城市能源系統(tǒng)1課件

城市能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

——供熱空調(diào)的考慮熱能工程學(xué)院二○○五年三月第一部分背景城市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境問(wèn)題提出要求西氣東輸、西電東送工程提供條件電力、燃?xì)狻⒐岬认嚓P(guān)部門(mén)密切配合我國(guó)暖通行業(yè)

在城市能源系統(tǒng)中的地位中國(guó)建筑總能耗占全社會(huì)總能耗的25%，采暖空調(diào)耗能約占住宅總能耗的65%；三北地區(qū)采暖季采暖能耗占地區(qū)總能耗的25%以上；夏季耗電成為全年最高，2002年北京夏季耗電連創(chuàng)歷史新高，達(dá)800萬(wàn)kW以上，空調(diào)耗電占4成；2002年北京市采暖空調(diào)耗氣量占全年總耗氣量的56.6％……推論采暖、空調(diào)在城市能源系統(tǒng)中占有重要地位；采暖空調(diào)方式選擇將對(duì)城市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生重要作用；課題研究出發(fā)點(diǎn)有必要將空調(diào)耗能問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，且將供熱、空調(diào)做為一個(gè)系統(tǒng)，納入城市能源與環(huán)境大系統(tǒng)中進(jìn)行研究；供熱、空調(diào)負(fù)荷的強(qiáng)時(shí)域性，要求在供熱、空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷和設(shè)備變負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和分析。研究目標(biāo)研究工作需反映城市能源系統(tǒng)在供熱、空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下的供需平衡及運(yùn)行狀況，提供包括各種一次能源和電力的消耗、產(chǎn)出及其負(fù)荷的不均勻性、污染物排放量在內(nèi)的多項(xiàng)環(huán)境、能源總量和分布數(shù)據(jù)；模擬和分析結(jié)果能夠?yàn)槌鞘惺姓?、能源及環(huán)境管理部門(mén)提供實(shí)際可操作的決策依據(jù)，對(duì)城市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整背景下的供熱和空調(diào)方式選擇和系統(tǒng)運(yùn)行方式的確定有指導(dǎo)意義。第二部分模型與軟件開(kāi)發(fā)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖——分散轉(zhuǎn)換方式熱電廠模型汽輪機(jī)抽凝機(jī)組汽輪機(jī)背壓機(jī)組調(diào)峰能力差，主要承擔(dān)基本負(fù)荷，不考慮變負(fù)荷特性，維持設(shè)計(jì)工況燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)單循環(huán)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)類(lèi)似汽輪機(jī)抽凝機(jī)組變工況處理燃?xì)釩CHP參照單循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)處理方法集中鍋爐模型燃料耗量電耗輸配系統(tǒng)模型網(wǎng)輸入輸出熱水網(wǎng)蒸汽網(wǎng)冷水網(wǎng)電網(wǎng)冷熱兩用網(wǎng)生活熱水網(wǎng)天然氣輸配燃油儲(chǔ)運(yùn)煤炭?jī)?chǔ)運(yùn)其它分戶(hù)供熱空調(diào)設(shè)備模型能量轉(zhuǎn)換效率暖器片、直接電熱器戶(hù)式燃?xì)?、燃油、燃煤爐單冷空調(diào)器熱泵空調(diào)器耗電量電熱器、家用空調(diào)

燃?xì)鉅t和燃油爐中央供熱、空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)冷熱泵、水冷機(jī)組、直燃機(jī)、水源熱泵、吸收制冷系統(tǒng) 機(jī)組能耗 末端能耗BCCHP污染物排放模型總量模型落地濃度計(jì)算排 地理位置放 排放量源 煙囪高度 直徑ISCST3模型氣象條件落地濃度落地坐標(biāo)供熱空調(diào)系統(tǒng)能流網(wǎng)絡(luò)圖（北京）系統(tǒng)三維示意圖連接關(guān)系拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣能源系統(tǒng)線形模型能量平衡關(guān)系多熱源調(diào)節(jié)策略模型不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)方法不均勻系數(shù)是評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)不均勻性的一類(lèi)概念，本文采用不均勻變差系數(shù)C，其定義為樣本標(biāo)準(zhǔn)差和樣本均值之比：能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析軟件主界面軟件數(shù)據(jù)庫(kù)介紹主要進(jìn)行定性的動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)，其準(zhǔn)確性一定程度上也能夠滿(mǎn)足定量描述的要求；可以方便地研究系統(tǒng)局部的問(wèn)題，如一個(gè)小區(qū)、一棟樓宇的能源分析，以及多熱源調(diào)節(jié)等；易擴(kuò)充、易移植，可以接納各類(lèi)研究成果，其研究范圍可輻射能源系統(tǒng)分析的各個(gè)領(lǐng)域。軟件功能第三部分實(shí)例分析實(shí)例1、北京市現(xiàn)狀及奧運(yùn)能源規(guī)劃分析背景資料1：北京市燃?xì)猸h(huán)境總量：2000年11億立方米，2003年底20億立方米，2008年50億用氣量持續(xù)大幅度增長(zhǎng)季節(jié)性峰谷差問(wèn)題明顯，且逐年增大采暖和空調(diào)耗氣量占總耗氣量一半以上，且比例呈增加趨勢(shì)背景資料2：北京市電力環(huán)境2001年京津塘電網(wǎng)負(fù)荷每15分鐘數(shù)據(jù)月報(bào)2001年京津塘電網(wǎng)每日最大負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表2002年北京各季節(jié)典型日的總負(fù)荷變化北京市供熱空調(diào)系統(tǒng)概況2000年底，采暖用煤約為600－700萬(wàn)噸，約占全市能源消耗總量的18％左右，占全部煤炭消耗總量的1/3左右；2000年燃?xì)饪傆昧繛?1億立方米，其中約有50％的天然氣用于采暖；其余為電力、燃油和極少量的地?zé)岷凸I(yè)余熱城市熱網(wǎng)熱源匯總北京市能源系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬城八區(qū)民用建筑總面積2.33億，其中城市熱網(wǎng)有5655萬(wàn)平米熱用戶(hù)；區(qū)域燃煤鍋爐總計(jì)9470萬(wàn)平米；小煤爐3977萬(wàn)平米；各蒸汽網(wǎng)供熱總計(jì)1500萬(wàn)平米；空調(diào)總面積1.61億平米，其中常規(guī)電制冷達(dá)到1.2億平米；集中供給的生活熱水用戶(hù)總面積1410萬(wàn)平米2001年模擬結(jié)果2001年結(jié)果2001年結(jié)果2001年結(jié)果2001年總量數(shù)據(jù)北京市奧運(yùn)能源系統(tǒng)分析《北京奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃能源建設(shè)和結(jié)構(gòu)調(diào)整專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》對(duì)該規(guī)劃意見(jiàn)與建議奧運(yùn)能源規(guī)劃——供熱城八區(qū)民用建筑總面積3.5億平方米，無(wú)供熱面積100萬(wàn)平米；城市熱網(wǎng)在2001年5655萬(wàn)平米基礎(chǔ)上新增5500萬(wàn)平米供熱面積，總量達(dá)到111.55百萬(wàn)平米；城八區(qū)區(qū)域燃煤鍋爐和戶(hù)式小煤爐均被取締或改造，原燃煤熱用戶(hù)分別改為城市熱網(wǎng)和燃?xì)忮仩t用戶(hù)；燃?xì)忮仩t供熱面積達(dá)到1.47億平方米，原燃煤蒸汽網(wǎng)用戶(hù)改為燃?xì)庹羝W(wǎng)用戶(hù)；戶(hù)式燃?xì)鉅t用戶(hù)達(dá)到3000萬(wàn)平米；在2001年基礎(chǔ)上規(guī)劃新增2000萬(wàn)平米直接電采暖用戶(hù)，使得電采暖面積達(dá)到2600萬(wàn)平米；其它如燃油鍋爐、直燃機(jī)、熱泵等方式供暖面積1921萬(wàn)平米。奧運(yùn)能源規(guī)劃——空調(diào)總供冷面積2.5億平米常規(guī)電制冷供冷面積1.845億平米風(fēng)冷、水冷、地源等熱泵方式供冷4000萬(wàn)平米吸收式（包括直燃機(jī)）供冷2550萬(wàn)平米。改進(jìn)意見(jiàn)——空調(diào)方面城市熱網(wǎng)發(fā)展2000萬(wàn)平米的熱水吸收機(jī)制冷；燃?xì)庵比紮C(jī)制冷面積達(dá)到2000萬(wàn)平米；區(qū)域CCHP和樓宇CCHP各滿(mǎn)足2000萬(wàn)平米的空調(diào)需求；上述措施替代常規(guī)電制冷；其余空調(diào)方式不變；改進(jìn)意見(jiàn)——供熱方面發(fā)展4000萬(wàn)平米燃?xì)鈪^(qū)域CCHP和BCCHP；取消發(fā)展2000萬(wàn)平米的電采暖計(jì)劃；燃?xì)忮仩t供熱面積從1.47億降到1.23億平方米；其余400萬(wàn)平米缺口由增加的燃?xì)庵比紮C(jī)供應(yīng)；其它供應(yīng)方式不變。兩方案結(jié)果對(duì)比燃煤和燃油情況，兩方案相同兩方案結(jié)果對(duì)比——燃?xì)鈨煞桨附Y(jié)果對(duì)比——發(fā)電量?jī)煞桨附Y(jié)果對(duì)比——耗電量?jī)煞桨附Y(jié)果對(duì)比——煙塵排量?jī)煞桨附Y(jié)果對(duì)比——SO2排量?jī)煞桨附Y(jié)果對(duì)比——NOx排量燃?xì)庀鞣逄罟榷竞臍?9.1億立方米，占全年總耗量的89.5％，夏季耗氣1.7億立方米，占7.8％，冬季最大負(fù)荷145.6萬(wàn)立方米/小時(shí)，過(guò)渡季最小負(fù)荷126立方米/小時(shí)，夏季最大負(fù)荷14.8萬(wàn)立方米/小時(shí)，冬夏最大負(fù)荷相差近10倍；冬季耗氣25.3億立方米，占全年總耗量的73.6％，夏季耗氣6.6億立方米，占19.2％，冬季最大負(fù)荷187.3萬(wàn)立方米/小時(shí)，過(guò)渡季最小負(fù)荷126立方米/小時(shí)，夏季最大負(fù)荷74.5萬(wàn)立方米/小時(shí)，冬夏最大負(fù)荷相差2.5倍；兩方案的年不均勻系數(shù)分別為0.72和0.55，改進(jìn)方案較規(guī)劃方案有較大改善燃?xì)庀鞣逄罟葕W運(yùn)規(guī)劃冬季耗氣19.1億立方米，占全年的89.5％，夏季耗氣1.7億立方米，占7.8％；冬季最大負(fù)荷145.6萬(wàn)立方米/小時(shí)，過(guò)渡季最小負(fù)荷126立方米/小時(shí)，夏季最大負(fù)荷14.8萬(wàn)立方米/小時(shí)，冬夏最大負(fù)荷相差近10倍；年不均勻系數(shù)0.72改進(jìn)方案冬季耗氣25.3億立方米，占全年總耗量的73.6％，夏季耗氣6.6億立方米，占19.2％；冬季最大負(fù)荷187.3萬(wàn)立方米/小時(shí)，過(guò)渡季最小負(fù)荷126立方米/小時(shí)，夏季最大負(fù)荷74.5萬(wàn)立方米/小時(shí)，冬夏最大負(fù)荷相差2.5倍；年不均勻系數(shù)0.55兩方案電力對(duì)比分析削峰填谷作用系統(tǒng)耗電量其它發(fā)電及外購(gòu)電量節(jié)能效果城市電力平衡關(guān)系供熱空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電量 ＋其它發(fā)電及外購(gòu)電量

＝

供熱空調(diào)相關(guān)電負(fù)荷 ＋供熱空調(diào)無(wú)關(guān)電負(fù)荷

系統(tǒng)耗電量奧運(yùn)能源規(guī)劃全年用電量134.8億度，夏季耗電50.2億度，冬季50.6億度；夏季最高電負(fù)荷5742MW，冬季最高負(fù)荷2236MW，冬夏最高負(fù)荷差為3500MW；過(guò)渡季最小負(fù)荷為560MW；不均勻系數(shù)1.76改進(jìn)方案全年用電量115.6億度，夏季耗電41.7億度，冬季總耗電41.6；夏季最大負(fù)荷4239MW，冬季最大負(fù)荷1470MW，冬夏最大負(fù)荷相差2769MW；過(guò)渡季最小負(fù)荷為577MW不均勻系數(shù)2.26兩方案結(jié)果對(duì)比——外部電量系統(tǒng)外部電量奧運(yùn)能源規(guī)劃全年系統(tǒng)外總發(fā)電量526億度；所需的系統(tǒng)外部最大發(fā)電量1290萬(wàn)kW全年最小負(fù)荷2520MW不均勻變差系數(shù)3.36。改進(jìn)方案全年系統(tǒng)外總發(fā)電量464.5億度；所需的系統(tǒng)外部最大發(fā)電量1024萬(wàn)kW全年最小負(fù)荷1195MW不均勻變差系數(shù)3.26。各方案總量數(shù)據(jù)節(jié)能效果分析改進(jìn)方案多消耗了13億方天然氣;多發(fā)42.5億度電；少耗19億度電；13億方天然氣發(fā)了61.5億度電，按天然氣熱值為每立方米8500千卡計(jì)，折合發(fā)電效率為47.9％。 相當(dāng)于中小型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電效率，節(jié)能效果良好。小結(jié)北京市能源系統(tǒng)在電力、天然氣和熱力負(fù)荷方面的季節(jié)不均勻性比較嚴(yán)重；奧運(yùn)能源規(guī)劃在環(huán)保、替煤方面效果顯著，但對(duì)系統(tǒng)不均衡性問(wèn)題非但沒(méi)有解決，而且有加劇的傾向；改進(jìn)方案在促進(jìn)能源系統(tǒng)均衡性方面思路正確，對(duì)天然氣和電力環(huán)境產(chǎn)生良好效果，系統(tǒng)耗電量的不均衡性說(shuō)明此方案還有進(jìn)一步完善余地。實(shí)例2武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)能源規(guī)劃項(xiàng)目概述以汽車(chē)、輕工產(chǎn)業(yè)為支柱的，有序、超前的現(xiàn)代化工業(yè)新區(qū)，是武漢市和華中地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系在2002年，為開(kāi)發(fā)區(qū)制定了《武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)能源規(guī)劃》。熱負(fù)荷現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)現(xiàn)有熱源晨鳴乾能熱電責(zé)任有限公司熱電廠晨明漢陽(yáng)紙業(yè)熱電廠沌口燃機(jī)電廠（燃油調(diào)峰電廠）若干燃油、燃煤鍋爐規(guī)劃思路供熱分區(qū)圖3.2.3方案1沌口燃機(jī)電廠不進(jìn)行熱電改造第一熱源點(diǎn)擴(kuò)建燃?xì)饧夥邋仩t

方案1注釋第一熱源點(diǎn)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)承擔(dān)全部407.7噸/小時(shí)的基本蒸汽負(fù)荷；需新建供熱能力258.7噸/小時(shí)，同時(shí)尖峰鍋爐承擔(dān)175.7噸/小時(shí)的高峰供熱量。3.2.2方案2沌口燃機(jī)電廠不進(jìn)行熱電改造第一熱源點(diǎn)擴(kuò)建熱電冷三聯(lián)供

方案2注釋第一熱源點(diǎn)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)承擔(dān)全部583.4噸/小時(shí)的蒸汽負(fù)荷；在現(xiàn)有149噸/小時(shí)供熱能力基礎(chǔ)上，需規(guī)劃建設(shè)434.4噸/小時(shí)的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱能力；夏季用熱低谷可供制冷用的蒸汽量最大可達(dá)220噸/小時(shí)。3.2.1方案3沌口燃機(jī)電廠熱電改造燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)饧夥邋仩t

方案3注釋——沌口燃機(jī)電廠燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)承擔(dān)基本供汽負(fù)荷（407.7噸/小時(shí)）中的160噸/小時(shí)；將燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的汽輪機(jī)部分由凝汽式改為抽凝式運(yùn)行。方案3注釋——一熱源熱電廠承擔(dān)基本供汽負(fù)荷（410噸/小時(shí)）中的250噸/小時(shí)；在149噸/小時(shí)供熱能力基礎(chǔ)上，需增建100噸/小時(shí)供熱能力的機(jī)組。方案3注釋——燃?xì)饧夥邋仩t承擔(dān)冬季供汽尖峰負(fù)荷170～180噸/小時(shí)；尖峰負(fù)荷主要由神龍汽車(chē)引起，可考慮在神龍工廠就近建設(shè)180噸的燃?xì)忮仩t；方案比較分析能源系統(tǒng)模擬分析環(huán)境系統(tǒng)模擬分析能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖現(xiàn)狀模擬結(jié)果圖5.62001年開(kāi)發(fā)區(qū)電力曲線圖5.72001年開(kāi)發(fā)區(qū)污染物排放量模擬結(jié)果對(duì)比圖全區(qū)環(huán)境分析與模擬圖5.19武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃方案1——煙塵濃度分布圖5.20武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃方案1——SO2濃度分布圖5.21武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃方案1——NOx濃度分布小結(jié)東區(qū)方案1：燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)與燃?xì)饧夥邋仩t方案2：燃煤熱電冷三聯(lián)供（環(huán)境是制約因素）；方案3：沌口燃機(jī)電廠熱電改造，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，燃?xì)饧夥邋仩t方案（經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰電廠體制轉(zhuǎn)型是制約因素）。西區(qū)近期以分散的燃?xì)忮仩t為主要供熱手段，隨著熱負(fù)荷的發(fā)展，遠(yuǎn)期建設(shè)包括燃煤鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)電廠在內(nèi)的第二熱源點(diǎn)，在進(jìn)行用地規(guī)劃時(shí)，應(yīng)考慮第二熱源點(diǎn)建廠用地。第四部分結(jié)論與展望結(jié)論開(kāi)發(fā)的城市能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析方法和工具：做為模擬工具，本研究不僅能夠?qū)χT多方案進(jìn)行定性的動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)，其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，一定程度上也能夠滿(mǎn)足對(duì)城市能源系統(tǒng)進(jìn)行定量描述的要求；做為系統(tǒng)方法，可用它方便的研究系統(tǒng)及其局部的問(wèn)題，如一個(gè)小區(qū)、一棟樓宇的能源分析，以及多熱源調(diào)節(jié)、小范圍能源供應(yīng)方式的比較分析等工作；做為開(kāi)放平臺(tái)，可以接納各類(lèi)研究成果，易擴(kuò)充、易移植，其原理可輻射能源系統(tǒng)分析的各個(gè)領(lǐng)域，已有的北京和武漢的研究表明軟件對(duì)民用和工業(yè)負(fù)荷都能夠很好的處理。對(duì)北京現(xiàn)狀和奧運(yùn)能源規(guī)劃的模擬分析，表明本市能源系統(tǒng)的不均勻性正在逐漸增強(qiáng)，規(guī)劃中應(yīng)該補(bǔ)充電力、天然氣的削峰填谷方案，對(duì)一些相關(guān)技術(shù)給予鼓勵(lì)；電負(fù)荷的改善，當(dāng)前首先應(yīng)降低夏季電負(fù)荷，而不是增加冬季電負(fù)荷。為此，夏季單一電制冷的空調(diào)模式需要打破，高效的直燃機(jī)、吸收機(jī)、分布式燃?xì)鉄犭娎渎?lián)供技術(shù)是較好的選擇。武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)能源系統(tǒng)負(fù)荷全年比較均勻，全年能耗曲線的波動(dòng)主要與工業(yè)用熱的季節(jié)不均勻性有關(guān)。對(duì)若干規(guī)劃方案進(jìn)行了比較分析，對(duì)各方案的各項(xiàng)能源消耗，電力生產(chǎn)、污染物排放總量和落地濃度分布、主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行了分析，從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合等不同角度提出了適合該地區(qū)的若干能源方案。展望在城市能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析的模型研究方面，有以下工作需要進(jìn)一步完善和開(kāi)展：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、整理經(jīng)濟(jì)性的考慮變負(fù)荷模型的深入研究建筑能耗指標(biāo)的代表性模型功能的進(jìn)一步擴(kuò)充針對(duì)北京奧運(yùn)能源規(guī)劃的改進(jìn)還需要深入進(jìn)行，主要是電力系統(tǒng)的季節(jié)不均勻性仍沒(méi)有大的改善，同時(shí)，改進(jìn)方案中冬季削減電采暖的力度比夏季吸收機(jī)和直燃機(jī)替代電制冷節(jié)省的電耗力度要大，使得整體耗電不均勻性加大，因此從改善電力系統(tǒng)均衡性角度，可以考慮加大夏季削峰力度。燃?xì)鉄犭娎渎?lián)供系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題是其熱電比通常低于用戶(hù)對(duì)熱電的實(shí)際需求比，導(dǎo)致電力自用有余，需能夠上網(wǎng)，大面積的三聯(lián)供系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)其它電廠的運(yùn)行模式產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步研究。結(jié)束晨鳴漢陽(yáng)紙業(yè)熱電廠總裝機(jī)容量21MW，3臺(tái)蒸汽輪機(jī)（12MW雙抽＋6MW背壓＋3MW背壓），配有4臺(tái)65噸燃煤鍋爐，供汽160t/h屬晨鳴漢陽(yáng)紙業(yè)自備熱電廠機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間