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某文化体育中心热电冷联产系统案例分析论文上传：source00留言论文作者：李辉耿克诚付林您是本文第29位读者摘要：本文首先介绍了体育中心的概况，对其热电冷负荷进行了逐时的模拟；在分析负荷变化特点的基础上，提出了有蓄能的热泵型内燃机热电冷联产方案，并在分时电价的模式下，对其设备选型、运行策略及能耗等逐一进行了描述；在对方案进行技术经济评价时，采用了差额比较方法，分析比较该方案与传统分产方案、无蓄能联产方案及无冷凝热回收联产方案的技术经济性能；通过比较发现，由于采用了回收冷凝热技术，使得方案的年能源利用效率由83%增加到了88%；另外，在经济性方面，该方案较传统分产方案多投资4155万元，但年能耗费用可减少1469万元，增量投资回收期不到3年。方案的比较结果对类似的热电冷联产方案有一定参考意义。关键词：热电冷联产逐时负荷模拟冷凝热回收差额比较方法1.体育中心概况文化体育中心规划将建成第29届奥运会规划安排的一处主要比赛场地，同时也将规划成为北京市西部地区市民进行体育活动和文化休闲活动的重要场所。整个体育中心总用地约50.17公顷，其中用地南侧以篮球馆综合体为主体，配合各种文化景观及体育运动设施，为一个“文化体育”区；用地北侧将沿文化体育中心北路建设商业开发设施，包括四星级酒店、写字楼、商场等，为一个“商业开发”区。整个中心建筑面积约为35万平方米，其中商业建筑面积27.3万平米（包括篮球馆上部商建面积），篮球馆建筑面积约5.6万平米，游泳馆建筑面积约为2.0万平米。在用地周边，规划的市政条件有：DN500mm天然气中压管道，DN400mm热力管道，110千伏变电站，2000mm×2000mm的电力隧道。2.负荷分析热电冷负荷的预测是热电冷优化配置的基础，负荷预测的准确程度将直接影响到热电冷联产机组的选型和将来的经济运行，国内目前已经实施的楼宇式热电冷联产系统都不同程度地存在机组容量偏大的问题，导致机组运行经济性较差，其主要原因有两个：一是系统的设计主要是根据设计手册中规定的负荷指标进行的单点工况设计，这样无法对系统进行全年逐时的技术经济模拟分析，也无法对分时电价模式下的方案进行优化模拟；二是设计手册中规定的负荷指标数据都是比较保守的数据，特别是电负荷指标的大小，主要是用来变压器选型的，变压器的容量往往比实际最大负荷大一倍还要多，按照这些指标选择热电冷联产机组，必然导致机组的容量偏大。清华大学建筑技术科学系，在对不同类型建筑的负荷特征进行调研分析的基础上，开发出针对不同建筑类型热电冷负荷的逐时模拟软件，可以模拟计算建筑一年8760个小时的逐时热电冷负荷。经过对典型建筑负荷的抽样测试，预测结果可满足设计要求。利用逐时模拟软件对体育中心的负荷进行逐时模拟，计算结果见图1-图4，最大负荷及全年能耗汇总见表1图1体育中心逐时冷热负荷图2体育中心逐时电负荷图3体育中心冬季典型日热、电负荷图4体育中心夏季典型日冷、电负荷表1最大负荷及全年能耗最大电负荷(kW)11900全年总耗电量（万kW.h）4905最大制冷负荷(kW)25700全年总耗冷量（万GJ）6.55最大供热负荷(kW)16800全年供暖耗热量（万GJ）4.38最大生活热水负荷（kW）4,000全年生活热水耗热量4.16（万GJ）3.方案介绍3.1方案的总体思路根据规划，体育中心将是29届奥运会的一处比赛建筑，因而，其能源供应须满足奥运工程设计大纲要求，即要充分体现科技奥运、绿色奥运的理念，在经济、高效、可靠、环保的高标准要求下，实现文化体育中心的能源供应。而根据体育中心周边现有或规划的市政条件及建筑特点，其能源系统的规划主要有两种可能的方案。其一为传统的城市热网＋电制冷＋市电方案，该方案投资较省，技术很成熟，但其不能充分体现“科技奥运、绿色奥运”的理念，不能代表当今先进的能源供应方式。其二为先进的分布式能源方案，该方案投资较高，但运行费用很低，各方面技术也很成熟，在能源利用、经济性能、技术可靠性及环境的友好性方面，代表当前及将来先进的能源供应方式，能源供应可得到充分的保障，而这一点对于奥运场馆建筑来说，显得尤为重要。因而，项目方案采取了分布式能源系统，与此同时，也对传统方案也进行了模拟计算，并将两方案的技术经济指标进行了比较，以进一步切实说明分布式能源方案在经济性能、能源利用方面所具有的先进性与优越性。3.2方案简介项目方案的能源系统由燃气内燃机、余热补燃型吸收机、冷凝换热器、电压缩冷机及蓄水槽组成。方案在制冷工况和制热工况下的系统流程图见图5和图6。在制冷工况运行时，燃气进入燃气内燃机发电，排放的高温烟气通入直燃机的高温发生器，高温缸套水通入吸收机组的低温发生器，共同驱动吸收机组制冷。同时，进一步回收低温烟气排热及吸收机组冷凝器的部分排热，共同用于生活热水与游泳池水的加温，冷凝器其余排热用冷却塔冷却。压缩式机组的主要作用是利用低谷电蓄冷及平电期间制冷。在制热工况运行时，吸收机组作为热泵使用，高温烟气经过吸收机组及换热器后，再经过冷凝换热器，进一步回收烟气冷凝热，其作为吸收热泵的低温热源，使烟气温度降低到40℃排放，提高了能源的利用效率。图5夏季制冷系统示意图图6冬季供热系统示意图3.3设备选型根据体育中心负荷的特点，在保证机组一定运行小时数的前提下，由发电机组的余热及发电来提供整个中心热、电负荷的基荷，不足热、电负荷分别由直燃机、市电补充，不足冷负荷考虑压缩冷机及蓄能补充。在对不同系统方案进行全年逐时技术经济模拟分析的基础上，得出一个最优的系统配置及其运行方案。主要的机组设备参数如表2：表2机组设备容量机组设备分项容量燃气内燃机发电功率(kW)3x2188电压缩冷机制冷(kW)4401余热补燃型吸收式热泵制冷(kW)16902供热(kW)16245蓄水槽体积（m3）13003.4运行策略联产系统的优化配置是在一定的优化运行策略下进行的。在一年内不同时段，联产系统运行策略不一样。在初寒季节，白天由发电机组产热供热，多余废热蓄存在蓄能罐中，晚间释放热量。在寒季，白天由发电机组产热满足采暖负荷基荷，不足热量由补燃吸收机补充。进入严寒季节后，除了发电机组废热供热、补燃机产热供热外，蓄能罐也会在晚间适当蓄存部分热量，白天在高峰负荷时段释放。在初夏季节，由吸收制冷机制冷满足冷负荷基荷，再由蓄能罐调峰。随着空调负荷的增大，蓄能罐不能补足所需冷量，则由补燃制冷补足。进入炎夏季节后，补燃制冷也不能满足要求，因而，需要压缩冷机买市电制冷。过渡季节，采取以不浪费热量的以热定电原则，晚间买市电，白天根据利用的热量确定发电量，不足电量由市电补足。具体不同时段热电冷供应的运行策略见图7~图10图7严寒典型日供热曲线图8严寒典型日供电曲线图9炎夏典型日供冷曲线图10炎夏典型日供电曲线3.5主要能耗指标在上述机组配置及运行模式下，联产系统的主要能耗指标见表3：表3主要能耗指标主要能耗指标全年发电机总发电量(万kW.h)3050全年买高峰电（万kW.h）528节能率14%全年买平价电（万kW.h）846全年能源平均利用效率88%全年买低谷电（万kW.h）533折合发电机组满负荷运行小时数4646全年耗燃气量(万m3)8893.6技术经济评价现在热电冷联产系统的经济性评价方法中最常用的是投资回收年限法，在计算中规定供热和供冷的单位平米价格，而供热供冷价格的选取现在又非常的混乱，导致在热电冷联产系统的方案设计经济性分析中，评价的结果受主观因素的影响太大。因而本方案采用差额比较法对不同系统进行评价，即在满足同样的热电冷负荷的前提下，热电冷联产和常规分产相比，比较增加的初投资及减少的运行费。这种评价方法中只用到了电价、天然气价格和各种设备的投资，避免了热价冷价，因而评价体系更具有客观性。评价的基准如表4，本方案的经济评价如表5，另外，在方案的优化过程中，也对本方案与其它方案进行了比较，选择的比较对象主要是：常规方案，有无蓄能、有无废热回收的联产方案，限于篇幅，在此仅列出各方案的差额比较（见表6）表4部分基准系数天然气低位发热量35200kJ/m3天然气价格1.8元/m3电压缩冷机COP5峰电价格0.9833元/kW.h双效吸收式冷机COP1.2平电价格0.6243元/kW.h燃气电厂的发电效率50%谷电价格0.2863元/kW.h表5本方案的经济性主要设备投资及相关建设费用（万元）全年主要能耗及维护费用（万元）发电机组及其建设费用3938发电机组维护管理费用305余热补燃吸收机组及其建设费用2704买高峰电520蓄水槽及其建设费用156买平价电528电压缩冷机及其建设费用660买低谷电152外管网及其建设费用580耗燃气费用1600总计8038总计3105表6本方案与其它方案的比较方案投资差额（万元）年能耗费用差额(万元)常规方案（城市热网＋电制冷＋蓄能）-41551469内燃机热电冷联产（无蓄能，有冷凝热回收）56322内燃机热电冷联产（有蓄能，无冷凝热回收）-9036内燃机热电冷联产（蓄能＋冷凝热回收）00从表中可以看出：内燃机热泵型热电冷联产方案（有蓄能）相对常规的城市热网方案＋电制冷方案而言，有较大的经济优势。虽然联产方案相对投资增加4155万元，但每年可节省运行费1469万元，增量投资的回收年限不到3年。蓄能装置对于联产方案的意义较大，由于其可减少冷机设备容量，因而可较大的减少系统投资；回收冷凝废热虽然增加部分投资，但其有助于提高联产方案的能源利用效率，并进一步提高方案的经济性。4.结论本方案根据建筑负荷特点，采用了内燃机热电冷联产技术、蓄能技术及回收冷凝废热技术，在对负荷进行逐时分析的基础上，对系统机组配置进行优化设计，使得系统方案不仅经济可行，而且在能源利用及环境友好性等各方面，可充分体现“科技奥运”，“绿色奥运”的精神，使其成为奥运建设的一个亮点。在经济性能方面，项目方案主要设备总投资约8038万元，年能耗费用约3105万元，其相对传统方案而言，投资增加4155万元，年能耗费用减少1469万元，增量投资回收期不到3年，因而，项目方案在经济上是合理的。在能源利用方面，由于项目方案采用了蓄能及回收冷凝热技术，使得能源利用效率较一般热电冷联产方案有进一步的提高，全年能源利用效率达到88％。在环境友好方面，由于燃料采用了天然气这一清洁能源，使得CO2及烟尘排放量较常规方案大为减少；另外，Nox排放及噪音问题，在采取适当的措施之后，均可得到圆满的解决。另外，根据项目方案的运行策略，在市电的低谷期间时，机组不发电而买市电，在峰平电期间，发电机组尽量多发电而少买市电，在一定程度上可缓解大电网及燃气的峰谷差。