華電產(chǎn)業(yè)園建設(shè)的分布式電站設(shè)計(jì)工作于2011年開始，建設(shè)有4座規(guī)模不等的大樓，用作賓館和辦公場(chǎng)所，根據(jù)原始資料要求，電站需滿足產(chǎn)業(yè)園25萬(wàn)m2建筑冷、熱負(fù)荷供應(yīng)及部分電力負(fù)荷需求。

一、電站機(jī)型選擇和運(yùn)行方式

華電產(chǎn)業(yè)園全部用電設(shè)備的累計(jì)負(fù)荷為27.318MW，考慮0.6的同時(shí)系數(shù)，電負(fù)荷需求為16.391MW。根據(jù)對(duì)華電總部大樓、燃?xì)獯髲B等類似功能建筑冷熱電負(fù)荷的調(diào)研，預(yù)測(cè)園區(qū)最大穩(wěn)定電負(fù)荷為8.755MW。其中，A座、B座電力負(fù)荷預(yù)測(cè)為2.130MW，C座、D座消防電負(fù)荷為0.466MW，即產(chǎn)業(yè)園初期投用時(shí)平均電負(fù)荷約為2.596MW。

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，確定了“滿足用戶冷、熱負(fù)荷供應(yīng)，在此基礎(chǔ)上保證發(fā)電效率最大化的原則”。確定了機(jī)組數(shù)量和機(jī)組額定容量后，保證機(jī)組額定冷、熱負(fù)荷下滿足用戶要求，高峰和極端溫度天氣下投入直燃機(jī)和電制冷機(jī)等調(diào)峰設(shè)備，滿足建筑的最大冷、熱負(fù)荷需求。在此條件下，發(fā)電出力可基本滿足產(chǎn)業(yè)園的供電需求，不足電力由市政電網(wǎng)補(bǔ)充。由于機(jī)組并網(wǎng)不上網(wǎng)，所以電力輸出將通過自身負(fù)荷平衡，當(dāng)機(jī)組出力負(fù)荷富余時(shí)，可降負(fù)荷以保證電網(wǎng)負(fù)荷平衡，也可啟動(dòng)冷、熱制備設(shè)備消耗富余電力，達(dá)到電負(fù)荷和熱負(fù)荷的同時(shí)平衡。

根據(jù)以上原則，確定分布式電站的發(fā)電裝機(jī)容量為6MW級(jí)。最初考慮采用3臺(tái)2MW級(jí)的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，后來(lái)因?yàn)閳?chǎng)地緊張，分布式電站確定采用2臺(tái)3MW級(jí)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。僅A座、B座投用且辦公面積達(dá)到70%時(shí)，單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行可滿足用電需求。

由于電站并網(wǎng)不上網(wǎng)，當(dāng)用戶用電負(fù)荷低于單臺(tái)機(jī)組50%時(shí)，發(fā)電機(jī)將停止工作，電負(fù)荷完全由市政電網(wǎng)滿足;電力負(fù)荷高于發(fā)電機(jī)最大出力時(shí)，不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充。發(fā)電機(jī)停運(yùn)及發(fā)電余熱不足時(shí)，冷、熱負(fù)荷由直燃機(jī)、電制冷機(jī)等調(diào)峰設(shè)備提供。由于采用內(nèi)燃機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組最低運(yùn)行負(fù)荷約50%額定負(fù)荷，故用戶電負(fù)荷低于50%額定負(fù)荷時(shí)，為保護(hù)設(shè)備，機(jī)組將自動(dòng)跳閘，電源切換到電網(wǎng)負(fù)荷，這一狀況雖然是所有分布式能源機(jī)組的共性問題，但對(duì)用戶來(lái)說是希望避免的情況，故如何處理是亟須解決的難題。

二、運(yùn)行現(xiàn)狀及過渡季節(jié)預(yù)測(cè)

電站投運(yùn)后遇到的第1個(gè)難題是園區(qū)4座大樓同時(shí)建設(shè)，但第1幢辦公大樓投運(yùn)后就必需投入運(yùn)行，此時(shí)用戶電負(fù)荷低于單臺(tái)機(jī)組的最低穩(wěn)燃負(fù)荷，投運(yùn)后56天內(nèi)共計(jì)發(fā)電2342.5MW·h，但實(shí)際用戶用電量1658.1MW·h，實(shí)際平均電負(fù)荷僅1232kW。由于市政電網(wǎng)尚未接入，為保證大樓正常工作，迫使采用了一些非常規(guī)手段以保證用電。正常工作日、周末、春節(jié)等典型日的負(fù)荷比較見表1。

由表1可知，正常上班狀態(tài)和周末、節(jié)假日條件下用電情況差別很大，夜晚時(shí)差別更大。這雖然是一種極端情況，但需要高度重視和認(rèn)真解決。

另外，休息日和晚間，辦公、電梯、餐廳等用電負(fù)荷下降較多，產(chǎn)業(yè)園實(shí)際用電負(fù)荷僅為燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的28%～38%。峰值負(fù)荷1900kW也僅為燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的56.8%。由于負(fù)荷率低，負(fù)荷波動(dòng)的問題尤為突出，當(dāng)1臺(tái)電梯突然啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流比較大，特別是當(dāng)2臺(tái)電梯同時(shí)動(dòng)作時(shí)(雖然概率很小，但有發(fā)生的可能)，造成孤網(wǎng)運(yùn)行電壓大幅波動(dòng)，當(dāng)電壓波動(dòng)大于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)值時(shí)，導(dǎo)致機(jī)組迅速跳閘。

由于產(chǎn)業(yè)園投運(yùn)年為暖冬，熱負(fù)荷相對(duì)較低，上述問題更加突出。停止供暖后，電站和二級(jí)泵房的供暖設(shè)備停運(yùn)，因此C座、D座大樓用電量將大幅下降;其他建筑物與供暖有關(guān)的設(shè)備(盤管、風(fēng)機(jī)等)停運(yùn)也會(huì)造成負(fù)荷進(jìn)一步大幅度下降，估計(jì)白天負(fù)荷在800kW左右(不考慮其他樓裝修、施工等用電)，晚上及假日負(fù)荷在500kW左右，相當(dāng)于燃?xì)廨啓C(jī)要在25%額定負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行。故分布式電站如果長(zhǎng)期在25%負(fù)荷率以下運(yùn)行是非常困難的。

三、電站長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的弊病

內(nèi)燃機(jī)組一般按照常規(guī)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，按80%～100%額定負(fù)荷下運(yùn)行最優(yōu)效率的原則工作，設(shè)備部件(包括渦輪增壓器)、空燃比等均按此選定。如果在低于50%額定負(fù)荷下運(yùn)行，機(jī)組在恒定稀薄燃燒下的空燃比(即燃料和空氣的比例在1.0∶2.2左右)下，按照渦輪增壓器的曲線特性，進(jìn)氣量要大于實(shí)際負(fù)荷做功時(shí)的進(jìn)氣量，導(dǎo)致混合氣體在氣缸內(nèi)燃燒時(shí)，只有一部分能量進(jìn)行機(jī)械做功，其余則以熱能的形式隨煙氣排放出去，從而在低負(fù)荷下出現(xiàn)排氣溫度過高、效率降低、積炭加快等狀況。

內(nèi)燃機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的影響可歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)氣缸積炭。長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)加快在進(jìn)氣閥、燃燒室(氣缸蓋和活塞頂)等部位積炭，而積炭是燃料和潤(rùn)滑油的竄氣混合后不完全燃燒產(chǎn)生的沉積物。

(2)積炭危害。當(dāng)燃燒室積炭到一定程度會(huì)引起氣缸爆震而損害活塞及曲軸，使發(fā)動(dòng)機(jī)體損壞的幾率增大。氣缸爆震現(xiàn)象發(fā)生后，為保護(hù)設(shè)備部件安全，燃?xì)廨啓C(jī)即刻甩負(fù)荷停機(jī)，因此電站運(yùn)行極不穩(wěn)定，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)停機(jī);渦輪增壓器渦輪處積炭會(huì)使進(jìn)氣效率降低，導(dǎo)致出力不足、效率降低;長(zhǎng)時(shí)間積炭還會(huì)影響點(diǎn)火效率。

(3)潤(rùn)滑油耗量增加。燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油耗量比滿負(fù)荷時(shí)增加1倍，現(xiàn)為0.6g/(kW·h)。

(4)低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)設(shè)備的危害。燃?xì)廨啓C(jī)在50%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，比70%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)耗氣量增加10%。煙氣溫度過高而超出余熱回收設(shè)備運(yùn)行的設(shè)計(jì)溫度時(shí)，可能導(dǎo)致余熱回收設(shè)備損壞，維修周期縮短后，部件更換過快會(huì)導(dǎo)致維修費(fèi)用增大。

燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)造成不必要的損害，縮短設(shè)備運(yùn)行壽命和增加設(shè)備生命期內(nèi)運(yùn)行成本，同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性差。因此，所有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)廠家均建議用戶避免燃?xì)廨啓C(jī)在40%額定負(fù)荷以下長(zhǎng)期運(yùn)行。

目前，世界上燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)仍無(wú)任何成熟的低負(fù)荷運(yùn)行技術(shù)或應(yīng)用案例，個(gè)別廠家正在進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期解決或降低低負(fù)荷率運(yùn)行的問題。

四、解決問題的思路及措施

近些年投運(yùn)的分布式電站，存在的問題主要集中在3個(gè)方面：機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷及負(fù)荷點(diǎn);機(jī)組不同輸出能的變化幅值;機(jī)組不同輸出能的相互關(guān)系。解決了上述問題，就提高了分布式電站對(duì)用戶的適應(yīng)性，提高了機(jī)組的綜合效率，同時(shí)能降低運(yùn)行費(fèi)用及綜合造價(jià)。下面探討解決問題的思路和具體措施。

4.1降低機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷點(diǎn)的思路和措施

降低機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷點(diǎn)，就能使分布式電站更廣泛地適應(yīng)用戶需求，解決問題的方法主要有以下幾種。

(1)降低內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)自身最低運(yùn)行負(fù)荷點(diǎn)。由于機(jī)組自身的特點(diǎn)，雖然不可能降到極低的范圍，但如果能控制在30%額定負(fù)荷以下，將會(huì)使機(jī)組具有更廣泛的適應(yīng)性，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來(lái)說，需要研制更寬泛的或可變動(dòng)的空燃比，而燃?xì)廨啓C(jī)還要避免軸系的共振和末級(jí)葉片的余速損失，這需要設(shè)備廠家配合。

(2)采用多臺(tái)機(jī)組也能降低最小負(fù)荷點(diǎn)，但可能造成成本上升和場(chǎng)地占用的變化，需要根據(jù)情況分析確定。

(3)通過系統(tǒng)內(nèi)部的能源互換方式解決最低穩(wěn)燃負(fù)荷的問題。能源之間是可以互相轉(zhuǎn)換的，當(dāng)用戶電負(fù)荷需求低于機(jī)組實(shí)際輸出負(fù)荷時(shí)，可通過轉(zhuǎn)換部分電能至熱能的方式解決(如果用戶電負(fù)荷、熱負(fù)荷都低于機(jī)組實(shí)際輸出時(shí)，本方案不成立)。

(4)決定分布式電站機(jī)組數(shù)量的重要判斷依據(jù)是，當(dāng)用戶的電負(fù)荷與熱負(fù)荷總(和低于實(shí)際電負(fù)荷與熱負(fù)荷總和時(shí)，可考慮降低單機(jī)容量，增加機(jī)組數(shù)量。

4.2關(guān)于機(jī)組不同輸出能的幅值變化方法

(1)重新分配電、熱、冷的負(fù)荷分配設(shè)計(jì)點(diǎn)，即移動(dòng)熱、電負(fù)荷的分配點(diǎn)，可適當(dāng)提高內(nèi)燃機(jī)煙氣出口溫度，降低發(fā)電段熱焓的使用量，這樣電負(fù)荷比例就會(huì)下降，熱負(fù)荷比例就會(huì)上升。

(2)采用蓄能的方法調(diào)節(jié)用戶日負(fù)荷的變化，可以在用戶不需要熱或冷時(shí)儲(chǔ)存部分能量，當(dāng)外界需要時(shí)再釋放，間接地滿足了用戶在不同時(shí)間段對(duì)不同種類能的需求。

4.3關(guān)于機(jī)組不同輸出能的相互轉(zhuǎn)換方法

(1)當(dāng)電負(fù)荷輸出大于用戶實(shí)際需求，熱負(fù)荷輸出小于用戶實(shí)際需求時(shí)，可將電負(fù)荷轉(zhuǎn)換為冷、熱負(fù)荷，以取得用戶對(duì)不同能的動(dòng)態(tài)需要量，如夏季在電負(fù)荷富余條件下，可采用蓄冰的方法將電能轉(zhuǎn)換為其他能源。

(2)如果電站附近有直供電需求用戶，而且電網(wǎng)政策允許直供電的話，可直接售給其他有需求的用戶。

4.4現(xiàn)場(chǎng)采取的措施和方法

(1)產(chǎn)業(yè)園其他建筑物在加快裝修，增加了用電負(fù)荷，可將部分多余電量提供給其使用。

(2)將臨時(shí)用電電源引至園區(qū)，與電站供電在低壓側(cè)切換倒閘后，再由園區(qū)正式低壓配電系統(tǒng)送至各用電單元。為防止在低壓側(cè)與電網(wǎng)并網(wǎng)，倒閘停電前需逐一關(guān)閉較重要的低壓電子設(shè)備，如關(guān)閉二次泵房低壓大型變頻器及確保電梯無(wú)人乘坐等。

(3)在保證電能質(zhì)量的前提下內(nèi)燃機(jī)壓線運(yùn)行，加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)定期檢查和維護(hù)，根據(jù)氣候變化適時(shí)調(diào)整供熱參數(shù)，盡量減少直燃機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，并在辦公樓等處采取正常節(jié)電措施等。