基于天然气分布式联供的多能互补综合能源系统在工业项目中的应用

王肖祎, 许 波, 潘 佳, 杨 爽

(1.东南大学建筑设计研究院有限公司,江苏 南京 210096; 2.东南大学 能源与环境学院,江苏 南京 210096;3.江苏大唐国际金坛热电有限责任公司,江苏 常州 213200)

0 引言

大型工业项目通常整体用能量较大,需求的能源形式多样(电、热、水、气等),大多为三班制全年生产,整体负荷较稳定。 为用能大户提供安全稳定的能源,加大清洁能源和可再生能源利用比例,是现代化供能系统需要解决的问题。

我国明确提出“3060”“双碳”目标,推进能源高效利用与清洁低碳转型是目前的主要方向。 《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》《关于促进智能电网发展的指导意见》等多个文件均指出要加强多能互补综合能源建设。

天然气热电冷三联供(Combined Cooling, Heating and Power,CCHP)[1]是指布置在用户附近,以天然气为一次能源为用户发电,并利用发电余热制冷、供热,同时向用户输出电能、热(冷)的分布式能源供能系统。 天然气分布式能源系统综合能源利用效率可达到70%～90%[2],具有清洁、低碳、可靠性高等优点。而太阳能、风能、地热能等可再生能源虽环境友好,但具有间歇性、能量密度低、不稳定等缺点。 本文以大型工业项目耗能为例,基于天然气分布式能源系统,因地制宜结合光伏、地热能等可再生能源,配置一套适用于典型工业项目的多能互补综合能源系统方案,既发挥了可再生能源“零碳”供能的优势,又向用户供应安全稳定的能源,形成一套可推广的清洁、高效、低碳、经济的多能互补综合能源系统。

1 工程主体概况

本文用能主体为江苏省常州市某工业项目,主要从事高性能锂电池正极材料的研发与生产,总规划用地1.07×106m2,总投资超过60 亿元。 项目一期为年产10 万t 的高镍锂电正极材料生产线,本文能源站以该项目一期能耗为基础进行系统配置。

2 冷、热、电、气负荷分析

该工业项目能源需求主要是电能、热能、冷能和压缩空气。 由于是工业项目,每天24 h 生产,因此每日负荷波动较小,负荷波动主要是季节性波动。

2.1 负荷曲线

项目生产厂房需保持恒温、恒湿(20 ℃,全年制冷),其空调、除湿机需冷冻水供应,部分生产工艺设备介质需冷却,夏季厂前区空调制冷,均需供应6 ℃冷冻水(回水12 ℃)以满足生产需求。 由于生产厂房有恒温、恒湿的要求,其除湿有蒸汽负荷需求,生产工艺流程中干燥环节有蒸汽负荷需求,厂前区冬季空调使用蒸汽采暖。 生产使用的原材料破碎机需用压缩空气作为动力,干燥设备有压缩空气需求。

每年1—3 月为生产淡季,预计产能降低至设计产能的60%～75%,厂前区空调使用有季节性,冬季使用蒸汽、夏季使用冷冻水。 根据同类项目用能情况分析,结合项目产能,绘制出该项目电、冷、热、气负荷曲线,如图1—4 所示。

图1 电负荷曲线

图2 冷冻水负荷曲线

图3 蒸汽负荷曲线

图4 压缩空气负荷曲线

2.2 设计负荷

根据如图1—4 负荷曲线和用能参数,统计得到项目的设计负荷,如表1 所示。 为满足用户的用能需求,系统设计需满足冷冻水、蒸汽、压缩空气等所有负荷,电负荷可采用市电进行补充供应。

表1 能源站设计负荷

3 多能互补综合能源系统设计

根据负荷需求,经过技术经济对比,确定本项目采用以天然气分布式能源站为基础,配套分布式屋顶光伏、土壤源热泵的多能互补综合能源系统。 配置方案为:4 台4.5 MW 级燃气内燃机、2 台4.5 t/h 余热锅炉、2 台4 092 kW 热水型溴化锂机组,配套1 台2 800 kW 土壤源热泵、1 台5 626 kW 离心式电制冷机组、2 台200 m3/h 离心式空压机和2 MW 光伏系统,多能互补分布式能源系统配置如图5 所示,具体参数配置如表2 所示。

表2 系统主要设备参数

图5 能源站配置系统

多能互补综合能源系统耦合了4 个子系统,分别是:天然气冷热电联供系统、土壤源热泵和电空调供冷系统、屋顶光伏发电系统、压缩空气系统,主要技术经济指标如表3 所示。

表3 综合能源系统主要技术经济指标

3.1 天然气冷热电三联供系统

本项目天然气冷热电三联供系统由燃气内燃发电机组、余热锅炉、热水型溴化锂机组等主要设备组成。 内燃机将天然气与空气混合后通过涡轮增压器增压后进入气缸燃烧做功,同时活塞推动连杆带动曲轴旋转,将化学能转化为了机械能,发动机通过连轴器带动发电机转子旋转并产生电能[3]。 天然气燃烧后产生高温烟气,利用余热锅炉进行热能回收,产生蒸汽供给用户。 内燃机在运行过程中需要缸套水、中冷水等进行降温,因此会产生高温热水,通过热水型溴化锂机组将高温热水能量回收,产生冷冻水供给用户使用。

3.2 土壤源热泵和电空调供冷系统

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性[4],通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。 冬季从土壤中取热,向建筑物供暖;夏季向土壤排热,为建筑物制冷[5]。 与传统的冷水机组加锅炉的配置相比,全年能耗可降低30%～60%[6]。 本项目占地约9 000 m2,可配置1 台2 800 kW 土壤源热泵机组[7]。 利用项目用地敷设土壤源热泵系统,为厂区生产和办公提供补充冷热源。为使系统灵活运行,配置辅助电空调系统,作为补充冷源保障供能。

3.3 分布式屋顶光伏发电系统

采用Meteonorm 软件计算并修正得到项目所在地全年太阳总辐射量为4 762 MJ/m2。 考虑屋顶荷载、女儿墙、通风窗等影响因素,可利用的屋顶面积约30 000 m2,可布置光伏2 MWp。 推荐选用容量为535 Wp、182 mm 的单面单晶硅电池组件。

屋顶光伏系统首年发电小时数1 124 h,年等效利用小时数为1 068 h,20 年总发电量为4 606 万kWh,20 年年平均发电量230 万kWh。 屋顶光伏系统主要参数见表4。

表4 屋顶光伏系统主要技术参数

3.4 压缩空气系统

根据负荷需求,系统需配置空气压缩机,根据驱动方式不同,空气压缩机可分为电动和汽动2 种。 对于本项目而言用电动机驱动空压机,技术成熟、系统简单、设备投资相对较低;汽动空压机方案系统较复杂,由背压式小汽轮机驱动空压机。 本项目CCHP 系统可提供成本相对较低的电能,产生的蒸汽需提供给用户使用,没有多余蒸汽供给空压机使用。 经过技术经济比选,采用2 台200 m3/h 电动空气压缩机。

4 运行方案

项目采用的一次能源为天然气、太阳能、地热能,产生二次能源为电力、蒸汽、冷冻水、压缩空气。 项目所在地110 kV 大工业优惠用电价格为峰段(08:00-12:00,17:00-21:00)0.964 7 元/kWh、平段(12:00-17:00,21:00-24:00)0.556 8 元/kWh、谷段(00:00-08:00)0.228 9 元/kWh,峰谷电价差较大,谷电电价远低于能源站供电成本。 因此,为充分利用谷电电价优势,谷电时段CCHP 系统停运,此时段用户用电均采用电网供电。

电负荷和冷冻水负荷在不同时段由不同能源提供,图6 和图7 为典型日不同时段各系统供能量。

图6 典型日供电量分配

图7 典型日供冷量分配

4.1 峰、平电价时段运行方案

峰、平电价时段(08:00-24:00),本项目CCHP 系统、屋顶光伏系统、土壤源热系统和压缩空气系统运行。 CCHP 系统利用天然气产生电力、蒸汽和冷冻水,光伏系统利用太阳能产生电力,土壤源热系统利用地热能和厂用电产生冷冻水,压缩空气系统利用厂用电产生压缩空气,各系统相互协同,满足用户用能需求。

4.2 低谷电价时段运行方案

谷电时段00:00-08:00,CCHP 系统、屋顶光伏系统停运,土壤源热泵系统、电空调系统和压缩空气系统运行。 用户及能源站所需电力均由电网提供,土壤源热泵系统、电空调系统和压缩空气系统均利用电网电产生冷冻水和压缩空气,谷电时段利用厂外蒸汽管网辅助供热满足用户热负荷需求。

5 经济效益分析

5.1 盈利能力分析

经过投资估算,本项目总投资17 194 万元,静态投资16 705 万元。 技术经济指标详见表3,年耗天然气量2 247 万m3,年供电量8 075 万kWh,年供冷冻水量661 万t,年供蒸汽量4.75 万t,年供压缩空气量17 024 万Nm3。 项目燃料成本和供能价格如表5 所示。

表5 财务评价价格边界条件

项目盈利能力指标如表6 所示,年均销售收入8 282 万元,年均总成本费用6 997 万元,所得税财务内部收益率10.22%,投资回收期9.27 年,项目投产后生产能力表示的盈亏平衡点53.18%。

表6 盈利能力指标

5.2 敏感性分析

为考察各因素对项目盈利能力的影响,在项目投资内部收益率为税后10.22%的情况下,对总投资、发电量、气价等作单因素敏感性分析。 从图8 中可以看出,收益率对燃料价格最敏感,其次是电价和总投资。为保证项目的可行性,控制合理的投资,确保稳定运行,确定合理的气电、气热(冷)联动机制,制定合理的价格尤为重要。

图8 单因素敏感性分析

6 节能及环境效益分析

6.1 节标煤量和节能率

CCHP 系统能源梯级利用[8],综合能源利用效率高,将天然气分布式联供系统与分布式光伏和土壤源热泵等可再生能源系统融合,进一步降低了化石能源的消耗。 与采用电网+电空调制冷+燃气锅炉供热的方式相比,本文设计的多能互补综合能源系统年节标煤量为11 990 tce。

根据《燃气冷热电联供工程技术规范》 (GB 51131—2016), 联供系统的节能率按下列公式计算[9]:

式中:r为节能率;W为联供系统年净输出电量,kWh;Q1为联供系统年余热供热总量,MJ;Q2为联供系统年余热供冷总量,MJ;B为联供系统年燃气总耗量,Nm3;QL为燃气低位发热量,按33.812 MJ/Nm3取值;ηeo为常规供电方式的平均供电效率,计算结果为38.57%;ηo为常规供热方式的燃气锅炉平均热效率,按90%取值;COPo为常规供冷方式的电制冷机平均性能系数,按4.5 取值。

经计算,CCHP 系统节能率为28.5%,满足《燃气冷热电联供工程技术规范》(GB 51131—2016)中节能率大于15%的要求。

6.2 环境效益

本文综合能源系统采用的太阳能和地热能为可再生能源,这两种能源系统运行时产生的污染物极少。 主要大气污染物来源为CCHP 系统中燃气内燃机产生的烟气,内燃机采用低氮燃烧技术,并在尾部烟道配置选择性催化还原法(SCR)脱硝装置,大气污染物排放可达到超低排放要求。

综合能源系统采用可再生能源和清洁能源,可有效降低污染物排放和碳排放。 表7 为本文多能互补综合能源系统大气污染物排放量与减排量,可以看出,与传统供能方式(市电+锅炉)相比,本系统年可减排颗粒物1.67 t、减排SO213.85 t、减排NOx6.53 t、减排CO238 371 t[10],具有良好的环境效益。

表7 大气污染物年排放量与减排单位:t

7 结语

太阳能、地热能等可再生能源具有清洁低碳等优势,但具有不稳定或能量密度低等缺点,天然气分布式能源站具有节能、稳定、高效等特点,将分布式光伏、土壤源热泵系统与天然气分布式能源站耦合,在保证安全稳定供能的前提下,可进一步提高可再生能源使用率,节能降碳。

本项目CCHP 系统利用电网峰谷电价差调节运行,提高整体经济效益,所得税财务内部收益率为10.22%,从项目敏感性分析和盈亏平衡分析来看,项目具有一定的抗风险能力。

天然气分布式能源是综合能源系统的基础,以此为基础可实现各种可再生能源耦合多能互补。 因地制宜开发以天然气分布式能源为基础,太阳能、风能、地热能等可再生能源相互融合技术,是未来能源稳定、低碳、高效、环保供给的发展方向。