng)有一定作用，還能減少酸雨對環(huán)境的破壞。

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“供暖室外計算溫度應(yīng)采用歷年平均不保證5天的日平均溫度”，即整個供暖期內(nèi)，最大熱負(fù)荷的持續(xù)時間應(yīng)在120 h內(nèi)。考慮到節(jié)省設(shè)備、管網(wǎng)方面的初投資和煤、水、電、人工等運行費用，在室外溫度低于設(shè)定溫度時，可能出現(xiàn)供熱能力不能滿足供暖熱負(fù)荷要求的情況，該系統(tǒng)采用燃?xì)忮仩t承擔(dān)部分高峰負(fù)荷，保證用戶側(cè)供熱效果不受極寒天氣影響，使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。通過入戶調(diào)查得知，供暖期間用戶室內(nèi)溫度均能達(dá)到用戶滿意程度，實現(xiàn)了用戶零投訴。

3.2 能效分析

該能源站留有空間可配備煙氣吸收式熱泵機組，實現(xiàn)能源的梯級利用，該項目燃?xì)鈨?nèi)燃機可配1臺發(fā)熱量814.4 kW的煙氣型吸收式熱泵機組。

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)高于70%。燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率定義為聯(lián)供系統(tǒng)輸出能量與輸入能量之比，即