北京楼宇化分布式热电冷联产设计技术方案.docx
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北京楼宇化分布式热电冷联产设计技术方案
北京楼宇化分布式热电冷联产设计方案
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《关于发展热电联产地规定》，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地重要行政规章.
《规定》再次明确了国家鼓励发展热电联产地政策，支持发展以天然气为燃料地燃气轮机热电冷联产工程，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"工程实施后地天然气市场，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地机遇.世界各国实践表明，发展能源梯级利用地小型热电冷联产是合理、高效地利用天然气资源地最佳手段，对于改善环境、降低因燃料调整带来地成本增加，也是最好地解决方案之一.
为适应国家关于环境保护地要求，改善首都及周边地区地大气质量，开拓天然气合理、高效地用途，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地燃气热电冷系统，以替代和优化整合目前由常规地燃煤、燃油、燃气锅炉采暖；燃气、电力空调制冷和备用柴油机组成地能源系统，提高北京电力供应地安全可靠性，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M左右地公用性和商用性建筑，研究制定这一规模地热电冷一体化综合技术解决方案，对于北京地环境保护、提高电力供应安全和减缓电空调调峰压力，以及北京地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地综合技术解决方案，是发展这一容量及楼宇化热电冷联产地关键.
根据世界地发展趋势和国际上地最新设计理念，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地燃烧腔内，或烟气出口处再设置热交换器生产蒸汽.
华盛顿水门饭店安装了土星热电冷系统
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工程在北京地实施，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"地目标，依据中国电机工程协会热电专业委员会王振铭秘书长地建议，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"地设计观念，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地北京地区实际测量得出地"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地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.
美国圣地亚哥海军医院安装了3台土星机组
四、设备介绍：
1、索拉透平公司是世界上最大地小型工业型燃气轮机制造厂家，产品行销全球，至今生产地燃气轮机已超过11,500台，其中引进中国地机组近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工程中广泛应用地动力设备.为更好地配合在中国市场地售后服务，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地服务支持. 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
kW
1177
燃气轮机长度
mm
5,980
燃气轮机宽度
mm
2,200
燃气轮机高度
mm
2,180
燃气轮机重量
kg
9980
燃气轮机重量
kg
9980
燃气轮机烟气流量
t/hrs
23.172
燃气轮机烟气温度
℃
504.8
燃气轮机烟气热量
GJ/hrs
12.431
2、普拉特•惠特尼公司是世界上最大地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地地面发电机设备多达数几千台，其设备技术先进，轻巧可靠地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
kW
395
457
效率
%
32.7
23.5
排烟温度
℃
365
587
烟气流量
kg/s
2.22
2.3
转速
Rpm
30,000
30,000
长
mm
1,359
1,099
重量
kg
1,800
800
3、余热锅炉，可以采用杭州锅炉厂或哈尔滨锅炉厂与703研究所地产品，也可以采用国外厂家或其在国内合资企业地产品.小型余热锅炉是一种技术非常成熟地产品，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
MJ
17,454.42
kWh
4,848.45
燃气轮机出力
kW
1,177
发电效率
%
24.28
余热锅炉排烟温度
℃
512.70
余热锅炉蒸汽量
kg/h
3,400
蒸汽压力
Bar
8
蒸汽温度
℃
170.42
蒸汽焓值
kJ/kg
2,768.4
余热回收量
MJ/h
9,412.6
kWh
2,614.60
热电联产效率
%
78.20
补燃820℃
余热锅炉蒸汽量
kg/h
6,520
余热回收量
MJ/h
18,050.0
kWh
5013.88
补燃燃料量
MJ
7,804.00
kWh
2,167.78
热电联产效率
%
88.24
补燃927℃
余热锅炉蒸汽量
kg/h
7,556
余热回收量
MJ/h
20,918.0
kWh
5,810.56
补燃燃料量
MJ
10,546.00
kWh
2,929.44
热电联产效率
%
89.84
4、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地产品，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
GJ
17.45
燃气轮机出力
kW
1,177
余热锅炉进口温度
℃
512.70
烟气量
kg/h
22,917.86
余热锅炉蒸汽发生量
kg/h
3,856.18
除氧蒸汽消耗量
kg/h
456.50
有效蒸汽供应量
kg/h
3,399.68
蒸汽压力
Bar
8
蒸汽温度
℃
170.42
蒸汽焓值
kJ/kg
2,768.40
余热回收量
MJ/h
9,411.67
大卡
2,247.94
kWk
2,614.35
制冷机长度
mm
5,690
制冷机宽度
mm
2,500
制冷机高度
mm
3,330
制冷机运转重量
kg/h
26,600
制冷COP
1.0465
制冷量
大卡
2,352.47
kWh
2,735.92
冷吨
USRT
777.25
5、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地远大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地调节手段，保证满足需求地供应平衡.
远大产品在国内外拥有很高地声望，余热溴化锂空调机已经销往美国，该公司与Salor机组地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工程中使用.
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
mm
6,600
远大直燃机宽度
mm
2,600
远大直燃机高度
mm
2,850
远大直燃机重量
kg
25,000
COP
1.27
余热回收能力
kW
2261（制冷）—2430（供热）
制冷量
kW
2,871
供热量
kW
2,248
冷水进出口温度
℃
12-7
冷水流量
M3/h
500
温水进出口温度
℃
57-65
温水流量
M3/h
241
冷却水进出口温度
℃
32-37.3
温水流量
M3/h
805
五、需求分析：
工程对于能源地需求主要在电力、采暖、制冷和生活热水，以及部分蒸汽用于消毒等需求.用户地需求往往是不恒定地，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地运行，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.
需求与保证能力地比较
工程
单位
指标
保证面积
m2
50,000
采暖设计指标
W/m2
56.3
设计指标容量需求
kW
2815
制冷设计指标
W/m2
69.3
设计指标容量需求
kW
3465
采暖应用指标
W/m2
33.9
应用指标容量需求
kW
1695
24小时连续供暖需求
kW
40,680
制冷设计指标
W/m2
44
设计指标容量需求
kW
2,200
24小时连续制冷需求
kW
52,800
方案供暖指标
W/m2
45
方案供暖能力
kW
2,248
20小时连续供暖能力
kW
44,960
方案制冷指标
W/m2
57
方案制冷能力
kW
2871
20小时连续制冷能力
kW
57,420
六、容量选择：
根据已经确定地原则，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%地负荷需求，保证关键部位地电力供应安全.
因目前建筑部门适用地建筑暖通空调设计标准是上世纪80年地标准，大大落后于目前建筑地实际建设应用水平，如果按上述标准配置系统，必然造成设备投资地巨大浪费.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地重要方法之一.
因此燃气发电装置地功率选择，主要要依照"以热（冷）定电"地原则，因为热力和制冷一般是无法得到外部支持地，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地电力需求，并具有较大地调节灵活性.可供选择地最佳燃气发电装置是1,000kW级小型燃气轮机，索拉土星20机组是一个适用地机组选择.
索拉-远大系统热电冷匹配容量指标
保障供热/制冷面积
m2
50,000
设计供电指标
W/m2
50-80
供电总量
kW/hrs
1170
标准单位建筑平M供电量
23.40
设计供热应用指标
W/m2
34-50
供暖总量
kW/hrs
2248
标准单位建筑平M供热量
W/m2
49.03
kJ/m2
177
kCal/m2
42
余热/直燃机COP值
1.27
设计应用制冷指标
W/m2
44-60
制冷总量
kW/hrs
2871
标准单位建筑平M制冷量
W/m2
57.42
kJ/m2
207
kCal/m2
49
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
100
80
70
60
50
40
30
电力输出
kW
1,170
936
819
702
585
468
351
50000平M单位电量
W/m2
40-80
23.4
18.72
16.38
14.04
11.7
9.36
7.02
发电效率
％
24.1
22.65
21.63
20.33
18.7
16.62
14.12
尾气流量
kg/h
23,367
23,335
23,315
23,294
23,270
23,243
23,216
尾气温度
℃
503.4
444.6
416.8
390.1
364.5
340
317.7
余热利用量
kW
2,261
1,852
1,659
1,475
1,298
1,130
977
COP
1.27
1.35
1.39
1.44
1.49
1.5
1.52
制冷负荷
％
100
87
80
74
67
59
52
制冷量
kW
2,871
2,500
2,306
2,124
1,934
1,695
1,486
50000平M单位冷量
W/m2
44-60
57.42
50
46.12
42.48
38.68
33.9
29.72
排气温度
℃
145
145
145
145
145
145
145
回收余热
kW
2,430
2,135
1,995
1,861
1,732
1,609
1,497
供热效率
％
92.5
92.5
92.5
92.5
92.5
92.5
92.5
供热负荷
％
100
97
91
85
79
73
68
余热供热量
kW
2,248
1,975
1,846
1,722
1,602
1,488
1,385
50000平M单位热量
W/m2
34-37
44.96
39.5
36.92
34.44
32.04
29.76
27.7
七、运行时间：
每一个工程都有不同地内部需求和需求规律，设备利用时间也有所不同，我们在次主要研究最适合采用本技术地医院、宾馆等工程地规律.
预计设备利用时间
季节
单位
周期
天数
日利用小时
比例
实际利用时间
冬季采暖期
hrs
10.20--4.10
172
20
39.27%
3440
夏季制冷期
hrs
5.16-9.20
128
20
29.22%
2560
春秋非采暖制冷期
hrs
4.1-5.14/9.16-10.31
65
16
11.87%
1040
全年
hrs
365
24
100.00%
8760
实际利用时间
hrs
365
19.29
80.37%
7040
安装在建筑物一侧地Solar燃机
八、电价与发电节约支出：
北京商业和非普通工业用电地价格构成比较复杂，一般采用非普通工业平均电价0.58kWh，高峰0.92kWh，平峰0.56kWh，低谷0.26kWh.
电价与发电节支
时段
季节
出力
运行时间
利用时间
小时发电量
发电量
电价
电费节支
单位
%
hrs
hrs
kWh
kWh
元/kWh
元
高
冬季采暖期
100%
8
1,376
1,170
1,609,920
0.92
1,481,126
夏季制冷期
100%
8
1,024
1,170
1,198,080
0.92
1,102,234
峰
春秋非采暖制冷期
100%
8
520
1,170
608,400
0.92
559,728
平
冬季采暖期
100%
8
1,376
1,170
1,609,920
0.56
901,555
夏季制冷期
100%
8
1,024
1,170
1,198,080
0.56
670,925
峰
春秋非采暖制冷期
50%
8
260
585
152,100
0.56
85,176
低
冬季采暖期
50%
8
688
585
402,480
0.26
104,645
夏季制冷期
50%
8
512
585
299,520
0.26
77,875
谷
春秋非采暖制冷期
0%
8
0
0
0
0.26
0
合计
6,780
7,078,500
4,983,264
九、热价、冷价与供热制冷节约支出：
热价应按照北京天然气集中供热费用进行核定，目前北京市执行地天然气集中供热价格为30元/m2/a.
热价
工程
单位
数值
标准热价
元/m2/a
30
采暖周期
days
121
hrs
2,904
供暖标准
W/m2
40
kCal/m2
34
热价
元/MW
258.3
元/kW
0.258
冷价可以按照电制冷成本价和天然气制冷成本价格进行平衡，天然气制冷还需要电力和水冷等成本，所以以电力平均价格作为制冷成本价格是接近天然气制冷地实际成本，是比较合理地指标.
各种电价气价下地制冷成本
工程
单位
数值
制冷成本
高峰电价
元/kWh
0.92
0.3067
平峰电价
元/kWh
0.56
0.1867
低谷电价
元/kWh
0.26
0.0867
平均值
元/kWh
0.58
0.1933
高峰天然气气价
元/Nm3
1.80
0.1689
低谷天然气气价
元/Nm3
1.40
0.1314
供热制冷地节支情况分析：
供热制冷地节约支出
时段
季节
出力
运行时间
利用时间
小时冷热量
冷热量
冷热价
冷热节支
单位
%
hrs
hrs
kWh
kWh
元/kWh
元
高
冬季采暖期
100%
8
1,376
2,248
3,093,248
0.258
798,876
夏季制冷期
100%
8
1,024
2,871
2,939,904
0.307
901,571
峰
春秋非采暖制冷期
100%
8
520
957
497,640
0.307
152,610
平
冬季采暖期
100%
8
1,376
2,248
3,093,248
0.258
798,876
夏季制冷期
100%
8
1,024
2,871
2,939,904
0.187
548,782
峰
春秋非采暖制冷期
8
0
0
0
0.187
0
低
冬季采暖期
79%
8
1,087.04
1,776
1,930,496
0.258
498,579
夏季制冷期
67%
8
686.08
1,924
1,319,723
0.087
114376
谷
春秋非采暖制冷期
0%
8
0
0
0
0
合计
7,093.12
15,814,163
3,813,669
十,燃料：
在城市中使用小型燃气轮机主要使用清洁、安全地天然气燃料，在北京使用陕甘宁气田天然气，西气东输工程第一阶段也将采用陕甘宁气.
天然气热值：
不小于34888.6kJ/Nm3（8333kCal/Nm3）.陕甘宁天然气成分及特性具体成分如下：
燃气储份分析表
工程
单位
组成
数值
甲烷
%
CH4
95.9494
乙烷
%
C2H6
0.9075
丙烷
%
C3H8
0.1367
硫化氢
%
H2S
0.0002
二氧化碳
%
CO2
3.000
水
%
H2O
0.0062
高位热值
MJ/Nm3
39.0051
低位热值
MJ/Nm3
35.1597
密度
Kg/Nm3
0.7616
比重
0.589
动力粘度
U×10-4
0.1056
运动粘度
V×10-4
0.1385
爆炸上限
%
5.10
爆炸下限
%
15.36
天然气单价：
非采暖季节1.4元/Nm3采暖季节1.8元/Nm3
应用气价
冬季天然气气价
元/Nm3
1.8
执行周期
月
5
夏季天然气气价
元/Nm3
1.4
执行周期
月
7
平均气价
元/Nm3
1.57
此外，小型燃气轮机有一突出优势，就是在天然气供应出现问题时，可以自动切换其他液体燃料，如：
柴油、液化石油气.
十一、装机方案：
索拉燃气轮机方案：
工程根据"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"并网不上网"原则，建议选用一台1,000kW级发电设备，由于国内使用最多地小型燃气轮机主要是索拉（Solar）透平公司地产品，资料充分，所以燃
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