引言燃气分布式能源技术是布置在用户端并高效满足用户多元用能需求的新型供能技术，被广泛应用至工业园区、商业中心和公共建筑等区域，满足冷、热和电等能源的负荷需求。燃气分布式能源技术具备能源利用效率高、能源保障效果好、清洁环保等优点[1-5]。2015年3月，我国颁布《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》，意见进一步推动天然气分布式能源冷热电（尤其电负荷）负荷就地消纳[6]。2022年6月，国家发改委、能源局颁布了《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》（发改能源〔2021〕280号），意见探索构建源网荷储高度融合的新型电力系统，同时推动了天然气分布式能源项目发展[7]。此外，上海市、青岛市和长沙市等地区也出台了燃气分布式能源产业配套鼓励措施，促进了地方燃气分布式能源项目发展[8-10]。目前，燃气分布式能源技术处于发展阶段，缺乏成熟的开发模式和技术体系。以国内某典型商业区燃气分布式项目开发为例，开展终端负荷分析、系统集成方案和技术指标等方面的研究，探究适合典型商业区的高效、经济供能方案。1项目概况商业区位于广东省广州市，总体规划的占地面积约73万m2，分为近期与远期两期规划建设，近期规划占地面积约28.6 万m2，本方案优先满足近期供能需求。供能方案用户类型包括商业、酒店和办公建筑，总建筑面积为152.32万m2。供能范围内不同用户建筑面积分布情况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T001表1供能范围内不同用户建筑面积分布情况项目商业面积酒店面积办公面积合计64.229.3778.74用户一6.78—8.98用户二9.28—26.43用户三17.51—12.09用户四8.03—7.30用户五7.463.589.44用户六—5.7914.50用户七15.16——万m22终端负荷分析商业区内的用户负荷类型主要包括空调冷负荷、空调热负荷、热水负荷和电力负荷等。其中，电力负荷由地方电网公司提供，其他负荷由分布式能源项目提供，且以冷负荷供应为主。2.1冷负荷商业区建筑总冷负荷为133.49 MW。终端用户的用冷面积和冷负荷情况如表2所示。用户冷负荷同时使用系数约0.8，燃气分布式能源站自用冷负荷为2 MW，预留供冷量7 MW，能源站设计冷负荷为116 MW。结合广州地区气候特点，全年主要冷负荷集中在4月至10月，冷负荷持续时间长；能源站用户以商业和办公建筑为主，冷负荷集中在每天7：00~20：00，其余时间段的冷负荷较低，负荷需求相对稳定。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T002表2终端用户的用冷面积和冷负荷情况项目用冷面积/m2冷负荷/MW商业建筑酒店建筑办公建筑合计41.122.5047.41133.49用户一4.25—5.4521.03用户二6.05—15.8330.00用户三11.09—7.38—用户四4.86—4.4018.12用户五4.602.165.6823.75用户六—0.348.6720.05用户七10.27——20.542.2热负荷结合用户实际情况，仅用户五需要能源站提供热负荷，用作酒店空调热水和生活热水，以酒店空调热水负荷为主，热负荷需求为2.43 MW，能源站自用热负荷为0.6 MW，各用户同时使用系数为0.7，能源站设计热负荷为2.1 MW。3系统集成方案燃气分布式能源系统主要分为原动机设备、余热利用设备和调峰设备。其中，原动机设备包括燃气轮机、燃气内燃机和微燃机等；余热利用设备包括余热锅炉、吸收式制冷设备（烟气热水型溴化锂机组、蒸汽型溴化锂机组等）、水源热泵等；调峰设备主要包括热负荷调峰设备和冷负荷调峰设备。冷负荷调峰设备主要包括电制冷机、冰蓄冷或水蓄冷设备；热负荷调峰设备主要包括燃气锅炉、电空调（双效)、储蓄罐等。3.1原动机类型比选方案选择内燃机和燃气轮机进行比选。技术可行性方面，两种类型的原动机均可以通过系统集成，实现能量的梯级利用，满足商业区供能需求。投资方面，燃气轮机供能系统比较复杂，初投资较高；内燃机系统简单，投资费用低。能源利用效率方面，大型燃气内燃发电机组的发电效率可以达到45%，高于燃气轮发电机组的发电效率。运行灵活性方面，燃气内燃机集成方案可以采用多台内燃机配置，可以灵活选择启停方案；燃气轮机单台机组容量大，集成系统运行灵活性小。本方案选择内燃机作为系统集成的原动机。3.2原动机容量比选依据设计冷负荷，测算内燃机装机规模为30 MW，方案采用3种方式对原动机容量等级进行比选，分别为3台10 MW级内燃机、4台7.5 MW级内燃机和8台4 MW级内燃机。原动机不同配置方式的技术指标如表3所示。方式一和方式三原动机供应商较多，方式一内燃机房占地面积小、工程造价低，灵活性一般，但可以满足本方案运行要求，综合比选后方案采用3台10 MW级原动机。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T003表3原动机不同配置方式的技术指标指标方式一（3×10 MW）方式二（4×7.5 MW）方式三（8×4 MW）供货商数量较多较少较多内燃机房占地面积相对较小一般相对较大工程造价相对较低一般相对较高运行灵活性一般一般相对较好3.3余热利用设备选型方案采用内燃发电机组，排气温度较低，排气量较小，主要满足终端用户冷、热和生活热水负荷，余热利用设备选用烟气热水型溴化锂机组，与内燃机发电机组一对一配置。根据内燃机的排烟温度和排烟量，选用制冷量为8.6 MW的溴化锂机组，排烟温度为120 ℃，冷冻水额定进出口温度分别为13 ℃、8 ℃；配套设置3台8.6 MW离心式冷水机组，与溴化锂机组一对一串联，冷冻水额定进出口温度分别为8 ℃、3 ℃。此外，在溴化锂机组烟气出口一对一串联500 kW烟气热水换热器，烟气侧进出口温度分别为120 ℃、90 ℃，热水侧进出口温度分别为60 ℃、90 ℃。3.4调峰设备选项为了满足终端用户峰值负荷需求，冷负荷调峰采用9台制冷量为7.4 MW的大温差离心式冷水机组以及3台制冷量为2.8 MW的大温差离心冷水机组，冷冻水额定进出口温度分别为13 ℃、3 ℃。热负荷调峰设备由蓄热板式换热机组、放热板式换热机组和自然分层水箱组成。其中，蓄热水箱容积为800 m3，蓄热水温度分别为93 ℃、63 ℃。4系统关键指标4.1运行指标方案装机容量为3×9.78 MW，对应的余热设备为3台单机制冷量为8.6 MW的烟气热水型溴化锂机组、3台8.6 MW串联式离心式冷水机组、3台500 kW烟气热水换热器，对应的调峰设备为9台7.4 MW、3台2.8 MW的大温差离心式冷水机组和800 m3蓄热水系统。方案集成系统运行关键技术指标如表4所示。年发电小时数为3 504 h，年发电量为1.028亿kWh，年总供冷量为93.1×104 GJ，年总供电量为0.533 7亿kWh，系统年平均热效率为81.20%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T004表4方案集成系统运行关键技术指标项目数据机组发电容量/MW29.34年发电小时数/h3 504年发电量/亿kWh1.028年平均热效率/%81.20年平均热电比/%100.48能源站年总供电量/亿kWh0.533 7能源站年总供冷量/GJ93.1×104内燃机余热年供热量/GJ1.446 3×104内燃机余热年供冷量/GJ32.54×1044.2经济指标本方案的工程静态投资为61 525万元，单位静态投资为20 969.67元/kW。财务评价关键指标如表5所示。财务评价过程中，资本金占工程静态总投资的比例为20%，贷款利率为4.9%；固定资产折旧年限为20年，固定资产残值比例为5%；材料费和其他费用为15元/MWh。项目定员15人，人均年工资为10万元；燃气价格为2.43元/m3，电价为715元/MWh，冷（热）价为140元/GJ。经分析计算，本方案自有资金内部收益率为11.15%，具有较好的盈利能力。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T005表5财务评价关键指标项目名称指标工程静态投资/万元61 525单位静态投资/(元/kW)20 969.67工程动态投资/万元65 246单位动态投资/(元/kW)22 237.94项目资本金财务内部收益率/%11.15项目资本金财务净现值/万元3 429.91项目资本金投资回收期/年13.79投资方财务内部收益率/%8.19投资方财务净现值/万元277.39投资方投资回收期/年16.7资本金净利润率/%10.96总投资收益率/%4.874.3节能环保指标方案实施后，采用分布式能源能量梯级利用技术，年对外供冷、供热量共9.46×105 GJ，年总供电量为0.533 7亿kWh。与传统供能方案（供热小锅炉效率90%、2021年火电厂平均供电标煤耗率0.302 kg/kWh)相比，本方案采用燃气分布式供能，全生命周期可以节约标准煤2.81万t，减排约7.01万t CO2、0.21万t SO2、0.11万t NOx和1.91万t粉尘。本方案的节能减排效果显著。不同功能方案的节能减排指标对比如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.014.T006表6不同功能方案的节能减排指标对比指标传统供能分布式供能减排量标准煤62.1159.302.81CO2154.84147.837.01SO24.664.450.21NOx2.332.220.11粉尘42.2340.321.91万t5结语以国内某典型商业区燃气分布式项目开发为例，研究了商业区终端用户负荷需求和供能系统集成方案。结果表明，燃气分布式能源分布方案可以满足商业区的多元用能需求，经济效益和环保效益较好。研究燃气分布式供能方案有助于形成燃气分布式能源与城市商业区相结合的开发模式，助力我国燃气分布式能源产业发展，实现我国城市化进程中商业区的高效、安全、清洁供能。