基于微燃机的冷热电供能系统经济性分析

基于微燃机的冷热电供能系统经济性分析

李晓军

（天津华电北宸分布式能源有限公司天津市300400）

摘要：随着能源形势的日益严峻和国家对节能减排的重视，分布式能源技术由于其高效的能源利用率受到了广泛的关注并得到了快速的发展。分布式供能系统是以燃气及生物质能、太阳能、氢能、风能和其他可再生清洁能源为一次能源，在用户现场或靠近用户现场使用的小型或微型、能独立输出电、热（冷）能的系统。该系统主要通过燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机等主机利用燃料高品位的能量实现发电过程；通过吸收式溴化锂机组回收来自主机烟气的低品位热能实现制冷、制热过程。由于实现了能量的梯级利用，极大地提高了能源的一次利用率，节能效果明显。

关键词：微燃机；负荷分析；利用率；燃料价格；投资回收年限

1微燃机工作原理

微燃机主要由压缩机、透平、发电机、燃烧器和回热器组成，微燃机工作原理如图1所示。空气经过压缩机升压后进入回热器，微燃机出口的烟气流经回热器对空气进行预热，升温后的空气与燃料气混合后进入燃烧器燃烧，产生的高温、高压气体推动透平转子做功，带动发电机发电。从回热器出来的烟气可以进入换热器、余热锅炉生产热水、蒸汽，也可以进入吸收式制冷机制冷、制热。

本文研究中采用美国某公司生产的微燃机，该机组效率高，连续运行时间长，可以持续发电，污染物排放量低，噪声小，机组采用空气冷却，需要润滑油和冷却水系统，可以经济运行维护费用低。

2建筑模型及其负荷分析

2.1建筑模型

选取北京某酒店作为微燃机分布式供能系统的供能对象，该酒店总建筑面积约7994m2，全部为空调区域。1，2层为大厅、厨房、咖啡厅、宴会厅及设备间等，3～8层为四星级客房。模型主要参数如下：

1）气象参数采用北京市典型气象年气象参数，房间内部设置白布帘遮阳。

2）内、外围护结构参数为：外墙导热热阻1.485m2·K／W，传热系数0.609W／（m2·K）；屋顶导热热阻1.074m2·K／W，传热系数0.812W／（m2·K）；外窗传热系数2.2W／（m2·K），遮阳系数（SC）0.7，太阳能得热系数（SHGC）0.609，太阳能透过率58％，太阳能反射比26％，可见光透射比66％，可见光反射比23％；内墙导热热阻0.43m2·K／W，传热系数1.515W／（m2·K）；楼板导热热阻0.098m2·K／W，传热系数3.055W／（m2·K）；地面导热热阻0.026m2·K／W。

3）内部热扰：①人员热扰指标8m2／人，人员作息采用北京市DB11／687—2015《公共建筑节能设计标准》中的人员作息；②照明热扰指标18W／m2，照明作息采用北京市《公共建筑节能设计标准》中的照明作息。

2.2负荷分析

根据以上建筑模型，该建筑物全年冷、热负荷如图2所示。

宾馆的电负荷、热水热负荷全年较为平稳，其典型日的逐时负荷如图3，4所示。

提供。微燃机系统主要设备有微燃机、烟气溴化锂吸收式冷（热）水机组以及换热器。微燃机分布式能源系统工作流程如图5所示，天然气和压缩空气在微燃机中燃烧，产生的高温高压烟气做功发电，做功后的高温烟气进入烟气型溴化锂吸收式冷（热）水机组进行供冷或供暖，从溴化锂机组排出的中温烟气进入烟气－水换热器放热，产生生活热水后排入大气。该系统充分利用了烟气的余热，能源利用率较高。

微燃机全年每天发电运行16h；烟气－水换热器全年运行生产生活热水；溴化锂机组11月至次年5月供暖和供生产、生活热水，6—10月供冷。

2.3运行策略

表2给出了北京市一般工商业用电峰谷电价，由于低谷时段电价较低，可采用分时段联合供能模式，即在低谷时段采用原有供能系统供能，其他时段采用微燃机分布式能源系统供能。

2.3建筑物负荷汇总

根据以上负荷模拟结果得到各项负荷的单位面积平均值，如表1所示。

3方案配置和费用计算

3.1微燃机系统工作流程

酒店原有供能方案为市政供电、电制冷、燃气锅炉供暖并供应生活热水。现采用微燃机系统供应冷、热、电以及生活热水，供能不足部分由原系统在系统运行期间，当系统无法满足负荷需求时，电力不足部分从电网购电补充，供暖、供冷量不足部分由热水锅炉及电制冷机补充。

3.2微燃机系统设备配置

基于国内现有的电力并网政策，微燃机发电机组只能采用并网不上网的模式运行。根据酒店冷、热、电负荷预测结果可知，电负荷需求较小，在冬、夏两季，热、冷负荷较大，如果采用“以热定电”的方式配置系统，大量电力将富余。因此，在电力不能上网的情况下，对于该酒店项目，应采用“以电定热”的方式配置系统。酒店日间用电延时负荷曲线如图6所示。

由图6可知，酒店全年最小用电负荷为186KW，最大用电负荷为551KW。为了提高经济效益，应尽可能提高机组全年利用率n。机组的全年利用率计算式为

式中ηa为机组全年发电量；m为机组额定负荷。根据酒店用电延时负荷，考虑到运行、控制、维护的方便性，本文系统考虑采用2台微燃机，以最大限度地利用微燃机发电量，减少电网购电量，从而减少用户运行成本。机组每天16h满负荷运行利用率为0.667，配置2台微燃机时，机组全年利用率为0.600，约为满负荷运行利用率的90％。

微燃机的性能参数如表3所示。根据微燃机的排烟流量和温度，配置2台烟气型溴化锂吸收式冷（热）水机组，机组的性能参数如表4所示。

3.3系统运行模拟优化

3.3.1设备参数设置

为了简化研究，对微燃机及溴化锂机组的运行特性进行线性拟合。微燃机的运行特性拟合公式为

式（2）～（5）中Ｆｄ为微燃机燃料流量，m3／h；Ｐ为微燃机出力，KW；t为微燃机排烟温度，℃；G为烟气流量，KG／s；η为微燃机发电效率；ｑ为燃料的热值，KJ／m3。进入溴化锂机组的烟气热量计算式为

式中Ｑ为实际烟气热量，KW；C为烟气在t至t1温度范围内的平均比热容，KJ／（KG·℃）；t1为溴化锂机组出口烟气温度，℃。

由厂家样本拟合得到溴化锂吸收式冷（热）水机组制冷时部分负荷下的运行特性

式中CoＰm为溴化锂吸收式冷（热）水机组修正后的CoＰ值；Ｑ0为微燃机额定出力下的烟气热量，KW。

3.3.2运行策略设置

为了提高机组运行的安全性及经济性，对机组进行以下设置：

1）机组每天运行16h。

2）为了防止发电机组对电网送电，微燃机负荷按用电需求量的90％调整。

3）由式（2），（5）可得机组的发电效率随出力的变化曲线，如图7所示，从图中可以看出，机组出力越小，发电效率越低，且随着出力的降低，发电效率降低的速度迅速增大。因此可知，在电力负荷较低时段，利用微燃机发电并不经济，故限制机组最低出力为50％额定负荷，2台机组同时运行时，保证1台机组满负荷运行，另外1台机组部分负荷运行，共同的出力不低于50％额定负荷；当用电负荷低于微燃机额定出力的50％时，关闭机组，不足部分从电网购电补充，以保证机组安全、经济地运行。

4）由于过渡季节建筑冷、热需求较少，烟气余热无法完全利用，此时应限制微燃机发电量，按用电负荷50％调整，并尽可能在用电高峰时段发电。

3.4系统经济性分析

3.4.1投资估算

微燃机系统的初投资费用如表5所示，其中微燃机费用为主要部分。

3.4.2运行费用估算

联合运行模式与原有电制冷＋锅炉供暖、供热水的供能方案相比，微燃机系统运行时产生的冷、热、电量与采用原方案产生相同冷、热、电量的运行费用差即为节省的运行费用。

北京市能源价格为：天然气3.22元／m3，电价0.76元／（KW·h）。其中，天然气的低热值为36MJ／m3，电价根据表2计算平均值得到。微燃机系统全年可提供电量157.7万KW·h，承担热水负荷60.9万KW·h，冷负荷49.9万KW·h，供暖负荷33.0万KW·h。原供能系统电制冷夏季综合能效比取4，锅炉生产热水及供暖效率取0.9。微燃机系统运行费用与原供能系统承担相同冷、热、电负荷的运行费用对比如表6所示。微燃机系统的能源消耗主要为天然气，原供能系统主要消耗市政电力，由表6可知，微燃机系统可节约运行费用69.1万元／a，因而静态投资回收期约为5.5a。

4环保效益分析

根据微燃机系统所消耗的天然气量和节省的燃煤量，可以得到联合供能模式的年污染物减排量，如表7所示。从表7可以看出，各类污染物的排放量都有所减少，其中，二氧化碳的年减排量达535t，可见微燃机系统的节能环保效益十分明显。

5结论

本文以某酒店为供能对象，提出了微燃机分布式能源系统与酒店原有供能方式分时段联合供能的模式，当峰谷电价差较大时，此联供模式较为经济。根据酒店模拟预测负荷和微燃机最低负荷率，优化了微燃机系统的全年发电量、制冷量、制热量。分析了燃料价格和微燃机系统投资对回收年限的影响，验证了微燃机系统的经济性和节能环保性。

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