燃氣冷熱電三聯(lián)供在北京醫(yī)院工程設(shè)計中的應(yīng)用探討

1引言燃氣冷熱電三聯(lián)供簡單地說即為：天然氣發(fā)電、余熱供熱、余熱制冷。相比于常規(guī)供能：燃煤發(fā)電、燃氣供熱、電制冷，具有能源梯級利用，綜合能源利用率高；清潔環(huán)保，減少排放CO2、SO2；與大型電網(wǎng)互相支撐，供能安全性高的優(yōu)勢及對燃氣和電力有雙重削峰填谷作用。2燃氣冷熱電三聯(lián)供在醫(yī)院中的應(yīng)用現(xiàn)狀2.1燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)在我國醫(yī)院中的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著我國節(jié)能減排政策力度的不斷加大，燃氣冷熱電三聯(lián)供項目在全國的各類功能建筑中得到廣泛使用，但在醫(yī)院建筑內(nèi)，目前僅在上海的幾家醫(yī)院使用，分別為黃浦區(qū)中心醫(yī)院、上海閔行中心醫(yī)院、同濟醫(yī)院、仁濟醫(yī)院，在北京還沒有醫(yī)院建筑投入使用的項目。由我院設(shè)計的清河醫(yī)院，采用了三聯(lián)供技術(shù)，在北京開創(chuàng)了北京地區(qū)的先例，目前三聯(lián)供設(shè)備已經(jīng)安裝完畢，馬上進入使用階段。2.2冷熱電三聯(lián)供技術(shù)在國際醫(yī)院中的應(yīng)用現(xiàn)狀雖然在國內(nèi)醫(yī)院建筑中算是起步階段，但在國外，美國、日本等發(fā)達國家，醫(yī)院建筑采用三聯(lián)供的技術(shù)已經(jīng)很普遍。對于分布式能源項目，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2005年為止，美國已經(jīng)有6000多座分布式能源站；英國只有5000多萬人口，但是分布式能源站就有1000多座；丹麥建成的火電廠均是既發(fā)電又供熱，供熱鍋爐房均是既供熱又發(fā)電；日本由于資源比較缺乏，對冷熱電三聯(lián)供研究十分重視。目前，日本三聯(lián)供系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于區(qū)域冷暖、醫(yī)院、商店、辦公樓、福利院等項目中。圖1和圖2是日本2000年民用燃氣冷熱電三聯(lián)供項目數(shù)量和裝機容量數(shù)。圖1

2000年日本民用燃氣冷熱電三聯(lián)供項目數(shù)量（件）圖2

2000年日本民用燃氣冷熱電三聯(lián)供項目裝機容量(MW)從圖1和圖2中可以看出，醫(yī)院建筑2000年在日本民用燃氣冷熱電三聯(lián)供項目數(shù)量（件）上是排列最高的，冷熱電三聯(lián)供項目裝機容量也排在僅次于區(qū)域冷暖的第二位。說明醫(yī)院建筑還是非常適合采用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)的。2.3醫(yī)院建筑是否適合采用三聯(lián)供技術(shù)采用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，需要滿足下列條件：（1）有較為穩(wěn)定的（冷）熱負荷；（2）較高的電價和較低的天然氣價格；（3）需要有備用電源；（4）天然氣供應(yīng)能力充足。對于醫(yī)院建筑，根據(jù)北京某醫(yī)院實測的數(shù)據(jù)可得年冷負荷變化曲線，最大冷負荷出現(xiàn)在第5000h左右（即7~8月），年供冷時間在3600h左右，其中1200h左右時間冷負荷在50%設(shè)計負荷以上，大部分時間處于30%~40%設(shè)計負荷，約有20%的時間在25%設(shè)計負荷之下，因此年冷負荷曲線處于平穩(wěn)的下降趨勢；最大熱負荷出現(xiàn)在第8000h左右（即12~1月），年供熱時間在3500h左右，其中有2000h左右的時間熱負荷在50%設(shè)計負荷以上，熱負荷相對比較平穩(wěn)，最大熱負荷和最小熱負荷出現(xiàn)的時間相對比較少；滿足條件（1）；采用三聯(lián)供系統(tǒng)后，作為一次清潔能源的燃氣，國家政策方面和燃氣集團都有相應(yīng)的政策支持，滿足條件（2）；對于醫(yī)院建筑，里面有相當(dāng)比例的一級負荷和一級負荷中的特別重要負荷，需要有備用電源，滿足條件（3）；根據(jù)北京的規(guī)劃，至2020年，北京市年用氣量將達到180億m3，至2025年，北京市年用氣量將達到200億m3，為發(fā)展三聯(lián)供系統(tǒng)提供了良好的氣源保障，滿足條件（4）。3最近幾年燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范和政策既然醫(yī)院建筑比較適合采用燃氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，為什么我國三聯(lián)供技術(shù)在醫(yī)院中的應(yīng)用情況很少，或是很多省份都沒有采用呢？主要還是因為國家相關(guān)政策的缺失和現(xiàn)有電力體制不允許并網(wǎng)和上網(wǎng)的制約，為此，最近幾年，國家層面和省市層面均制定了相應(yīng)的規(guī)范和政策。國家層面：（1）2007年，國家發(fā)改委出臺《天然氣利用政策》鼓勵燃氣冷熱電聯(lián)供應(yīng)用；（2）2009年，國家能源局《新能源規(guī)劃》鼓勵燃氣冷熱電聯(lián)供應(yīng)用；（3）2010年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范——CJJ145-2010，解決了在工程設(shè)計領(lǐng)域關(guān)于三聯(lián)供技術(shù)長期沒有國家規(guī)范的問題；（4）國家電網(wǎng)公司發(fā)布國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（Q／GDW_480-2010）及編制說明，對三聯(lián)供發(fā)電并網(wǎng)提出了具體的要求；（5）2011年，國家發(fā)改委、國家能源局、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，又提出了《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源【2011】2196號文），主要為發(fā)展建立1000個示范工程，2020年全國裝機容量達到5000萬kW，對試點項目將給與財政補貼。（6）2012年2月10日，國家能源局發(fā)布《新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢研究報告》，以冷熱電聯(lián)合供應(yīng)為主的天然氣分布式能源，將是我國當(dāng)前分布式能源發(fā)展的重點。（7）2012年，國務(wù)院辦公廳發(fā)文，《國務(wù)院關(guān)于落實政府工作報告重點工作部分分工的意見》（國發(fā)【2012】13號），內(nèi)容包含發(fā)展智能電網(wǎng)和分布式能源（燃氣冷熱電三聯(lián)供）等。結(jié)合國家層面出臺的各項政策法規(guī)指導(dǎo)意見等，部分經(jīng)濟發(fā)達省市也出臺了相應(yīng)的規(guī)定，比如上海市：（1）2008年鼓勵政策：分布式供能系統(tǒng)設(shè)備投資補貼1000元/kW；天然氣價格優(yōu)惠；支持項目發(fā)電并網(wǎng)等；（2）2008年上海市建設(shè)和交通委員會發(fā)布上海市工程建設(shè)規(guī)范——《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ08-115-2008），此規(guī)范的發(fā)布，為上海地區(qū)進行燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計提供了規(guī)范依據(jù)。北京等其他城市也積極響應(yīng)國家政策規(guī)范，出臺了相應(yīng)的政策和指導(dǎo)意見。4

北京地區(qū)燃氣冷熱電三聯(lián)供工程實例4.1清河醫(yī)院工程概況本工程位于北京市清河小營地區(qū)，為改造項目，改造前結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)封頂，改造后為三級甲等綜合醫(yī)院，總床位數(shù)500床，分為門診綜合樓與康復(fù)樓兩棟單體。門診樓地下3層，地上15層（含空調(diào)凈化機房層），康復(fù)樓地下3層，地上6層。兩棟單體通過地下3層與地下2層連為一體。本次工程設(shè)計為在原有的結(jié)構(gòu)框架中進行改造，醫(yī)療功能改為血液病診治專科醫(yī)院，將原北京市道培醫(yī)院整體搬遷至此。改造后，總建筑面積75969m2，其中地上46692m2，地下29295m2。4.2燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計原變電所設(shè)置在康復(fù)樓的地下2層，本工程維持原變電所的位置，本工程的能源中心（即三聯(lián)供系統(tǒng)）部分位于門診樓和康復(fù)樓之間地下2層及部分地下1層。本三聯(lián)供系統(tǒng)以天然氣為燃料,通過燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組（2臺，電量為836kW）發(fā)電滿足清河醫(yī)院大樓部分的電力需求，電力不足部分由電網(wǎng)補充；燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組發(fā)電后排出的高溫?zé)煔夂透邷馗滋姿M入煙氣熱水型直燃機（余熱回收利用設(shè)備），用于部分空調(diào)制冷和提供部分生活熱水，不足的部分由調(diào)峰設(shè)備雙工況螺桿式電制冷空調(diào)（3臺，電量為247kW）和真空燃氣熱水鍋爐（2臺，Q=2.91MW）解決。真空燃氣熱水鍋爐主要供清河醫(yī)院全年所需的大部分負荷（3233.86kW的生活熱水負荷、4200kW的空調(diào)采暖負荷及600kW的散熱器采暖負荷）。4.2.1燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)運行方式1）制冷采暖及生活熱水系統(tǒng)運行方式：（1）燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組運行時，優(yōu)先利用煙氣余熱和缸套水余熱供能來滿足冷熱負荷需求；（2）夏季制冷時當(dāng)余熱量不能滿足全部冷負荷需求時，通過直燃機補燃或開啟雙工況電制冷空調(diào)來滿足冷負荷需求；（3）冬季采暖時當(dāng)余熱量不能滿足全部熱負荷需求時，通過直燃機補燃或開啟真空燃氣熱水熱鍋來滿足熱負荷需求；（4）生活熱水負荷由2臺4t的真空燃氣鍋爐配合燃氣內(nèi)燃發(fā)電機保障供應(yīng)，平時正常運行1臺真空燃氣熱水鍋爐保障基本生活熱水需求，不足時再開啟另外一臺真空燃氣熱水鍋爐；（5）發(fā)電機組檢修或故障時，兩臺煙氣熱水型直燃機均可使用全補燃的方式運行。2）發(fā)電系統(tǒng)運行方式：（1）孤網(wǎng)模式下自動檢測燃氣發(fā)電機所帶的三級電力負荷及系統(tǒng)制冷采暖量，確定系統(tǒng)發(fā)電量和所帶三級負荷量；（2）并網(wǎng)模式下自動跟蹤用電負荷和冷熱負荷確定系統(tǒng)發(fā)電量，與市電并網(wǎng)（不上網(wǎng)）。以上工藝設(shè)備的切換，使得工藝系統(tǒng)始終工作在節(jié)能的運行狀態(tài)，實現(xiàn)“以熱定電”的運行模式。4.2.2電氣強電專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計自附近10kV開閉站引2路10kV電源，每一供電回路均可滿足全院用電負荷要求，10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，分段運行方式，一路電源故障或檢修時，手動合分段斷路器，由另一路電源帶全部負荷運行。本項目共設(shè)置了5臺變壓器，1~2TM容量為2×1250kVA，單母線分段，中間設(shè)母聯(lián)；3~4TM容量為2x×1600kVA，單母線分段，中間設(shè)母聯(lián)；1~4TM所帶負荷為除去醫(yī)院醫(yī)技負荷以外的其他負荷；5TM容量為1250kVA，帶醫(yī)技負荷。本項目設(shè)置2臺836kW燃氣發(fā)電機，設(shè)置一段專用燃氣發(fā)電機母線段（見圖3注1），燃氣發(fā)電機出口電壓為400V，所帶負荷為燃氣發(fā)電機房自用電負荷、冷凍機房電制冷負荷、部分三級負荷;設(shè)置一臺1000kW的柴油發(fā)電機，設(shè)置一段應(yīng)急母線段（見圖3注2），應(yīng)急母線段電源正常狀態(tài)取自1TM，兩路市電全部失去的情況下轉(zhuǎn)由柴油發(fā)電機供電，同時燃氣發(fā)電機也可以作為應(yīng)急母線段的長期電源使用（見圖3注3所示開關(guān)回路）。本次電氣設(shè)計兼顧燃氣發(fā)電機孤網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行兩種工況，在本項目進行設(shè)計階段還不允許并網(wǎng)，所以在運行初期采用孤網(wǎng)運行，在保障重要負荷安全的前提下，發(fā)電機盡量多發(fā)電；后期在國家政策允許的情況下并網(wǎng)運行，并網(wǎng)運行工況：燃氣發(fā)電機母線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)（見圖3注4）與4TM低壓母線通過同期并聯(lián)運行，當(dāng)國家政策允許并網(wǎng)時，手動關(guān)合注4所示隔離開關(guān)，并在燃氣發(fā)電機與4TM兩個電源滿足并網(wǎng)條件時，自動閉合注4所示斷路器，實現(xiàn)并網(wǎng)運行。為了充分發(fā)揮三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)點，燃氣發(fā)電機要盡量多發(fā)電，所以特別增加了燃氣發(fā)電機負荷轉(zhuǎn)換柜（見圖3注5），可以通過燃氣發(fā)電機負荷轉(zhuǎn)換柜，將普通三類負荷轉(zhuǎn)移到燃氣發(fā)電機母線上來，此負荷轉(zhuǎn)化柜平時由1TM供電。圖3能源中心電氣系統(tǒng)接線示意圖4.2.3此項目三聯(lián)供部分在可研至施工圖階段遇到的問題1）燃氣發(fā)電機容量和臺數(shù)的選擇是采用“以熱定電”還是采用“以電定熱”來確定燃氣發(fā)電機組的容量，是以往設(shè)計三聯(lián)供系統(tǒng)的討論焦點。由于本項目為改造項目，燃氣發(fā)電機組的容量和臺數(shù)需要考慮是否能在本樓內(nèi)放下，并結(jié)合可研資料由原醫(yī)院的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制的冷、熱、電年、日負荷曲線，綜合考慮最終確定采用2臺836kW的柴油發(fā)電機?，F(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)達成共識，并且在國網(wǎng)能源研究院2012年關(guān)于分布式能源的政策法規(guī)關(guān)鍵問題研究中，明確冷熱電三聯(lián)供采用“以熱定電”的設(shè)計原則，在《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ145-2010）中3.3.1條還規(guī)定，當(dāng)孤網(wǎng)運行時，燃氣發(fā)電機應(yīng)能滿足所帶尖峰負荷的大小，并網(wǎng)運行時，應(yīng)根據(jù)基本電負荷曲線確定，單臺容量應(yīng)滿足低負荷要求，并且在CJJ145-2010的總則中，1.0.4及1.0.5條明確規(guī)定：三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)遵循電能自發(fā)自用、余熱利用最大化的原則，系統(tǒng)的設(shè)備配置及運行模式應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定；聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)大于70%，避免出現(xiàn)投資浪費和運行不經(jīng)濟。而上海黃浦醫(yī)院由于選擇燃氣發(fā)電機容量過大，使得燃氣發(fā)電機一直處于低效率運轉(zhuǎn)而沒有充分發(fā)揮三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)勢。對于燃氣發(fā)電機組的臺數(shù)，目前CJJ145-2010的3.3.2條也明確規(guī)定，當(dāng)用戶的供電性要求較高時，發(fā)電機組不宜少于兩臺；6.2.3及6.2.3條規(guī)定，孤網(wǎng)運行或是發(fā)電機組兼做備用電源時，發(fā)電機組的數(shù)量不宜少于兩臺。2）燃氣發(fā)電機是否可以作為應(yīng)急電源使用可研階段評審專家對燃氣發(fā)電機是否可以作為應(yīng)急電源使用看法不一，可研階段仍執(zhí)行1995版的《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，規(guī)范2.0.3條規(guī)定獨立于正常電源的發(fā)電機組可作為應(yīng)急電源，專家對此條意見不一，有的專家認為燃氣發(fā)電機的燃氣是受市政條件影響，而且燃氣發(fā)電機平時是一直在工作狀態(tài)，而應(yīng)急電源平時應(yīng)該是在備用狀態(tài)，所以燃氣發(fā)電機不能作為應(yīng)急電源使用，所以為了供電可靠性更高，可研階段沒有將燃氣發(fā)電機作為應(yīng)急電源使用；而本項目進入施工圖階段時，《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的最新版即2009版（2010年7月1日實施）的4.0.1條規(guī)定三聯(lián)供燃氣發(fā)電機是可以作為備用電源使用，而不能作為應(yīng)急電源，而且新規(guī)范也明確了應(yīng)急電源與備用電源的區(qū)別。本設(shè)計最終采用了應(yīng)急柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源，而將燃氣發(fā)電機作為市電斷電后的備用電源使用的方案。3）應(yīng)急電源的選擇應(yīng)急電源是選EPS蓄電池還是柴油發(fā)電機？因為本工程為改造項目，選擇柴油發(fā)電機因為要考慮進排風(fēng)、排煙等因素，不便于在改造項目中實施，所以在方案和初設(shè)階段，選用EPS蓄電池作為應(yīng)急電源，將蓄電池分為三組，分別設(shè)置在兩個樓地下位置，集中供電。在施工圖階段，由于EPS的造價超出醫(yī)院甲方的預(yù)算，而且EPS分組設(shè)置后需要的建筑面積比較大；經(jīng)綜合考慮還是選擇柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源，為了解決進排風(fēng)問題，冷卻方式采用將排風(fēng)機與散熱管與主體分開，置于柴油發(fā)電機房外裙房屋頂?shù)拈]式水循環(huán)風(fēng)冷方式，將柴油發(fā)電機房設(shè)置在地下一層，也與三聯(lián)供能源站機房不在同一層。按照《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（2009版）的3.0.9條的規(guī)定，備用電源的負荷嚴禁接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。為了滿足此條規(guī)定，本項目所采用的應(yīng)急柴油發(fā)電機只能作為備用電源使用，而負荷末端設(shè)計的EPS或是UPS才能作為應(yīng)急電源使用。

4）燃氣發(fā)電機的運行方式的選擇燃氣發(fā)電機運行方式共有三種：孤網(wǎng)、并網(wǎng)（并網(wǎng)不上網(wǎng)）、上網(wǎng)（并網(wǎng)且上網(wǎng)）；根據(jù)《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ145-2010）總則中1.0.3條規(guī)定，聯(lián)供系統(tǒng)宜采用并網(wǎng)的運行方式，只有并網(wǎng)（或上網(wǎng)）才能保證聯(lián)供發(fā)電機組選型適當(dāng)，運行效率高及保證足夠的滿負荷運行時間，系統(tǒng)才有一定的經(jīng)濟效益；3.1.3條規(guī)定，當(dāng)沒有公共電網(wǎng)或公共電網(wǎng)接入困難時，所帶電負荷比較穩(wěn)定，發(fā)電機可采用孤網(wǎng)的運行方式，否則應(yīng)采用并網(wǎng)的運行方式。上網(wǎng)的方式還應(yīng)執(zhí)行電力行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準，由于本項目設(shè)計時還沒有相關(guān)規(guī)范，所以兼顧燃氣發(fā)電機孤網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行兩種工況，先期按孤網(wǎng)運行，待政策允許再按并網(wǎng)運行。5）與電網(wǎng)接入點的電壓等級的確定由于在本項目設(shè)計時，沒有相應(yīng)的規(guī)范要求，本設(shè)計僅根據(jù)以往的運行項目經(jīng)驗和可研進行的設(shè)計，采用400V的電壓等級；而在《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ145-2010），6.1.3條明確規(guī)定，并網(wǎng)運行時，單機功率小于2000kW的發(fā)電機組，機端的輸出電壓宜采用400V；單機功率大于或等于2000kW的發(fā)電機組，機端輸出電壓宜采用10.5kV；6.4.3條規(guī)定，采用400V的發(fā)電機組，宜在用戶變配電系統(tǒng)低壓側(cè)并網(wǎng)。6）《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（2009版）的出臺對柴油發(fā)電機和三聯(lián)供系統(tǒng)中燃氣發(fā)電機設(shè)計的影響在發(fā)電機的三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計中，按最新版規(guī)范，在系統(tǒng)中需要設(shè)置柴油發(fā)電機和燃氣發(fā)電機兩個備用電源才能滿足醫(yī)院的需求。如前所述，部分一級負荷及一級負