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kW1177燃气轮机长度mm5,980燃气轮机宽度mm2,200燃气轮机高度mm2,180燃气轮机重量kg9980燃气轮机重量kg9980燃气轮机烟气流量t/hrs23.172燃气轮机烟气温度℃504.8燃气轮机烟气热量GJ/hrs12.4312、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kW395457效率%32.723.5排烟温度℃365587烟气流量kg/s2.222.3转速Rpm30,00030,000长mm1,3591,099重量kg1,8008003、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MJ17,454.42kWh4,848.45燃气轮机出力kW1,177发电效率%24.28余热锅炉排烟温度℃512.70余热锅炉蒸汽量kg/h3,400蒸汽压力Bar8蒸汽温度℃170.42蒸汽焓值kJ/kg2,768.4余热回收量MJ/h9,412.6kWh2,614.60热电联产效率%78.20补燃820℃余热锅炉蒸汽量kg/h6,520余热回收量MJ/h18,050.0kWh5013.88补燃燃料量MJ7,804.00kWh2,167.78热电联产效率%88.24补燃927℃余热锅炉蒸汽量kg/h7,556余热回收量MJ/h20,918.0kWh5,810.56补燃燃料量MJ10,546.00kWh2,929.44热电联产效率%89.844、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GJ17.45燃气轮机出力kW1,177余热锅炉进口温度℃512.70烟气量kg/h22,917.86余热锅炉蒸汽发生量kg/h3,856.18除氧蒸汽消耗量kg/h456.50有效蒸汽供应量kg/h3,399.68蒸汽压力Bar8蒸汽温度℃170.42蒸汽焓值kJ/kg2,768.40余热回收量MJ/h9,411.67大卡2,247.94kWk2,614.35制冷机长度mm5,690制冷机宽度mm2,500制冷机高度mm3,330制冷机运转重量kg/h26,600制冷COP1.0465制冷量大卡2,352.47kWh2,735.92冷吨USRT777.255、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mm6,600远大直燃机宽度mm2,600远大直燃机高度mm2,850远大直燃机重量kg25,000COP1.27余热回收能力kW2261（制冷）—2430（供热）制冷量kW2,871供热量kW2,248冷水进出口温度℃12-7冷水流量M3/h500温水进出口温度℃57-65温水流量M3/h241冷却水进出口温度℃32-37.3温水流量M3/h805五、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m250,000采暖设计指标W/m256.3设计指标容量需求kW2815制冷设计指标W/m269.3设计指标容量需求kW3465采暖应用指标W/m233.9应用指标容量需求kW169524小时连续供暖需求kW40,680制冷设计指标W/m244设计指标容量需求kW2,20024小时连续制冷需求kW52,800方案供暖指标W/m245方案供暖能力kW2,24820小时连续供暖能力kW44,960方案制冷指标W/m257方案制冷能力kW287120小时连续制冷能力kW57,420六、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m250,000设计供电指标W/m250-80供电总量kW/hrs1170标准单位建筑平米供电量23.40设计供热应用指标W/m234-50供暖总量kW/hrs2248标准单位建筑平米供热量W/m249.03kJ/m2177kCal/m242余热/直燃机COP值1.27设计应用制冷指标W/m244-60制冷总量kW/hrs2871标准单位建筑平米制冷量W/m257.42kJ/m2207kCal/m249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100807060504030电力输出kW1,17093681970258546835150000平米单位电量W/m240-8023.418.7216.3814.0411.79.367.02发电效率％24.122.6521.6320.3