某酒店天然氣分布式能源系統設計特點及運行情況評價

徐 明 吳偉炯 周琪凱

上海齊耀動力技術有限公司

0 概述

天然氣分布式能源是指以清潔的天然氣為燃料，通過冷熱電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心附近實現能源供應的現代能源供應方式，是天然氣高效利用的重要方式。與傳統集中式供能方式相比，天然氣分布式能源具有能效高、經濟效益好，清潔環保，保障能源供應安全性和可靠性等優點，此外還具有城市電網和燃氣管網雙重調峰的社會效益。

根據中國城市燃氣協會分布式能源委員會的統計，自1998年國內第一個項目建成開始，天然氣分布式能源在我國經歷了二十多年的探索和發展。截至2015年底，我國建成127個天然氣分布式能源項目，總裝機達到1 405.5 MW。其中上海市建成了46個項目，總裝機容量395.5 MW。上海市政府先后出臺了多項政策鼓勵天然氣分布式能源的發展，天然氣分布式能源逐漸成為大型樓宇、工業用戶、區域綜合能源供應系統的重要形式，具備了規?；焖侔l展的條件。

隨著國內對天然氣分布式能源認識的深入和實踐，能源用戶對分布式能源系統的要求也不斷提高，某酒店根據當地的能源供應條件不但提出了綜合能源利用率高的節能要求，同時也提出互補供能、應急供電和供熱等提高酒店能源供應安全性、系統無人值守、易于維護等目標。為了滿足用戶需求，本項目從燃氣發電機組的參數設置到天然氣分布式能源系統的設計進行了多方面的創新，達到了綜合能效高、應急供能可靠、系統友好易用的建設目標。

1 項目背景

成都某度假酒店位于某風景區內，緊靠正在建設的度假小鎮。酒店內擁有四百余間客房，2 000平方米的宴會設施；逾1萬平方米的水上樂園。酒店建有獨立能源站房，建筑面積約1 000多平方米，內有洗衣房、冷凍機房、開關站、水泵房、鍋爐房等設施。站內安裝四臺2 200 kW燃氣熱水鍋爐，四臺制冷量450冷噸的離心式制冷機和配套輔機系統。能源站通過埋地管道將熱水和冷凍水輸送至酒店主樓供酒店使用。

酒店電力來自能源站的開關站，開關站的電力接入為農網單回路10 kV專線進線，供電可靠性較差。每年會有多次的電網檢修或臨時線路故障，導致酒店停電。停電時間從幾小時到一天。雖然遠期規劃兩路進線，但為解決目前臨時停電問題保障酒店運行，能源站配置一臺500 kW的應急柴油機組，供電網停電時使用。站內設兩臺10/0.4的降壓變，通過埋地電纜，將電能輸送至酒店主樓。

能源站采用合同能源管理模式，由當地的能源公司投資建設并負責運營。能源公司向酒店售電和售熱，滿足酒店生活熱水、供冷供熱和用電需要。酒店冬季用熱較多，夏季用電較多，總體用能負荷熱電比接近1?？紤]當地較低的氣價和年可運行小時數較多，采用分布式供能項目能源站可獲得較好的經濟和社會收益。

2 項目工藝路線

依據酒店的用熱和用電的實際情況，能源站一期安裝一臺裝機容量為1 165 kW的中壓燃氣發電機組。額定工況下可回收熱負荷為1 226 kW，可產95℃熱水約35 t/h。項目利用原有的洗衣房改建為發電機房，同時房內預留一臺機位，作為未來度假小鎮的供能備用。發電機組所發電力直接接入能源站開關站內10 kV母線，經降壓變降壓后供酒店使用。發電機組的輔機用電來自開關站內低壓開關柜。發電機組的余熱回收采用板式換熱器和煙氣換熱器串聯形式，回收發電機組缸套水和煙氣余熱，實現總能源利用率大于80%。

由于該酒店的供電可靠性較差，客戶要求機組具備黑啟動功能。在項目設計中對啟動關鍵設備預潤滑油泵采用EPS供電，確保機組黑啟動時機組預潤滑的需要。

分布式系統建設獨立的監控系統，實現對發電機組和輔助系統的遠程監控?，F場安裝數據轉發設備，將監控系統的數據通過因特網轉發至數據中心服務平臺?，F場數據轉發設備預留通信接口，方便后期擴展。酒店天然氣分布式能源系統流程見圖1。

圖1 酒店天然氣分布式能源系統流程圖

3 項目設計特點

本項目的余熱回收裝置采用模塊化、標準化設計的理念，將水泵、板換、調節閥、儀表等余熱回收裝置集成在公共底座上，形成圖2所示的撬裝模塊。采用標準化的元器件，降低采購成本和維護成本，縮短加工周期。模塊在工廠中完成組裝和部分的調試工作，整體運輸至項目現場，大幅降低了現場安裝調試工作量，縮短了現場施工周期，降低了建設成本，同時提高了模塊的質量和易維護性。

圖2 余熱回收利用模塊

該項目在運行模式上，除了實現分布式機組通常要求的并網不上網功能的同時，還滿足酒店孤島運行的要求，具備實現孤島和并網的無擾切換功能，即確保孤島和并網模式轉換之間保證酒店的連續供電。如圖3所示，機組通過對GCB和MCB的控制，配合自動甩負荷裝置，實現機組在并網和孤島模式之間的無擾切換。為實現此功能，在電網側加裝了電壓互感器，以便機組對MCB進行同期控制。當電網斷電時，機組通過繼保設備檢測到電網側電壓、頻率和相位的波動，當達到整定保護值時，斷開MCB開關，機組自動轉入孤島模式，實現酒店的孤島運行。當電網側的PT檢測到市電的電壓恢復時，機組延時2分鐘后開始同期合MCB，自動轉入并網運行，在此期間GCB保持合閘狀態，保證了機組不間斷供電。在并網轉孤島過程中，為避免機組所帶負載波動過大或超載導致跳機，開關站配備了自動甩負荷裝置。裝置實時檢測MCB狀態和電網側電壓，確保機組轉入孤島運行模式時及時將部分三級負荷自動卸載，使機組負荷波動滿足負荷特性曲線要求，實現孤島和并網模式的無擾切換。

圖3 分布式能源系統并網原理圖

在模式切換的測試過程中發現機組自帶的PLC繼電保護設備并不能及時反映電網失電的故障情況，往往需要延遲7-8秒才能分離MCB。對于上級開關存在重合閘的情況下容易對發電機組產生沖擊。為確保及時反映市電故障情況，加裝了woodward的發電機保護繼電器MRG3。通過該裝置vector shift這一保護功能，實現電網失電后2秒內的MCB分閘，確保機組運行安全，滿足分布式電源并網技術要求。

該分布式能源系統除了采用集中監控系統，實現機組的就地和遠程啟停外，現場還設計安裝了數據轉發模塊。通過模塊將集中監控系統中的數據通過因特網實時發送至城市天然氣分布式能源智能監測及綜合服務平臺，如圖4所示。該平臺將現場數據與監測中心有機聯系起來，實現現場實時數據的采集及監測。同時該平臺對系統的運行狀況進行評價，通過負荷預測、能效分析、財務分析、節能與減排計算、故障診斷等功能來對比項目運行情況，給出項目最佳運行模式的功能，得到最佳的運行方案。在已有數據的基礎上，服務平臺還可建立優化模型，及時預測與發現系統的異常狀態，為現場系統的可靠運行提供保障，這一裝置方便了用戶和維護人員對現場情況的掌握。

優化后的項目運行方案植入項目現場集控模塊，實現了項目現場無人值守和遠程巡檢，降低系統的維護管理成本。

圖4 城市天然氣分布式能源智能監測及綜合服務平臺

本項目機組還需具備常規燃氣機組所不具備的孤島運行能力。機組孤島運行時其電壓波動和頻率波動滿足《ISO 8528-5-2018往復式內燃機驅動交流發電機組》G3的運行限值要求。根據該標準機組運行期間在帶不同荷載情況下允許6%～15%到的負荷波動。機組低負荷情況下能滿足最大170 kW左右的波動。能源站最大荷載為316 kW制冷機，制冷機單個電機158kW且變頻啟動。因此，能滿足燃氣機帶荷載要求。區別于應急柴油機，分布式燃氣機組應急散熱輔機通常為電力驅動，且在機組啟動前啟動。此啟動方式導致對應急散熱輔機供電的不間斷電源容量要求較高，項目整體一次投資較大。為解決此問題本項目機組的應急散熱輔機電源由發電機組直接供應。由于機組為高壓機組，輔機電源還需經過變壓器，為確保機組所發電力能及時供應，其輔機電源開關采用送電后自動投切。為避免變壓器空載合閘時勵磁涌流導致跳閘，對變壓器保護開關過流保護整定值進行了調整。將發電機組的啟動保護判斷延時時間調整至10 s。為保證機組啟動前預潤滑油泵的及時啟動，預潤滑油泵的電源采用EPS電源供應。在一系列的調整參數和供電調整后，經實地調試，燃氣機組實現了黑啟動功能。

4 運行情況評價

本天然氣分布式能源系統于2017年末正式投運，目前穩定運行時間大于兩年，現場設備系統見圖5。

圖5 某酒店天然氣分布式能源系統設備現場圖

截至2019年12月該項目年利用小時數2 857.72 h，年均能源綜合利用率達到87%，發電機組黑啟動、孤島和并網的無擾切換成功率100%，年節能量達到618.16 tce標煤，年二氧化碳減排量達到1 607.22 t，圓滿達到各項系統設計指標。運行數據見表1。

表1 某酒店天然氣分布式能源系統運行數據

5 結論

本分布式能源系統通過技術設計創新和設備的控制參數優化，充分挖掘了天然氣發電機組的黑啟動和孤島運行性能，滿足了用戶能源供應高效節能和可靠安全的需求。模塊化的設計和標準化的生產也提高了天然氣分布式能源系統的建設質量和易維護性，大幅度縮短了項目建設安裝工期。雖然在孤島運行方面燃氣發電機的帶荷載性能還不如應急柴油機，但此次機組的成功調試和投運是一次很好的嘗試，為以后燃氣分布式系統拓展應用范圍和提高用戶能源供應系統安全性進行了有益的探索。