分布式燃气冷热电三联供技术
0 前言分布式燃气冷热电联供系统( DES/CCHP)是一种建立在能量梯级利用概念基础上,以天然气为一次能源,同时产生电能和可用热
(冷)能的分布式供能系统。
作为能源集成系统( Integrated Energy Systems),冷热电联供系统按照功能可分成三个子系统:动力系统(发电)、供热系统(供暖、热水、通风等)和制冷系统(制冷、除湿等)。目前多采用燃气轮机或燃气内燃机作为原动机,利用高品位的热能发电,低品位的热能供热和制冷,从而大幅度提高系统的总能效率,降低了燃气供应冷热电的成本。联供技术的具体应用取决于许多因素,包括:电负荷大小,负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的燃料、经济性和并网情况等。
分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机和内燃机发电技术、
余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术,以小规模(几 kW至数 MW)
分散布置的方式建在用户附近,配置灵活,便于按冷、热、电负荷的实际需要进行调节,不仅满足了区域内用户的用能需求,还节省了大量的城市供热管网建设和运行的费用,有助于电网和燃气供应的削峰填谷,减少碳化物及有害气体的排放,产生良好的社会效益,符合可持续发展战略,是未来能源技术发展的重要方向之一,在商业、建筑能源系统中将得到广泛的应用。
1 分布式燃气冷热电三联供技术概述分布式燃气冷热电三联供( DES/CCHP)是最近几年发展起来的新兴技术,有其特定的产生背景和技术经济特点。对其和应用,一方面要合理使用,因地制宜,另一方面要提供良好的政策支持和专业可靠的技术支持。
1.1 分布式燃气冷热电三联供技术的发展背景分布式燃气冷热电三联供技术引起广泛应用与关注的时代背景是小型分布式供电方式成为电力工业新的发展方向,天然气在能源结构中占有越来越重要的位置,同时季节性缺电成为一种急需解决的能源供需矛盾,节能成为时代发展的主题之一。
1.1.1 供能系统分布化趋向
2003年 8月 18日的晚上,在纽约一片漆黑的夜空中,数以百计的点点亮光特别耀眼。那是一些建筑物配置的分布式供能系统在美加大停电中留下令人印象深刻的一幕。安全性是分布式功能最重要的特点之一,同时,分布式功能系统还具有节约联网成本、环境污染少、调峰性好、调度灵活以及节约土地资源等诸多优点。
对目前世界能源产业面临亟待解决的四大问题:合理调整能源结构、进一步提高能源利用效率、改善能源产业的安全性、解决环境污染,单一的大电网集中供电解决 上述问题存在困难,而分布式供电系统恰好可以在提高能源利用率、改善安全性与解决环境污染方面做出突出的贡献。因此,大电网与分散的小型分布式供电方式的合理结合,被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统,成为二十一世纪电力工业的发展方向。
纵观西方发达国家的能源产业的发展过程,可以发现:它经历了从分布式供电到集中式供电,又到分布式供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求,而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。因此,虽然从目前能源产业的发展情况来看,集中式供电是我国能源系统发展的主要方向,但从长远看,构造一个集中式供电与分布式供电相结合的合理能源系统,增加电网的质量和可靠性,将为能源产业的发展打下坚实的基础。
1.1.2 天然气使用天然气作为一种清洁、便利的能源,其使用范围越来越广,利用规模也越来越大。天然气发电是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例,减少环境污染的有效途径,且从经济效益看,天然气发电的单位装机容量所需投资少,建设工期短,调峰性能好。天然气大量用于化工工业,天然气是制造氮肥的最佳原料,
具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重,世界平均为 80%左右。以天然气代替汽车用油,具有价格低、污染少等优点。随着石油资源的相对紧张,开发潜力极大的天然气已成为现代能源结构中重要的组成部分。目前世界各国都在加快进行开采和进口量,使用天然气。我国天然气资源的开发和引进也已进入了一个快速发展的新阶段。如何高效、经济地利用天然气已经成为天然气下游市场开拓的关键问题。
在天然气气源充足的情况下,由于 LNG,PNG的价格比气井天然气高出数倍,因此用于化工业是不经济的。除了一部分提供给工业生产部门供燃烧外,绝大部分( 70%以上)须通过发电和民用燃料环节消耗。居民用城市燃气的数量不大,且发展潜力往往是有限的,因此须通过建大规模天然气电厂和发展
DES/CCHP系统实现。由于目前煤电技术较为成熟,能源量稳定,发电成本较低,天然气发电主要用于季节性的调峰。因此分布式燃气供能系统成为天然气中重点发展的一个利用场合,它具有环保、社会、经济的三重效益。
1.1.3 电力和天然气的季节性峰谷差随着经济快速发展和产业结构调整,我国能源、电力消费快速增长,电力供应缺口逐年拉大,特别是季节峰谷性缺电明显。目前建筑耗能占社会总能耗的
20.7%,而供热与空调能耗占建筑能耗的 65%。居民所用电空调比例几乎为
100%,商用空调约 80%是电空调,电力高峰负荷出现在夏季,其中 40%的电力负荷是用于电制冷空调的。此时如果不高度重视节能以及改善能源消费结构,能源、电力的供需矛盾将面临严峻挑战。
同时,我国城市冬季供暖多采用燃煤、燃气热水锅炉或蒸汽锅炉,生活热水常采用燃气灶及燃气热水器制取。冬季气温较低,取暖和生活热水使用量增大,造成了燃气需求量的季节性峰谷差,不利于燃气供应的稳定性。
分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点,将夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来,有利于季节调峰,改善能源供给结构。
1.1.4 能源利用效率的要求在能源利用效率方面,我国的万元 GDP能耗与发达国家相比,存在巨大差距。全国平均能源利用总效率为 33.4%左右,与国际先进水平的 50~55%相比,
还有较大差距。提高单位 GDP能耗和整体的能源利用效率对实现经济和环境的可持续发展具有重要意义,节能在我国现阶段应备受重视,任重道远。
分别配备供电、供暖、制冷和供应生活热水的装置,不但造价高,而且能源利用率低。目前的建筑能耗 80%属于低品位能量,目前多半采用电力和燃煤,
“高质低用”,属于浪费。 CCHP可以实现能源梯级利用,提高整体能源利用率,起到节能的作用。
1.2 分布式燃气冷热电三联供系统构成与特点分布式燃气冷热电三联供系统主要由燃机设备和余热利用设备构成,有多种组织形式,在应用中有鲜明的优缺点,和规划时应予以充分考虑。
1.2.1 系统的基本组成燃气冷热电联供系统由燃机设备和余热利用设备构成,其中燃机设备是系统的核心,包括燃气轮机、内燃机等。余热利用设备包括余热锅炉、吸收式制冷机、
换热装置、电制冷机,燃气锅炉等。
燃机通过燃烧天然气发电后,产生的高温烟气送入余热利用设备,冬季可用于取暖,夏季可用于供冷,还可生产生活热水,驱动热量不足部分可由补燃的燃气进行供应。根据项目的条件,联供系统及其设备配置可作多种形式的变化,如可采用冰蓄冷装置、蓄热装置、热泵等,提高系统的整体能源利用效率。
1.2.2 系统的类别形式分布式天然气冷热电联供的系统形式很多,根据燃气发电机种类、余热利用设备种类、发电机与市电的关系和系统运行时间不同来划分。
根据燃气发电机种类划分,有燃气轮机冷热电联供系统、燃气内燃机冷热电联供系统、微燃机冷热电联供系统、燃料电池冷热电联供系统等。
根据余热利用设备种类划分,有传统余热锅炉 +吸收式制冷机组系统(含热水型和蒸汽型)、补燃型余热锅炉 +吸收式制冷机组系统、余热吸收式制冷机组系统等。
根据发电机与市电的关系划分,有发电机与市电并网运行方式和发电机与市电切网运行两种方式。
根据系统运行时间不同划分,有全年连续运行和季节性间歇运行两种系统,
前者发电机组全年不关机,后者一般采暖季和制冷季运行,过渡季不运行。还有一些系统为每天间歇运行方式,后半夜电负荷低时,发电机组关机。
1.2.3 系统的特点分布式燃气冷热电联供系统的主要优点包括:
1.峰谷差调节作用。燃气负荷与电力负荷在季节上大致呈互补关系,运行期间用气量稳定,减少了两方面各自的季节峰谷差。
2.能源利用总效率高,冷、热、电成本互摊,较为经济。
3.可作备用电源,提高供电安全性。设备能快速启动,冷态启动仅 40min,能起到可靠的备用电源作用,在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下,可维持重要用户的供电。
4.无输配电损耗,同时节约了变电设备和电网建设费用。减少了输热损失和热网费用。就近供电减少了大容量远距离高压输电线的建设,不仅减少了高压输电线的电磁污染,也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊及线路上树木的砍伐,利于环保。
5.资金密度低,建设周期短,正常情况下投资回收快。微型冷热电联供系统应用于宾馆、商业区及住宅区的保值回收期为 3~ 6年间。系统具有较好的经济可行性。
分布式燃气冷热电联供系统的其他优点还包括:
1.可以满足特殊场合的需求,例如在电网覆盖率不高的地区、分散的用户、
安全要求高的场合等。
2.可带动燃气轮机、余热锅炉、制冷机等制造业的发展,每年创造 GDP上百亿元。
3.使用灵活,可根据实际负荷需要自由启停。发电机组和空调机组均可单独运行,满足冷、热、电负荷需要。
4.燃气轮机可使用多种燃料,燃料消耗率低,排放低,尤其是使用天然气。
分布式燃气冷热电联供系统的主要缺点包括:
1.对热负荷要求高。使用 CCHP的先决条件是有较大的热负荷,同时要求冷热负荷稳定。
虽然微型燃机发电效率己从 17%-20%上升到当前的 26%-30%,但以微型燃气轮机作为动力的简单的分布式供电系统的热转功效率依然远小于大型集中供电电站。三联供系统如果仅作为发电使用不考虑利用余热的效益,则发电成本高于目前市电平均价格,单独发电是不经济的。对于热负荷变化较大的建筑物或者负荷率很低的场所,能源综合利用效率一般很难达到期望的效果,并且发电机的使用寿命也会受到影响。
2.系统成本的经济性受政府行为干预的影响大。
CCHP成本中燃料占 67%~78%,其经济效益受市场燃料与用电价格(电价、
气价、热价)的影响(希望的大趋势是电价上涨、气价下跌),这些与政府定价因素有关,在中国气电比价高的特点下更是如此。从天然气公司得到的供气价格高于燃气电厂价格,增加了发电使用成本。能否采用燃气季节性差价等优惠制度很重要。
CCHP的要求一定的优惠政策,使投资商在贷款准入、税收方面给以优惠。否则结果很可能是能源利用率上升了,财务上却亏空了。投资商要求投资回收年限短。
3.受气源参数的局限性较大。
大型燃气轮机 DES 2 MPa以上。一般分布式功能系统所需的 16kg/cm2 及以上压力的天然气不能进入城市市区,这意味着只能从周围低压管道中抽气再增压供气,然而,这种运行方式对其他燃气用户有何影响要进一步评估。
增设天然气增压站投资大(预计 200— 300万元需 3 年左右收回)、施工时间长,增加了设备(压缩机、储气罐、控制系统等)需管理、维护。
4,NOx排放造成的环境污染。
虽然系统发电的排放量比采用以煤为燃料的火电机组发电少得多,但只要有高温燃烧,就会产生 NOx,分布式发电大多布置在城市中,增加了城市中 NOx的排放量,使环保状况变坏,城市中过多的 CCHP还会产生热岛效应,
使城市气温升高。
分布式燃气冷热电联供系统的其他缺点包括:
1.国内缺乏生产小型、微型燃气轮机的能力,靠进口成本高。
2.自备发电系统的上网未予标准和规范。有电压调整、谐波污染、破坏继电保护和短路电流、铁磁谐振、控制调节与可靠性等一系列并网问题有待解决。
3.冷热电联供系统主要针对单一用户,而这种负荷随环境温度剧烈变化,与传统大电网、大热网相比,不存在“同时使用系数”,供需间的缓冲余地明显降低。因此与传统热力系统相比,冷热电联供系统经常处于非设计工况运行模式,其全工况的特性相对设计工况就更加重要和有意义。
4.有可能出现运营商为尽早收回投资而利用优惠政策大量单纯发电的现象。
这样反而违背了投建 DES/CCHP的初衷。
1.3 分布式燃气冷热电三联供系统的应用现状燃气冷热电三联供系统对用户的用能特点有一定要求,因此在一定的适用场合才能保证其技术合理性和及经济合理性。作为分布式能源发展的一个重要方向,
在国内外都已有了不少实际应用,并且发展潜力很大。
1.3.1 适用领域及场合根据国内外已实施的三联供系统情况和工程实践,认为 CCHP要求的用能特点为:天然气供应充足,用电、用冷负荷都非常集中。夏季以空调制冷为主、伴有部分蒸汽和生活热水需求,供冷时间长,单位面积负荷大,同时冬季供暖时间较长。应用对象组织性强,机构统一,便于集中控制和管理。特别是气电价比低的地区采用 CCHP经济效益极好。
在工业园区和城市商业(住宅)区可发展 50~ 100MW 左右规模的 DES/
CCHP ;而在一些单独的商业建筑或工厂可以建立数百到数千 kW 的 DES/
CCHP。国际能源署也建议与美、欧、日目前的 DES不同,中国必须发展 50
MW 左右的 DES/CCHP,作为天然气下游高效利用的重要途径。典型的应用场合有:
1.用于人口稠密的城市商业中心、住宅小区、酒店商厦、快餐店、医院等需要洗澡和生活热水、除湿热源的场合。机场、大学、机关等公用事业单位。这些单位用电、用冷负荷都非常集中,便于集中控制和管理。分布式能源站夏季以集中供冷为主,供冷时间长,单位面积负荷大,冷负荷主要为内部负荷,伴有部分蒸汽和生活热水需求,空调能耗季节性较强。冬季供暖时间也长,商业中心电价高,采用分布式能源站经济效益极好。
2.用于原有的区域小型柴油机和燃气轮机站的改造、小锅炉煤改气改造。如果用户原有柴油发电机,只要进行改造,就能满足使用天然气作为燃料的要求。
还可用于现有的城区内工业燃煤热电联供机组的替代。
3.用于有冷热负荷要求的工业园区,工业用户装机容量约是民用的 4倍,潜力极大。
炼油和石油化学工业是天然气最大的工业市场。中国炼油量近期 3~4亿吨 /
年,沿海和油气田附近的炼油厂部分替代烧掉的重油和炼厂气中可用的乙烯和制氢原料,约需 1500~2000万吨 /年天然气;并可使能源效率大大提高。建材、
食品、造纸、冶金等过程工业和工业园区,特别是在沿海地区不可能再继续烧煤的工业,都有类似的潜力,因为天然气总是比燃料油价格低。电子、家电、
轻工等离散制造业工业园区也有一定需求。
4.用于集合、庆典、运动会等须保证供电安全的场合(固定或车载),以及医院、银行等须保证供电安全的单位。
5.新开发的城区和房地产小区。出于能源结构调整的要求,新开发的城镇过程不应当走烧煤污染或低效率单烧液化天然气的老路,也不应当采用分体式空调或窗式空调。
1.3.2 已建和筹建项目一、国际上一些国家的 DES/CCHP发展情况美国至 2000年商业 CCHP达 980座,共 4.9GW;工业 CCHP达 1016座,共
45.5GW。 2003年 DES/CCHP装机容量 56GW,占总电力的 7%;发电量 310
亿千瓦时,占总电量的 9%。计划 2010年 达 92GW,占总电力的 14%; 2020年达 187GW,占总电力的 29%;
日本至 2003年 CCHP装机 6.5GW,其中建筑项目 1.43GW。荷兰至 1998年
CCHP装机 7GW,占总电力的 48.2%。英国 2000年 4.76GW,计划到 2010年发展至 10GW。
二、我国的已建及在建 CCHP项目北京已建及在建 CCHP项目:北京中关村国际商贸城一期(在建),中国科技促进大厦(在建),北京市燃气集团监控中心(已建成投用),北京次渠门站综合楼项目(已建成投用),奥运能源展示中心(在建),中关村软件园软件广场(在建),清华文津国际公寓能源站(在建),宝能热力公司三联供项目
(在建),培新业务楼三联供项目(在建),水利医院三联供项目(在建),
中关村国际生命医疗园(筹建)等。
上海已建及在建 CCHP项目:黄埔中心医院(已建成),浦东国际机场
(已建成投用),上海交大软件大楼(已建成投用),上海淑雅良子健康中心(已建成投用),闵行中心医院(已建成投用),上海理工大学(已建成投用),上海天座大酒店(已建成投用)。上海计划到 2010年装机量达
300MW,2020年装机量达 1GW。
广州已建及在建 CCHP项目:广州大学城(已建成投用),广东东莞鞋厂
(已建成投用),广东铝业集团(已建成投用),广东某药业集团(在建)
等。
其他地区已建及在建 CCHP项目:武汉王家墩中央商务区首期工程(已建成投用),杭州赞成宾馆(已建成投用)等。
表 1-1是目前我国部分已建成 DES/CCHP项目技术指标。
1.3.3 中的问题与对策目前中国发展燃气冷热电联供分布式能源尚存在一些障碍和问题需要解决:
1.政府要合理制定天然气与电力的比价,鼓励使用清洁能源,制定适合节能机制的税务、价格、补贴等优惠政策;对 DES实行鼓励税收政策,实行项目优惠贷款和进口设备关税、增值税减免政策;通过优惠税收政策和补贴支持对燃气取暖和制冷技术的开发;提供银行贷款担保或由国家开发银行提供低息贷款; DES项目给予优先立项权。
2.要研制高性能的冷热电联供装置。对于发电装置,主要是完善传统技术,发展新技术,研制新型的、低噪声、高效率的发电装置。对于制冷装置,主要是改进制冷循环系统的性能。
3.分布式供能系统和低压电网的并网运行,既有技术问题,也有现有法规方面的障碍。要研究分布式冷热电联供系统并入电网的技术措施和经济措施,并制定有利于建筑冷热电联供系统发展的政策法规。
4.分布式供能系统的社会化服务程度低下。冷热电联供装置要比电力空调、电锅炉等复杂得多,要建立有资质,有技术和有诚信的分布式能源系统的专业服务公司,可以承担设计、施工、运行、维护。
5.主机及其他设备的国产化。目前,设备大多靠进口,价格贵 1 倍以上。气价居高不下,影响到业主投资和运行成本偏高,业主投资不容易下得了决心。
为了降低投资,设备的国产化是重要环节。正在开始的国产化进程必须加快。
6.分布式供能系统大多燃用天然气,其气源的局限性较大。这种局限性包括供气管路系统、供气压力和流量能否满足系统需要。天然气公司应带头支持或投资 DES项目,包括给予 DES用气与大型电站同价,气量保证稳定供应,供气压力保证干管供气,大型燃气轮机 DES 2 Mpa以上。
1.3.4 现有的政策支持自 1998 年起施行的,能源法,中第三十九条明确国家鼓励发展热电联供、集中供热,提高热电机组的利用率,发展热能梯级利用技术,热、电、冷联供技术和热、电、煤气三联供技术,提高热能综合利用率。把对一种技术、
一种生产方式的鼓励以法律形式明确下来的做法,是不多见的。可见,国家对热电联供及由之进一步发展的相关通用节能技术的重视。国家有关部门和各级地方政府积极、发展热、电、冷联供技术并以政府财政补贴、融资支持等经济政策支持相结合使之落到实处。
为促进上海市实现能源的综合利用,优化能源供应结构,推进循环经济和资源节约型城市的建设,根据上海市发展和改革委员会沪发改能源( 2004)
019号,关于印发燃气空调和分布式供能系统协调推进工作会议纪要的通知,,
上海市建设和管理委员会沪建( 2005) 54号文的精神,在上海市科学技术委员会支持下,上海市电力公司会同有关单位组成了规程编制组,制定了,分布式供能系统工程技术规程,,已于 2005年 8月 1日起正式实施。
上海市鼓励分布式供能的政策支持还有:
2004~2007年,单机规模在 1万千瓦以下的燃气分布式供能系统项目的设备投资补贴:每千瓦装机容量补贴人民币 700元。
建设分布式供能系统的进口自用设备,除国家规定不能免税的设备外,经批准可予免征关税和进口环节增值税。
对燃气分布式供能系统用户实行季节性差异气价,气价可能下调 15%左右。
总体气价全年平均的降幅大概在 1%左右。气价的差异主要有两个原则,首先是淡季、旺季有差异,而另外一个原则就是用气量越大价格越低,设备的运行时间越长,价格越低。
对于列入合同能源管理示范项目的单位,市财政部门根据上报的计划给予一部分专项补助。对于列入市技改项目的可在进口设备的关税和上交的所得税中最高可享受固定资产投资总额 40%,为期五年的退税优惠。
根据上海市政局编制的,上海市燃气空调、分布式燃气热电联供系统发展规划,,远期规划到 2020年,燃气空调和分布式热电联供的装机容量分别达到 600
万千瓦和 60万千瓦。其中燃气空调占中央空调比例达到 20%;天然气用气量分别达到 58亿立方米和 88亿立方米,约占天然气总用气量 150亿的 10%左右。折合电力负荷 220万千瓦,约占城市电力总需求量 3100万千瓦的 7%。
2 分布式燃气冷热电三联供系统的节能效益与集中式发电远程送电比较,DES/CCHP可以大大提高能源利用效率。传统的大型发电厂的发电效率一般为 35%~ 55%;扣除厂用电和线损率,终端的利用效率只能达到 30%~ 47%。而 DES/CCHP系统把发电排放的热能,通过供热或转换后供冷,实现能源的多级利用,能源利用率可达 85%,没有或仅有很低的输电损耗和输热(冷)损失;而传统的输配电路损耗高达 10%左右。
2.1 从能源质的角度力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象上的应用,它揭示了能量在量上的特性,热力学第二定律涉及能量传递的方向和深度的问题,是能量在质上的特性。所谓能的质量是指能的品位或能的可用性。能量在其传递或转换过程中,品质是逐渐降低的,即能量贬值。
2.2.1 系统经济佣效率计算传统热力装置能源利用性能评价准则 〔 多为总能利用效率,又称为第一定律效率,其表达式如下:
第一定律效率 =(电力输出+热能输出十冷能输出)/(消耗燃料量 x燃料热值)
然而根据热力学第二定律,热与功并不等价,将它们相提并论常常会误导系统设计优化。拥概念的提出使我们有可能将功与热合理地合并到一个综合评价指标中,
即拥效率。与第一定律效率相比,功与热因各自不同的品位得到了区别对待,拥效率评价准则显然更加科学。
第二定律效率=(电力输出+热佣输出+冷拥输出)/(消耗燃料量 x燃料拥)
经济拥效率=(电力输出十热能输出 xB+冷能输出 xC)/(消耗燃料量 x燃料热值)
式中系数 B为热、电售价之比,而 C则为冷、电售价比。
经济佣效率的优点在于它与国民经济的收益密切相联系,通过由价格最后反映出来的功与热的贡献(价值)不同及生产难易不同,从而能够较好地反映出热力装置的能源利用优劣。另外,与热力学上的效率还有一定的联系,有学术上的意义。当然,经济佣效率应用成功与否,与电/热/冷三者之间的售价比确定是否合理有很大关系。由于目前尚未形成成熟的冷、热价标准,上述系数的确定应从实际情况出发,根据实际生活中社会对三者的需求性与价值观选择。
2.1.2 DES/CCHP的梯级用能中国建筑物能源需求的特点是暖通空调、热水供应、电气、炊事各占用能的比例为 65%,15%,14%,6%,其中 80%属于低品位能量,目前多半采用燃料和电力,“高质低用”,属于浪费。天然气用来烧水做饭,虽说是一种非常理想的清洁燃料,但就其热量利用效率来说是极其不合算的。利用天然气产生的高温烟气来加热热水,达到 80至 100℃,从热力学第二定律计算可知其利用效率极低。
作为民用燃料又不得不使用。作为工业燃料直接烧锅炉,将大量热能浪费在烟气中,更是极不经济的做法。所有的能量一旦从高品位到低品位了,很难再回收回来,这就是能源在质量意义上的浪费。
充分利用燃料的火用值不但是节能的关键,也是节钱的关键。例如需要用
450~5000℃ 的高温气体加热原料的陶瓷厂就是一个突出的例子,此时若前置燃气轮机而以其排气代替直接燃烧天然气供应高温气体,则天然气的超高温段
( 1200~5000℃ )的焓值就可以 100%用来发电。这是一个高位焓值不用白不用的例子。
天然气作为能源利用的最高效率是电热冷三联供。从热力学第一定律来说,
它的节能新世纪娱乐平台路线就是能把能量吃光榨尽。从热力学第二定律的角度来说,它充分的利用了高品质的能量,同样在能量质的角度起到了节能效果。
燃气冷热电联供系统根据“温度对口、梯级利用”的原则,尽可能按照需求提供各子系统的输入:高品位热能( > 450 ℃ ) 优先用于动力系统发电;中品位的热能(温度约在 170~ 450℃ )用于对口的中低温区域的热力循环系统;低品位的热能(温度一般低于 170℃ )用于低温区域的热力循环系统提供吸收式低温热量的过程。将燃气发电、供冷、供热有机结合,梯级利用一次能源,其能源利用率将会比各种形式的热电联供高。
天然气在燃气轮机里就有 30~40%的能量转化为电能,一次转化的效率就高于一般火电厂的锅炉蒸汽轮机机组的效率。再加上排出高温烟气产生的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机发电,使能量利用率达到 60%以上。剩余的能量还可以用来制冷,产生热水,用于各种不同能级的用户,系统能量梯级充分利用,使能量利用率达到 80%以上的最高境界。这便是天然气电热冷三联供的供能价格比烧煤还有竞争力的根本原因。
2.2 从能源量的角度从能源使用总量的角度考虑,冷热电三联供系统综合能源利用率高,节约了总的能源使用量,只要设计运行合理,在包括供冷期、供热期在内的整个运行区间内均有较大的节能效益。同时,节能是一个相对的概念,要科学、客观地对待各种指标。
2.2.1 DES/CCHP的节能效果评价节能的基本分析方法是热平衡法,这是建立在热力学第一定律基础上的能量分析方法,主要考察系统热量的平衡关系,揭示能在数量上的转换和利用情况,从而确定系统的能利用率或能效率(热效率)。
一次能源转换成电能的比重已经成为世界各国经济发展水平、能源使用效率的高低和环境保护好坏的一个重要标志。为提高总能利用效率,在生产高品位的电能(即将其他能转换为电能) 的同时,采用冷热电联供( CCHP)的方式实施能源梯级利用,向用户供电的同时供应热和冷,这是实现节能的有效方式。
评价燃气冷热电联供系统是否节能,可以采用在供热期或供冷期,按供应相同热量、冷量和电量的状况下,冷热电联供方式相对于冷热分产(以燃气锅炉供热、电制冷机供冷)的一次能量节约率即节能率来进行评价,当节能率为
( +) 值时是节能的,( — )值时则不节能。节能率应按供热期、供冷期分别进行计算。
供热期的节能率 Xc 的计算式如下:
2.2.2 供热期的节能效果目前我国的电力生产仍以煤电为主,但各地区因发电厂的规模、机组的不同,
其电网的发电厂发电效率会有一定的差异,一些城市的燃气 — 蒸汽联合循环发电机组投入发电后,在这些电网的上网电力的电厂发电效率将会发生变化,但是以煤电为主的状况短期内不会改变,以北京为例,即使建造或规划中的燃气 — 蒸汽联合循环发电厂投入运行,大部分电力仍是从内蒙、山西、河北等地供应。进行 DES/CCHP 系统的供热期、供冷期的节能率计算时,不能只用某一特定的发电装置的发电效率进行比较,而应采用电网发电效率为 40 %~ 55 %进行比较,
40 %是国内燃煤发电厂较好的发电效率,而 55 %为燃气 -蒸汽联合循环发电装置的发电效率。
图 2-1为供热期的不同电网发电效率的变化,CCHP 系统按燃机 + 余热吸收式制冷机配置时的节能率( Xc) 变化曲线(曲线绘制时已计入电网输配效率 0,
9)。图中曲线 1是按燃机采用内燃机时总效率( ηt =ηe +ηh )为 82 %,其中发电效率 ηe= 40 %、供热效率 ηh = 42 %计算绘制;曲线 2 是按燃机采用燃气轮发电机时总效率为 78 %,其中 ηe=30 %,ηh = 48 %计算绘制。从图 2-1可见,供热期采用 CCHP 方式都是节能的,其节能率为:采用内燃机时为 0,21~ 0,36 ;
采用燃气轮机时为 0,12~ 0,24。
图 2-1 供热期的节能率
2.2.3 供冷期的节能效果一、在不同发电效率时的比较。
图 2-2为供冷期的不同电网发电效率变化时 CCHP 系统的节能率的变化曲线。从图 2-2的变化曲线可见:在 CCHP系统采用燃气轮机( ηt = 78 %)时,
只有当电网的发电效率小于 46%时,供冷期才是节能的,当电网的发电效率为
40%时,供冷期节能率约为 0.13(见曲线 1);但采用内燃机( ηt = 82 %)时,
供冷期都是节能的,节能率约为 0.01~ 0.28 (见曲线 2)。
图 2-2 供冷期的节能率二、制冷机配置方式不同时的节能率在 CCHP 系统设备的优化配置中,至关重要的是电动压缩式制冷机和余热吸收制冷机的制冷能力的合理配置。图 3为假设供冷期的供冷量为 1.0时,按电制冷机制冷量 /余热吸收式制冷机制冷量分别为 1.0/0.0~ 0.0/1.0时供冷期节能率变化曲线。图 2-3的节能率变化曲线是以电网的发电效率为 55 %、输配效率为 0,9和电制冷机的 COPe = 5、余热吸收式制冷机 COPa = 1.2 进行计算绘制。
曲线 1,2 与图 2-2的条件相同。从图 2-3可见:采用内燃机的 CCHP 系统在供冷期都是节能的,其节能率为 0.01~ 0.65(见曲线 1);而采用燃气轮机时若余热吸收式制冷机制冷量小于等于约 92 %时,供冷期是节能的,其节能率为
0.04~ 0.62,余热吸收式制冷机冷量大于 92 %后是不节能的(见曲线 2),因此,在 CCHP 系统中均应合理配置一定数量的电制冷机。当配置电制冷机供冷量大于 50%后,节能率均在 0.4 以上,这种工况是 CCHP 系统为充分利用燃机余热应该做到的制冷机配置的比例。
图 2-3 供冷期不同制冷机配置方式的节能率
2.2.4 冷热电联供的总热效率根据 2000 年原国家四部委的 1268 号文下达的,关于发展热电联供的规定,
中的要求,“应以热电联供的总热效率界定其联供项目是否合格,对供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联供应符合总热效率年平均大于
45 %。”
该规定中热电联供的总热效率采用下式计算:
上列计算式中,分子是能量品位不等的二次能量,电能是高品位能,可以
100 %转换为热能,而热能不可能 100%转换为电能,因此总热效率实质上只是代表一次能源的利用状况或燃料利用率。冷热电联供的总热效率计算时,由于采用了燃机余热制冷和电制冷机制冷等类型的复合制冷方式,联供既对“联供系统”外供电,在电网谷段也可能从电网购进电能,为了进行各种供冷、供热、
供电方式的能量消耗比较,拟将对“联供系统”外供电的电量和从电网购进的电量带入总热效率计算时均折算为一次能源耗量计算。表 2是以北京某公共建筑群为例进行不同供冷、供热方式技术方案的 CCHP 的总热效率测算,其中供电网的发电效率均采用 46%测算。该建筑群的总建筑面积约 70× 104m2,包括写字楼、商用建筑、博物馆、宾馆等,测算按 4个供冷、供热的技术方案进行:
方案( 1):燃气轮机 + 余热锅炉 + 蒸汽型吸收制冷机 + 电制冷 + 冰蓄冷 + 燃气锅炉;
方案( 2):燃气轮机 + 余热直燃机 + 电制冷 +冰蓄冷 + 燃气锅炉;
方案( 3):方案( 1) + 热泵;
方案( 4):燃气轮机 + 余热直燃机 + 直燃机供热、供冷。
表 2-1 某公共建筑群采用不同 CCHP 方案的总热效率测算从表 2-1可见,总热效率最高为方案( 3),总热效率为 94.8 %;最低为方案
( 4),总热效率为 79.5 %;年能源费最高为方案( 4),全年能源费为 670万元;
最低为方案( 3),全年能源费为 465万元。从分析研究、测算燃气冷热电联供的节能率、总热效率的变化表明:采用 CCHP 在冬季供热期是节能的;在夏季供冷期,只要采用燃机余热制冷和电制冷机制冷的复合供冷系统,节能效果十分明显。
2.3 与燃气空调的对比燃气空调具有一系列优点:采用天然气作为能源,基本不用电,因而可以大大缓解日益增长的用电压力。研究表明,性能系数为 1.35的高效直燃机与性能系数为 5.8的离心机、性能系数为 5.1的螺杆机、性能系数为 3.0的热泵机比较,直燃机的耗电量仅为离心机的 16%,螺杆机的巧%,热泵机的 9.7%。大量采用燃气直燃型吸收式空调代替各种电空调,将有效的降低夏季的高峰用电负荷,从而缩小电力峰谷差。
高效燃气空调也是节能的空调。评价空调机的能效,不仅应该在标准额定工况下比较,还必须在实际运行中比较,要充分考虑年季节运行特性和部分负荷运行特性。
燃气空调的最大优点是在部分负荷条件下,其运行制冷系数基本保持不变,或反而有所提高。机械压缩式空调在部分负荷下则表现为明显的制冷系数衰减。因而对实际空调系统能效的运行分析应该建立在季节能效比 SEER的基础上。
以天然气为燃料的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组既可以制冷,又可以供热。如果在高压发生器上再加一个热水换热器,就可以同时提供生活用热水,达到一机三用和省电的目的。但这种直燃型冷热水机组与水冷离心式和螺杆冷水机组相比,一次能耗大,制冷效率低,而且不适用于热负荷大,生活热水用量大的建筑物。
燃气轮机具有污染物排放量低、容量范围宽、机械效率高、排气温度高等优点,
已成为建筑冷热电联供系统供电的主力。与燃气吸收式空调相比,燃气轮机驱动空调即使在不回收余热的前提下,其制冷的能源利用率也比燃气吸收式空调高 30%~
100%,克服了燃气吸收式空调节电不节能的缺点。由于夏季气温很高,导致燃气轮机的功率严重不足,效率降低。因此,通过吸收式冷温水机利用燃气轮机的排气制冷来冷却燃气轮机的进口燃气和空气,可以大大提高燃气轮机的功率和效率,目前已被证明是非常有效的节能方式。同时往往由于冷热机组部分也是吸收式机组,因此具有一般燃气空调的大部分优点。
3 分布式燃气冷热电三联供系统的技术经济评价从长远看,分布式供能系统有巨大的经济优势,但是,能源利用率高这一优势还未必能转化为经济优势。有可能是能量利用率上升了,而财务却亏空了。在目前的市场价格环境下,分布式供能获取利润的关键在于正确的设计和正确的运营,因此,对其进行技术经济分析显得较为重要。
技术经济学是研究技术与经济的相互关系的学科。它通过技术比较、经济分析和效果评价,寻求技术与经济的最佳结合,确定技术先进与经济合理的最优经济状态。即把技术与经济结合起来进行研究,以选择最佳技术方案。
3.1 投资项目的技术分析冷热电,三联供”与热电分产相比的节能条件计算式如下:
Q
Q
h
c
EE C O P
C O P
]1[
式中,αE ——— 三联供系统发电效率;
ηE ——— 常规发电装置发电效率;
λ——— 吸收式制冷系统需要的热量 QC与燃气轮机余热量 Q‘的比值。
λ= QC/Q'
COP——— 吸收式制冷系统能效比;
COPC——— 电动压缩式制冷系统能效比;
αh ——— 三联供系统供热效率;
ηQ——— 热电分产供热效率;
αQ ——— 三联供系统余热率。
当上列不等式成立时冷热电,三联供”与热电分产相比才是节能的。该公式对方案的设计和合理配置机组具有一定的指导作用。
要使,三联供”系统获得较好节能经济性是有条件的,对于冷、热、电不同的,三联供”系统,选取合适的系统方案设置、设备配置才能有节能效果,且有较大的节能空间,合理配置机组是成功与否的关键。因此,系统设计时就必须按各建筑物逐时电负荷、冷负荷、蒸汽热负荷的测算,得到的负荷曲线并将它们分别叠加。根据负荷情况设计运行方案,包括系统方案设置、选择合适的热、电、
冷比例,选择合适的机型配置或采用补燃技术以进一步提高燃料利用率(提高约
10%)及增加蒸汽产量,或结合采用水蓄冷技术将电能移峰填谷并延长机组运行时间等。
3.2 投资项目的经济性分析冷热电三联供系统投资要从企业的经济利益角度进行综合分析,以保证企业能获得必要的投资回报,因此必须从设施的整个生命周期的投资费用、能源费用、
运行管理、设备维修、投资回报等方面做出分析。
3.2.1 设备的投资预算项目的设备投资主要在于燃机、吸收式制冷机组和余热锅炉等。燃气轮机需要从国外进口,燃气轮机进口税率按 30 %计算,如果业主是中外合资企业则可以申请免税。燃气轮机的报价一般包括控制系统和天然气 /柴油双燃料系统。燃机生产的电力可以直接与用户 380V供电系统连接,并在客户端进行调频调峰,设备现场无须人员值守。
吸收式制冷机组的设备报价本身包括辅助燃烧系统、控制系统等,控制系统可以与燃气轮机匹配衔接,实现无人值守。
各分布式系统的建设期均考虑在 1年内完成,大型的燃气一蒸汽联合循环则考虑在 3年内完成,比较附合实际情况。在进行投资运算时,所取的生产期,还贷年限,折旧年限,摊销年限等对各种系统均应相同,以满足可比性。
3.2.2 系统的收益分析对于业主而言,系统在建成投产以后主要有两方面的经济收益:即电收益和冷热收益。
首先,项目投资的第一项收益是所节约的电费。由于我国商业和非普通工业用电的价格构成比较复杂,为了便于计算与分析,可按平均电价 0.65元 /
kWh 进行计算,也可采用运行时当地各时段电价的加权值进行计算。项目的设备发电效率按照当地的平均条件进行考虑,计算过程中不考虑其它的衰减因素。
其次,项目投资的第二项收益是冷热收益。为了方便对各系统进行对比分析,以系统生产冷热的最大成本作为方案比较的冷热参考价格。如按热值计算法,在天然气燃料的价格基础上考虑余热锅炉补燃后的热利用效率。同时,还需要支付水处理费等。
发电供冷成本加上一定的资金回报和负债回报构成上网电价及供冷价。或者说,当发电成本一定时,为了满足内部收益率、投资回收率、贷款偿还率等经济评价指标的要求,必然对应有一个最低的上网电价及供冷价。这里提及的上网电价只是进行天然气发电经济性分析的概念,并不等于电厂真实售电价。
3.2.3 系统成本支出费用的分析冷热电三联供系统建成投产后,系统成本一般是由总投资的折旧成本、运行和维护成本、燃料成本三部分组成。当项目竣工后,前两部分成本基本确定,变化因素较少,不妨称之为固定成本。一般地,燃气轮机联合循环建设比投资低,
自动化程度高,劳动定员少,因此与常规燃煤电站相比,系统成本中固定成本部分所占比例减小,一般占 35 %~ 55 %。
由系统配置可知,在系统消耗的燃料种类中,天然气占了绝对的比重。除燃气轮机消耗的燃料外,烟气直燃机和余热锅的补燃也需要大量的燃料,所以燃用天然气产生的费用是系统最大的成本支出,燃料成本比例一般占 45%~ 65%。出于计算模型的简单化,可只考虑设备本身所消耗的天然气量而未按照系统运行时燃料消耗的实际情况进行计算;由于燃料成本所占份额较高,系统的运行经济性将很大程度上取决于天然气价格。
因此,设法降低天然气价格对减少燃气轮机联合循环发电成本至关重要。考虑到燃气轮机热、电、冷联供项目的社会经济效益和环保效益,如减少大气污染,
提高能源利用率等,由政府给予优惠的燃气价格和提供政策扶持帮助,对其目的成功是相当重要的。
运行维修费中水费,运行材料费,修理费工资福利费等四项,均按照各自情况取。
3.2.4 系统的财务经济指标投资项目财务方面要进行现金流量分析,现金流量是指企业在投资项目所引起的现金支出和现金收入的数量,现金流量的分析是投资项目经济分析的基础。
投资项目经济分析主要指标及方法:
1.投资回收期
( 1)静态投资回收期:当不考虑时间价值时,动力设备的基准投资回收期。
PB= K(原始投资) /M(年现金净流量)
( 2)动态投资回收期:项目实际运行中的收入支出具有时间价值,计入贷款利率计算。
式中,M为每年等额年收益(税后利润); K为建成投产时投资总额; io— 基准社会折现率或银行贷款的平均年利率。
2,净现值( NPV)
投资项目的收益总现值与原始投资额的差额。净现值用下列计算公式:
KiFN P V n
t t
t?
1 0 )1(
式中,n ——— 年限; Ft ——— 项目第 t年现金流量;
i0——— 资金利率; K ——— 项目原始投资。
3,内部收益率( IRR)
内部收益率是投资项目本身的投资报酬率,指项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率。内部收益率反映了工程项目对投资支出的恢复能力;其值越高,方案的经济性越好。当内部收益率大于基准收益率时,
项目是可以接受的。它是评价投资项目的重要财务指标。
内部收益率计算公式:
其中 Mt为年净收益(万元),n为使用年限。
从上列计算公式可显示出,要使,三联供”系统获得较好的经济效益,必须从系统的设计、运行管理上提高设备的负荷率,提高设备的投运率,必须加强设备管理提高维护保养水平,降低设备生命周期成本,提高投资回收率,实现经济效益的最大化。
项目其他重要的经济指标见表 3-1。
3.2.5 计算数据的选取对于资金数据的计算。建设投资是参考了国内已建工程而设定的。贷款与资本金的比例按常规 70%,30%分摊。固定资产形成率统一按 96%计列。固定资产中电
/热分摊比对大型热电厂通常取 75%,25%,这里为了使余热利用部分投资不至于超过热电分产时燃气锅炉的投资太多,暂取电/热分摊比为 85%,15%。固定资产残值率统一按 10%计列。流动资金中自有资金占 30%。
对于财务数据。利率和基准收益率均按当前标准采用。期望收益率统一取 10%。税务数据均按国家现行规定执行。
对于价格数据。电网售电价一项是为分布式系统与全电网进行经济比较而列的,
如按上海目前情况,电价分峰时,平时,谷时三段,分别为 0.889元 /kWh( 8h),
0.632元 /kWh( 8h),0.294元 /kWh( 8h),电网售电价应按分布式系统在各时段运转时间加权平均计得。为了尽量提高分布式系统的经济性,我们考虑它们仅运行于峰、平时段,这样电网加权平均售电价可达 0.7284元 /kWh。
需要说明的是各种不同分布式系统其余热的形式和品位是不同的。如果其被利用的用户要求的品位也不同的话,这些余热就要按不同的品位按质论价,
但若终端用户要求的热量品位都相同,那么就可以以终端品位来统一计价,例如占冷热负荷绝大多数的空调系统负荷就是这样计算的。
由于采用以热定电的原则,年利用小时数对供电和供热都一样。额定每小时供热量按各种机组额定参数计算,但不同类型机组可供利用的余热的品位是不同的,应将它们按火用值统一折算到基准状态才具可比性,或按高质高价,
低质低价的原则调整其热价。
3.3 项目的经济性影响因素及敏感性分析年利用小时,燃料价格,供热热价,电价,单位造价等是影响分布式燃气冷热电三联供系统经济性的重要因素,这些因素中的某个因素在其它因素为基本值的前提下超过或低于一定的临界值后才是在经济上可行的。这些临界值可以用来界定分布式系统的经济性,进行项目的运营盈亏平衡分析。
3.3.1 天然气价格的影响燃料费在 DES/CCHP年运行成本中占有相当大的比例,最高的达到 78%,最低的也有 44 %。因此天然气价格的波动将直接影响到系统的年运行成本。图 3-1
为典型情况下天然气价格波动对不同 DES/CCHP 系统投资回收期的影响。从图中可以看出,各种 DES/CCHP系统的投资回收期都随天然气价格的升高而增加,
微燃机和内燃机变化情况基本一致,而小型燃气轮机的投资回收期随天然气价格的增加,增加幅度较慢,当天然气价格从 1.0元 /Nm3增加到 1.5元 / Nm3时,其投资回收期从 3.02 a增加到 9.96a,远低于微燃机的从 3.84a增加到 15.55 a和内燃机的从 4.21 a 增加到 15.54 a.。
图 3-1 天然气价格对投资回收期的影响
3.3.2 电价与热价的影响提高电价与热价会增加系统投资收益,提高系统的运行经济性,发电效率越高的系统,其年收入中的供电收入所占的比例也越大,因此电价的影响比热价更大。图 3-2为典型情况下电价对不同系统投资回收期的影响,当电价从 0.5元 /
kWh增加到 1.0元 / kWh 时,微燃机和内燃机投资回收期均大幅下降,微燃机从
9.66a降到 1.79a,内燃机从 10a 降到 1.71a,小型燃气轮机投资回收期的变化相对较小,从 5.64a降到 1.48a。图 3-3为典型情况下热价对不同系统投资回收期的影响,由于内燃机的联供供热量小于为微燃机的,因此,热价对其的影响也小,
当热价从 20元 / GJ 增加到 45元 / GJ时,内燃机投资回收期从 17.23 a降到 9.05a,
微燃机的投资回收期则从 19.71a降到 8.87a,下降幅度大于内燃机,这是由于微燃机联供供热量较大,热价提高,有利于供热收入的增加,同时小燃机的投资回收期也下降。
图 3-2 电价对不同系统投资回收期的影响 图 3-3 热价对不同系统投资回收期的影响
3.3.3 年供热天数的影响供热天数越长,供热负荷越大,系统的能源利用率也就越高,这也是
DES/CCHP系统优势之所在。只有供热负荷充足,系统才能获得可观的热收入。
图 3-4所示为典型情况下 3种 DES/CCHP系统投资回收期随供热天数的变化而变化的曲线,随着供热天数的增加,从 94d 增加到 135d,微燃机及内燃机系统投资回收期减少约 4a。
由于价格因素往往随市场变动,很难人为规定,因此尽量提高设备的利用时间就变得非常重要。这一方面要求有一个稳定的热(冷)负荷,另一方面设备容量也不能定得太大,总之应使设备的年利用小时数为极大。
图 3-4 年供热天数对投资回收期的影响
3.3.4 敏感性分析为了能对这几种影响因素(天然气价格、热价、电价)有一个更直观的认识,假定在考虑一个因素变化时其它参数保持不变,并且其中每一个因素均以 10%的幅度递增。图 3-5 ( a)~( c)分别为典型情况下微燃机、内燃机、
小型机 DES/CCHP 系统投资回收期随天然气价格、热价、电价的变化而变化的曲线图。从图中可以看出,对于微燃机系统,天然气价格的影响最大,天然气价格提高 50%,系统投资回收期从 3.79a增长到 21a,电价增长 50%,系统投资回收期从 16.71a降到 2.83a。对于燃气内燃机系统,电价的影响最大,
其次是天然气价格,电价提高 50%,系统投资回收期从 24.41a降到 2.91a,气价增长 50%,系统投资回收期从 4.21a增长到 20.85a。小型燃机受天然气价格影响较大,气价增长 50%,投资回收期从 3.3a增长到 10.56 a。热价对于每一种系统的影响相对都比较平缓。
微型燃气轮机 DES/CCHP系统燃气内燃机 DES/CCHP系统
DES/CCHP系统投资回收期关系曲线
4 分布式燃气冷热电三联供系统的设备优化选型分布式燃气冷热电三联供系统是否具有经济性,是否能起到节能效果,最重要的就是在系统设计和设备选型阶段要考虑全面,设计规划科学、合理,
特别是在建筑的冷热电负荷确定和三联供系统构成模式两方面。
4.1 DES/CCHP的基本设计方法分布式燃气冷热电三联供系统设计和优化的主要原则是要求能适应各种运行模式和运行工况,并尽量提高系统的能源综合利用率,保证系统运行的经济性。
4.1.1 设计的原则与要求
DES/CCHP系统在系统设置、负荷匹配合理的情况下,冷热电联供系统的优越性才能真正体现出来。根据国内外分布式冷热电联供系统应用的经验,
设计时必须注意的问题为:
1.严格按设计流程先进行方案设计;
2.准确预测冷热电负荷及负荷变化规律;
3.根据负荷规律合理确定运行方式;
4.合理选择发电机组类型和容量;
5.最终优化设计冷热电系统。
DES/CCHP系统设计通常依据下述原则:一种是以电定冷(热),即根据建筑配电负荷来确定发电机功率,根据发电机尾气余热来配套制冷和制热设备,这种方式注重了余热回收效率,再考虑楼宇冷热负荷要求;另一种方式是以热(冷)定电,即根据建筑的冷热负荷确定发电机功率。由于项目对能源的需求主要是电力、采暖、制冷和生活热水,其中热力和制冷一般是无法得到外部支持的,而电力可以依靠电网补充,所以在燃气发电装置的选择上,主要依照“以热(冷) 定电”的原则,这样可以兼顾余热利用效率和楼宇能源负荷,综合性能好。
4.1.2 主要设计流程
1.根据建筑种类和建筑规模确定冷、热、电的需求量及日、月负荷规律。
2.确定三联供系统冷热点供应量,提供选型依据。
3.确定动力系统发电机种类、发电容量、发电效率。
4.确定系统余热利用量及方式。
5.设定余热系统运行参数。
6.设定冷热电联供系统运行参数。
7.确定系统运行方式。
8.确定技术及经济指标。包括年发电量、年余热量、年燃料消耗量、余热利用量、余热利用率、系统总效率等。
9.与其他供能方式的技术经济指标进行比较,看是否满足要求。
10.若满足要求,则最终确定系统方案,准备进入施工阶段。若不满足要求,
则重新进行机组的选型,调整技术经济指标,直至满足要求为止
4.1.3 对环境影响最小冷热电联供是环保型能源供应系统,天然气燃烧设备的排放指标本来就很小,
再加上一些低氮处理技术,可使氮氧化物的排放值降得很低。但发电机噪声和振动的危害应在系统设计时合理解决。
4.1.4 发电机组优化配置宁小勿大当建筑物的冷热电负荷预测有难度时,应本着宁小勿大的原则确定发电机发电能力和余热利用能力,电力不足部分由市电补充,热、冷不足部分由直燃机或锅炉 + 吸收式制冷机补充,以保证三联供系统的经济性。以避免出现由于设备选择过大、系统长期低效运行的不利情况。
4.1.5发电系统稳定供电与市电并网冷热电联供系统的稳定经济运行取决于发电机与市电的并网运行,对于 >
100 kW的发电机应争取与市电并网,以提高供电的稳定性、连续性和系统运行的经济性。从发电机设备看,发电机的控制系统能够保证发电电压、频率与并联在一起的市电侧完全相同,且不对市电构成危害,市电侧及发电机侧均可采取措施保证相互的安全。
4.1.6 冷热电负荷的准确预测冷热电负荷的目标是:根据建筑类型、使用规律、建筑围护结构、窗墙比、
当地气象条件等预测冬季热负荷和夏季冷负荷月日规律及其峰谷值;分析建筑物各种用电负荷的特点,分别预测电负荷在冬季、夏季和过渡季的月日规律以及峰谷值;详细分析冷热电负荷在一年四季的匹配规律,以便确定合理的发电机容量及系统的运行方式。
冷热电负荷的预测有三种基本的方法,在实际计算时可根据具体条件选择使用:
第一种方法是根据现有的建筑规范和建筑物特征,通过对建筑的各组成元素如建筑围护结构(墙体、屋面、门窗)的传热系数、体形系数、窗墙比、遮阳,以及采暖、空调、照明设备最小能效指标等规定计算出一个限值。
第二种方法是在现有建筑的改造项目中,可根据历史记录的负荷数据,进行进一步的数据分析与计算,采用一定的计算模型对当前建筑负荷的需求量进行估计和预测。以上两种方法计算()方法明确,客观,能够比较广泛地从各个侧面反映了建筑的综合能耗性能,而且可以方便的转化为经济指标,直接与建筑运行的成本相关联,比较容易被接受和运用。
第三种方法是使用计算机专业软件对建筑及其能耗系统进行模拟,这是建筑能耗系统效率评价和建筑节能标准规范一致性评估的一种有效方法,针对性好,
计算精度高。但以此为基础的众多评价工具(评价软件),大多是针对建筑师或暖通设备工程师等专业人员设计,建筑的实际使用者或者业主、物业管理等不具备建筑能源系统相关专业知识的人员,则无法通过这种方式对自己的房屋能耗状况有一个基本的了解。这种方法和第一种方法适合在建筑的设计初期使用,使用期中可与第二种方法得到的数据进行比较修正。
需要指出的是,不同的项目对冷热的要求是不一样的,所以在对具体项目进行设计时,应按照实际情况进行参数的选取,不能一味的求大,否则由于输配管道的冷热水热量损失和沿程阻力的增大等诸多因素影响,将使系统失去合理性。
4.2 DES/CCHP的系统构成模式选择典型分布式燃气冷热电三联供系统一般包括:动力系统和发电机(供电)、
余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。针对不同的用户需求,系统方案的可选择范围很大,在系统构成方式和各设备选型时应全面考虑。
4.2.1 不同动力系统的模式选择目前可用于三联供系统的动力发电设备类型很多,常用的主流类型是小型燃气轮机、内燃机和微燃机,除此之外还有燃料电池,应根据用户具体条件选择。
燃气轮机是比较成熟的技术,冷热电联供系统所使用的容量从几百 kW 到
50MW,其特点是废气余热回收为蒸汽;振动小,没有必要设置特殊的防振设施; 可选用气体燃料或液态燃料,采用水喷射、蒸汽喷射、预混合稀薄燃烧等低 NOx 燃烧技术;废气用氨、尿素脱硫;发电效率低、余热量大;排气温度高,余热容易回收;罩外噪声小;不用冷却水或需少量冷却水;输出功率受环境温度影响,运动部件较少,维修工作量小,维修费用较低。
内燃机也是成熟的技术,冷热电联供系统中内燃机的负荷通常在 5MW以下,
其特点是初投资很低,容易起动,采取适当的维护可以获得较高的可靠性,变工况性能良好。冷却水余热回收为热水;振动大,需要设置防振设施;采用稀薄燃烧;废气用三元催化处理; 发电效率高,余热利用复杂;裸机噪声大;输出功率的变化小;发电机功率范围广;可选生产厂家多,需要定期维护,因而维护费用较高。与燃气轮机不同,内燃机的余热回收包括缸套水和烟气余热回收两部分,
较小的机组可以提供热水,而较大的可以提供低压蒸汽。
微型燃气轮机叶片很小,为了获得较好的空气动力学性能,多使用单级离心压气机和单级向心透平,冷热电联供系统所使用的微型燃气轮机的功率在
30kW~ 300kW之间。微燃机的特点是废气余热回收为热水;运动部件少,重量轻,振动小,没有必要设置特殊的防振设施;输出功率受环境温度影响;罩外噪声小; 100 kW以下可切网运行。另外,小叶片的冷却问题使透平进口温度受到限制,使目前的微型燃气轮机简单循环的效率很难超过 20 %,带回热器的可以接近 30 %。发电效率低、发电功率小。
燃料电池有很多种,目前正在发展的主要有熔融碳酸盐( MCFC)、固体氧化物 ( SOFC) 和质子交换膜燃料电池( PEMFC)。其中 MCFC 的排气温度在
650℃ 左右,SOFC 的排气温度在 1000℃ 左右,属于高温燃料电池,比较适合用于冷热电联供系统。由于技术、价格原因,目前在冷热电联供系统中的应用尚处于起步研发阶段,价格昂贵,对燃料的要求很高,技术不够成熟,容量较小,要达到商业化运行还需要一段时间。但随着燃料电池技术的不断成熟和发展,燃料电池在未来的冷热电联供系统中有着广阔前景。
表 4-1为微型燃气轮机、内燃机、小型燃气轮机、燃料电池 CCHP 系统初投资、
运行维护费、发电效率、热电联供效率的比较。从表中可以看出,微型燃气轮机作为一种新兴技术,在设备成本方面相对较高,这主要是由于目前微型燃气轮机中使用的高效回热器、高速发电机、电子控制等部件的成本还比较昂贵,它的发电效率低于内燃机,但其运行维护费用要比内燃机低得多,燃气内燃机发电效率较高,但其运行维护费用也很高,这将导致其发电成本的上升,小型燃气轮机投资少、运行维护费低、效率高、供热品质高,是 CCHP 系统的极佳选择,但小型燃气轮机一般容量不小于 1MW,适合于稍大规模的设施,如工厂、大型公用建筑、社区等,在小规模设施如楼宇、宾馆、乃至个人用户等的分布式 CHP系统的应用中,主要将是微型燃气轮机和燃气内燃机的竞争。燃料电池系统在发电效率上具有很明显的优势,
同时其运行维护费用也处于较低的水平,是一种高效、高可靠性的系统,但其每
kW的系统造价远远高出其它设备的 CCHP 系统造价,昂贵的成本是阻碍其进入市场应用实现商业化的最主要因素。
表 4-1 冷热电联供不同动力系统模式的比较微型燃气轮机系统虽然在初投资上略高于燃气内燃机系统,但前者的投资回收期却要小于后者,这主要是因为其年运行成本中的运行维护费低,不到燃气内燃机系统的一半;同时系统的供热量大,供热收入高。而燃气内燃机系统的发电效率较高,调节能力强,但其自身供热量有限,需要解决其供热能力与发电量匹配的问题,
它可以与微型燃气轮机配合使用,
动力发电设备类型和容量的合理选择应遵循的原则:
1.若发电机与市电并网运行,则应根据基本用电负荷初选发电机组容量;若发电机与市电切网运行,则应根据全部或部分高峰用电负荷选择发电机组容量。
2.如果联供系统对电力需求较多,或经常处于低负荷运行时应优先考虑内燃机。
内燃机的缸套水温度和排气温度较低,而燃气轮机的排气温度较高且流量较大,如果用户的热量需求较大且对热量的要求较高时,燃气轮机具有很大的优势。
3.根据确定的发电机容量选择发电机类型。若单台发电机容量 ≥1 000 kW,可选择燃气轮机或内燃机;若单台发电机容量 < 1 000 kW,可选择内燃机;若单台发电机容量 < 200 kW,可选择微燃机。
4.根据初选的发电机容量和冷、热负荷情况,重新核定发电机类型和容量,尽量多地利用发电的余热,冷热尖峰负荷部分应补燃解决。根据冷热负荷衡量余热利用率后再次确定发电机组容量。
5.由于不同类型的发电机进气压力要求不同,因此还应根据建筑物所在地的燃气供应压力确定发电机类型。若建筑物附近有高压燃气管道,则可直接选用燃气轮机或微燃机,而不必加压或少加压;若建筑物附近仅有中压燃气管道,则可选用燃气内燃机。
对于具体工程,不同动力系统的模式选择经济性还需要视其具体条件如单机容量、发电效率、余热利用程度、价格高低、运行条件以及天然气供应条件等作具体分析,才能得出相应的结论,这是三联供系统设计最关键的环节之一,在方案考虑和选择时应慎重。
4.2.2 不同余热设备的模式选择燃气轮机和微燃机可利用余热的形式主要是烟气;内燃机可利用余热的形式除烟气外,还有大量冷却水。
余热利用设备的基本形式可归纳为两类:第一类是燃气在燃机发电后高温烟气进入余热吸收式制冷机(余热直燃机) 夏季制冷、冬季得到热水供热。因为省掉了余热锅炉及相关系统,系统比较简单。但受到制冷设备自身的限制,溴化锂机组的排烟温度较高,通常在 170~ 200℃ 。为了提高能源利用率,可在溴化锂机组的后面增加一级换热器,进一步回收烟气中的余热,但这将增加设备的成本。
其中,双效烟气直燃机完全利用燃气轮机排气作为制冷热源,制冷和供热完全不需要燃料,从而大幅度的提高了能源利用率。但是,系统本身也存在一些制约因素,即发电和制冷供热必须同步。如果只需要电的时候,那么燃机的排气没有被利用;不需要电的时候,空调就没有了热源。补燃型烟气直燃机利用燃气轮机的排气制冷和制热,不仅可以大幅度节能,还可以利用天然气独立提供冷或热,适用于大型建筑和区域空调系统。主要优点是,在正常发电的情况下,制冷、制热不需要能源,少发电或不发电时也可以提供冷和热。可根据冷负荷、热负荷的变化,在夏季供冷期和冬季供热期可采用燃气补燃增加供冷量、供热量;但是该系统的投资成本和保养费用较高。
第二类是燃气在燃机发电后高温烟气进入余热锅炉或余热直燃机,余热锅炉产生的蒸汽可由吸收式制冷机制冷或直接供热;夏季供冷期以电制冷机增加供冷量满足峰段需要;冬季以燃气锅炉补充供热量满足峰段需要。因存在独立的锅炉系统,需要水处理设备,投资成本相对较大;但蒸汽的利用相对容易,蓄热也较方便,这种形式目前较广泛的被使用。
由余热锅炉 — 双效蒸汽型机组成的系统是一个传统的解决方案,适合于蒸汽需求量比较大、蒸汽品质要求比较高的项目,适于已经购买蒸汽锅炉和蒸汽溴化锂吸收式空调机组的单位进行冷热电联供改造。余热锅炉已经是一种技术非常成熟的产品,不仅能够充分利用各种废热,还可能采用补燃,增加供热能力,提高供热灵活性。但是系统中可能还需要一台小型蒸汽锅炉来提供冬季、夏季燃气轮机不运行时段的采暖、制冷对蒸汽的需求以及安全备用。系统比较复杂,运行维护成本高,又由于增加了压力容器,所以安全要求也比较高。
图 4-1为燃机 + 余热直燃机(补燃型)的流程示意图;图 4-2为燃机 +余热锅炉 +蒸汽吸收式制冷 +电制冷机 +燃气锅炉的流程示意图。
图 4-1 燃气轮机 + 余热直燃机(补燃型) 流程示意图图 4-2 燃气轮机 +余热锅炉 +蒸汽 LiBr制冷 +电制冷 +燃气锅炉流程示意图
4.2.3 制冷与供热方式的选择冷热电联供系统中的制冷系统主要分为压缩式和吸收式两种:压缩式制冷机组消耗电力或由动力系统直接提供动力,经轴传递给压缩机制冷;吸收式制冷机组耗费低品位热能达到制冷的目的,动力系统的余热被回收,然后用于驱动吸收式制冷系统对外供冷。压缩式制冷通过机械能的分配,可以调节电量和冷量的比例;吸收式制冷根据对热量和冷量的需求进行调节和优化。最常见的吸收式制冷系统为溴化锂制冷机组和氨制冷机组。
溴化锂吸收式制冷机在冷热电联供系统中的应用:由于溴化锂溶液中水是制冷剂,溴化锂为吸收剂,只能制取 0℃ 以上的冷水,一般常用在空调系统中作为冷源,制取冷冻水,供回水温度为 7/12℃ 。由于单效溴化锂制冷机的热力系数 ε为
0.6,双效 ε为 1.2,直燃式 ε为 1.6,对于相同的供热效率 η,它们的一次能源利用率 PER高低的顺序为:单效 <双效 <直燃式。单效溴化锂机组和双效机组相比,双效溴化锂制冷机的一次能源利用率更高,所以空调系统的冷源优先选用双效溴化锂吸收式制冷机,供汽压力在 0.4~ 0.7 MPa 之间。
氨吸收式制冷机在冷热电联供系统中的应用:氨吸收式制冷机是以氨为制冷剂,水为吸收剂,蒸发温度可以达到 0 ℃,可获得 0 ℃ 以下的制冷温度,当热源温度不超过 150 ℃ 时,最低蒸发温度可达 -30℃ 。多级氨水吸收式制冷机的蒸发温度最低可达 -55~ -60 ℃,因此用户也可以选用氨吸收式制冷机制取 0℃ 以下的冷量为工业冷用户供冷。氨吸收式制冷系统主要由发生器、精流塔、回流冷凝器、
回热器、节流阀、蒸发器、吸收器、溶液热交换器和溶液泵等组成。
冷热电联供系统中,供热系统提供的热量主要或全部来自动力系统的高温排气:通常使用余热锅炉或热交换器回收动力系统排气中的热量;也可以使用吸收式机组中的热交换设备回收热量,此时吸收式设备起换热器的作用。热水由循环水泵驱动在热网中循环,不断将热量输送至各用户,用于供暖或提供生活热水。
另外,冷热电三联供并不局限于余热采暖或吸收制冷,燃气轮机或直供电驱动的压缩制冷有时更为经济。从根本上说,各种原动机与各种制冷、供热方式(包括热泵等) 形成的各种组合,都是“三联供”系统。但只有那些最充分考虑具体情况、组合最优的,才有最好的经济效益和最高的能源利用效率。
5 分布式燃气冷热电三联供系统的运行与调节分布式燃气热电冷三联供系统进入实际运行阶段后,就要制定合适的运行策略,考虑运行时间、部分负荷工况效率、管网控制参数等因素,在保证满足负荷要求的情况下,以最优方式进行运行,以使系统具有最好的经济性。
5.1 系统的运行时间每一个项目都有自身的内部需求以及需求规律,因此设备利用时间也有所不同。由于燃气轮机年利用周期是一个对项目进行经济评价的关键因素,所以在对项目进行热经济性分析之前,需要确定设备在采暖期、制冷期和非采暖制冷期的实际运行时间。
大多数分布式冷热电三联供系统的上网电价均大于电网峰、平时段加权平均售电价,为了使系统在经济上可行就要设法提高利用小时,或者提高热价。
年利用小时要超过 4000h对于大型燃机联合循环或带有工艺性热负荷的小用户还有可能,而对于以空调为主的小用户来说就很困难,特别是一天只运行于峰平时段的 16h要达到年利用小时 4000h就更困难,何况年利用小时是基于机组的额定工况而言的,4000h相当于 250d每天运行 16h(峰、平时段),天天每时每刻运行于额定负荷事实上是不可能的。
要提高燃机联供系统经济性就要增加运行小时数。由于市电在夜间低谷时段的电价低于燃机联供系统的能源成本电价,夜间运行时支出将大于成本,毛利是减少、亏损的。但若考虑了管理及投资,实际电价比市电高峰、平时、低谷三者的加权平均电价还要便宜。
因此,若不考虑已投入的管理及投资费用,夜间电价低谷时不能运行;若从实际成本出发,则可以运行,这有利于早日收回投资。机组夜间运行后,运行小时数增加使管理及投资分摊费用降低,这样用所增加利润去弥补夜间运行时能源成本高于市电低谷电价而带来的亏损。
如果谷时段也运行,就最好采用蓄能热/冷技术,使机组在谷时段蓄热/冷,
峰时段则除机组满发外以蓄热/冷部分补足,这样既可减小机组容量,又可大大提高机组的利用时间。当然这个蓄能措施要视客观条件而定,不是都能办得到的。
冷热电三系统全日制连续运行,可减少每日起停的设备寿命损耗,避免机组起动过程可能发生故障。特别是像上一节中提到的,当系统中设计了蓄热
(冷)资源时,则完全可以考虑机组的夜间运行。
5.2 系统的部分负荷工况运行在实际运行使用过程中,分布式燃气冷热电三联供系统并不是一直都处于高能效状态,低负荷运行时效率降低,负荷低到一定程度甚至造成一些类型的发电机无法运行,当发电量减少时,压气机的耗功不会等比例减少,使燃气轮机自身的功耗增加,所以此时能源的利用效率将下降。由于发电量减少,燃气轮机天然气的供应量也相应减少,燃气轮机的排烟量随之减少、排烟温度也随之降低,因此进入溴化锂吸收式制冷机的烟气量减少,带入的热量也减少,不能使余热发生器内的溴化锂溶液充分加热发生,溴化锂吸收式制冷机的制冷量减少。发电量越少,燃气轮机的排烟量和排烟温度下降得越多,溴化锂吸收式制冷机的制冷量也就下降得越多。
当发电量在燃气轮机设计发电量 50%以下时,能源利用效率的下降趋势增大;发电量在燃气轮机设计发电量 50%以上时,变化的趋势相对缓和。若冷热电三联供系统的发电量长期处在低负荷状况下工作,其高能效优势就不能体现,
因此,在冷热电三联供系统的设计时不仅要考虑在最大负荷时的能效,更重要的是要考虑常年主要负荷区域段的能效。
比较适合的做法是,根据建筑物冷热电负荷规律及数量和发电机组的最低运行负荷,确定过渡季是否运行、不同情况下的运行机组等。在建设冷热电三联供系统时,为防止能源利用效率下降过大,系统的最小发电量应控制在最大发电量的 50%以上。冬季和夏季机组满负荷持续运行,通过减少补燃来解决机组供热和制冷调峰问题。在春秋非采暖制冷期,始终保持机组 50%
出力运行,解决建筑对热水等用热的需求;同时,电力不足部分由电网供给。
依靠软件技术对已经建成的分布式能源系统进行运营管理和控制是目前比较理想的技术。当气候条件、其他人为条件造成冷、热负荷变化,或者电、
天然气以及其他能源价格发生改变时,运营软件都能使这个系统始终在高效率下运行。这样,系统即使在需求状况突然发生变化时,也能够得到很好的控制,并在付出最小的经济代价下,满足舒适度和其他方面的需求。这方面的软件极需要在发展中去加快开发和完善。
5.3 系统运行与调节的其他问题在分布式燃气冷热电三联供系统的日常运行与调节管理控制方面,还存在与市电并网、供回水温度的调节等问题。
5.3.1 与市电并网问题根据建筑物冷热电负荷规律及数量,确定发电机是否与市电并网。一般情况下,冷热电联供系统发电机与市电并网运行所带来的优势很多,如:发电机可在额定功率下运行,发电效率高,系统经济性优,可利用的余热稳定,余热利用简便,建筑物供电稳定等。
发电机与市电并网运行是提高热、电、冷三联供系统综合效率的先决条件之一。冷热电三联供系统消耗的燃料一般为天然气,燃气成本相对较高,只有当其产生的电能及冷、热能大部分被利用时,热、电、冷二联供系统才能显现出良好的经济性:但在实际应用中,由于用电负荷的波动性,很难保证发电机连续满负荷独立运行。因此,发电机只带基本负荷,不足部分利用公共电网补充供电是热、电、冷三联供系统经济运行的需要。另外,发电机与市电并网运行可以提高用电系统的安全性,同时,又可以起到为市电削峰填谷的作用。
同时,当分布式供电系统与现有电网并网运行时,也会带来一些负面因素,使配电系统的控制和管理将更加复杂。如分布式电源易产生谐波,造成谐波污染。当其切换成孤岛方式运行时,如无储能元件或储能太小,则易使用户负荷发生电压闪变。由于分布式供电系统的电源是由用户根据其自身的需要随时启动和停运,使配电网和电压发生波动,同时导致配网负荷潮流变化较大,增加电压调整难度。
对此,一方面应尽快制定出分布式供电系统的上网规程,另一方面要研究并网后电网的控制和保护技术,相信这个问题会取得尽快的解决。
5.3.2 供回水温度对系统能耗的影响空调水系统的循环水泵用电约占空调系统总能耗的 15%~ 20%,通过对一些高层宾馆、办公楼空调水系统的调查表明,普遍存在着不合理的“大流量,小温差”问题,温差情况较好为 3℃ 左右,较差情况只有 1~ 1.5℃,循环水量达设计水量的 1.5倍。设计流量一般按最大负荷确定,空调系统一般经常性处于部分负荷状态下运行,相应地系统末端设备所需的冷水量也经常性地小于设计流量,而且设计负荷按冷指标往往加大选用,因此管网运行存在上述问题。同时,循环水泵的扬程一般按最不利环路阻力确定,其他支路少做平衡计算或在管路上采取平衡阀的措施,管路水力工况的不平衡,通常也靠加大流量来掩盖。水泵轴功率为流量与扬程的乘积,由于管道水流量与水泵轴功率成三次方关系,流量的增加,将带来耗电量的增大。例如,一幢建筑面积为 5万平方米空调水系统循环泵的电功率为 25~ 40kW之间,若系统循环水量提高 1.4倍,则水泵电功率提高 2.74倍,达 68.5~ 109.6kW,而且水泵运行在低效率区,增加了无效能耗。
区域供冷水管道若仍采用 5℃ 常规温差,则由于流量巨大,而输送电耗惊人,供回水应采用 10℃ 温差,最好采用双效蒸汽溴化锂制冷机与离心机的串联使用,溴化锂制冷机进出水温度为 14~ 9℃,离心机进出水温度为 9~
4℃,加大供回水的温差,减小管道流量。夜间利用廉价电,离心机转为蓄冰工况运行,白天熔冰释放部分冷量。
夏季具有冷负荷和生活热水负荷时,供回水温度对冷热电联供系统一次能耗也有很大的影响。实际运行的经验表明,对于给定的热负荷,热网泵耗取决于热网供回水温差。供回水温差越小,热网泵耗越大。一般地,生活热水所要求的热网供水温度比吸收式冷温水机低,冷热电联供将使生活热水的一次能耗增加。因此,相对生活热水负荷来讲,当供冷负荷较小时,不利于冷热电联供系统能耗的降低。为使冷热电联供系统的总能耗达到最低,热网供、回水温度应有最优值。
6 分布式燃气冷热电三联供技术的发展趋势目前,对于联供系统的研究主要集中于两个方面:一是对于组成系统的单台设备的性能研究,例如微型燃气轮机的压气机技术和变频技术、余热锅炉技术和余热型制冷技术等研究;另一方面,是对整个系统的综合性能的研究和优化,例如对于不同组成的联供系统进行的有效能分析以及热经济评价分析等。未来分布式燃气冷热电三联供技术的发展趋势,包括模拟仿真技术、
天然气发动机、热泵技术、蓄冷(热)模块的应用,以及采用新型联合循环等。
6.1 DES/CCHP的模拟仿真技术计算机模拟仿真技术是分布式能源系统的集成设计的要求,也是能源、
动力系统技术及经济性分析、研究以及技术培训的主要手段。
系统模拟仿真的目的是提高物理相似系统的研发效率和速度,使其能够充分真实地再现实际系统。要建立包括所有模块的系统综合集成模型,同时建立一个计算机平台并在其上开发出一个并行优化设计和辅助决策软件,以便能够针对不同的需求设计出最优的、柔性的分布式能源系统,使它在不同的条件下都能获得最大的能源效率和经济效益,而且分布式能源系统集成优化设计软件同建筑物节能优化设计的软件必须密切联系和相互集成。如果没有这样的系统综合技术,即使有先进的设备,建成的分布式能源系统也不可能有很好的经济效果。这方面的软件应该尽快地开发和成熟地运用。
数学建模中主要的仿真模型包括:微型燃气轮机的模拟计算模型;余热锅炉和直燃机的模拟计算模型;能源岛系统控制环节的数字模型;压气机和透平特性数字、模拟混合模型;启动方式混合模型以及阀门、给定系统、报警系统模型等。
在整个微燃机三联供系统中,微型燃气轮机的状态方程控制着所有的能量传递、质量传输和系统的运行状态,是反映系统动态过程和稳态运行的关键环节,
因此是最主要的模拟参量。余热锅炉和直燃机本身就是十分复杂的热动力系统,
对其进行详细的仿真是比较困难的,可对其应用集总参数模型进行处理。在燃气轮机系统以及由其构成的联供系统中,压气机和透平特性的准确性将直接决定模拟仿真结果的正确性。但是,通常压气机和透平的特性曲线都具有严重的非线性特性,而且存在强烈的多参数耦合关系,直接应用模拟计算技术难于建立这种关系。可采用数字和模拟两种方式建立二者的特性曲线关系,即应用数字计算机给出特性关系曲线,应用模拟计算给出增量方程形式的小扰动。
在整个分布式冷热电三联供系统中,存在很多控制环节,主要包括燃气轮机的转速控制系统、透平入口温度控制系统、直燃机和余热锅炉的负荷或温度控制系统、各种流量给定及其控制系统等。采用数字控制仿真可以很好地符合实际系统。以转速和燃料控制为例,对于微型燃气轮机来说,当合理地补偿回热器的滞后作用后,采用 PI(或 PID)控制能够得到很好的动态过渡品质。
除了上述的主要仿真内容以外,其他的辅助功能主要包括人口环境参数给定系统、部件效率设定功能、机组额定转速设定、燃料的设定、用户系统(电、热、
冷负荷调节等)设置、并网运行以及各种报警动作等等。
计算机模拟仿真技术可以实现不同系统方案的运行仿真和技术经济性比较,为设计、优化三联供系统提供部件匹配和参数匹配的指导,而且可以实现不同机组、
不同配置系统的运行仿真,达到不同运行工况的多目标预测的目的,为实际机组的设计和运行提供指导。
6.2 联合循环系统普通三联供方案在冷、热效率降低时需要相应地降低发电量,否则多余的热能无法充分利用,会降低整个系统的效率。由于系统的使用情况取决于冷、热负荷,而它们在一年中的变化很大,在某些时候里甚至没有冷、热需求,因此整个系统的使用率将受到影响。联合循环系统通过调节注入燃气轮机燃烧室的蒸汽量,
能够较好地适应冷、热负荷的变化,变工况性能较好。
一,STIG联合循环图 6-1 STIG 联合循环使用燃气轮机 +余热锅炉的系统在冷、热负荷需求不大的情况下,如果燃气轮机满负荷运行,余热锅炉将产生过量的过热蒸汽。将这些蒸汽通入燃气轮机的燃烧室,进入透平膨胀作功,这样可以增加发电量,同时增加在热、冷负荷较低时的热效率。这种方案在运行中优先满足热(冷) 负荷。在冷、热负荷为额定负荷时,全部蒸汽用于供热、制冷,没有蒸汽注入燃气轮机燃烧室,此时运行情况与普通方案相同。随着冷、热负荷的降低,越来越多的蒸汽注入燃气轮机燃烧室,也就成了注蒸汽燃气轮机循环。在整个热负荷变动范围内,燃气轮机进口温度基本可以保持不变,这对热效率有利。由于蒸汽注入燃烧室,
在一定程度上可以抑制 NOx 的生成。
二,HAT联合循环图 6-2 HAT联合循环本方案发电部分与 STIG联合循环方案相似,都是将蒸汽引入燃气轮机的燃烧室,为双工质联合循环,只是蒸汽产生的方式以及注入的位置不同。供热、制冷部分直接利用燃气轮机的排气提供驱动热能。使用饱和蒸发器代替余热锅炉,结构变得更加紧凑,同时水处理比较简单。由于有蒸汽注入燃气轮机,因此水的消耗将增加。
6.3 蓄冷(热)模块的应用蓄热、蓄冷技术是实现用电、用能负荷移峰填谷的重要方法之一,其与冷热电三联供系统的结合使用是未来的发展趋势之一。
蓄冷系统的工作新世纪娱乐平台路线是在电力负荷很低的夜间用电低谷期,采用电制冷机制冷,
将 冷量以冰的形式贮存起来,在电力负荷较高的白天,也就是用电高峰期,把储存的冷量释放出来,以满足建筑物空调负荷的需要,从而缓解空调系统的压力。
冰蓄冷系统的灵活性则表现在,很多写字楼在节假日通常都不提供中央空调服务,因为如果一个公司周末加班,可能只需要很少的冷量,而一旦启动中央空调,
一台主机的制冷能力又非常大,系统无法运行。而冰蓄冷系统的优势是可以人为随时开关,使人们既能享受空调又不花费大量电费,经济实用。
蒸汽驱动的吸收式制冷和电力制冷与冰蓄冷的联合运行,对区域供冷系统也是极为有利的,这是因为:供冷可靠性大;当电力和燃气价格有不一致的涨落时,对用户有锁定成本,风险分担的作用;实行峰谷电价及燃气费冬夏之分时,热、电、冷供应模块可灵活选择和调整运行,按照热、电、冷联供、自用电与发电上网(卖电)等不同方式,最大限度地减低供冷费用;
吸收式制冷与电制冷和冰蓄冷的串联配合使用,可加大空调冷冻水的温差,
使双效蒸汽溴化锂制冷机运行于效率高的区域。
目前冰蓄冷系统之所以还没有大规模普及起来,主要是因为峰谷电价政策优惠力度还不够,同时用户的投资费用有所增加。
在热量需求较大的情况下,为了防止电需求降低而废热量减少,可以使用备 用锅炉来补充所需的热量,在这种情况下也可以用蓄热装置将废热量较多时所产生的热量或冷量储存起来,到不够时用。
6.4 对低品位能源的利用常规的冷热电系统是将回收的热量直接提供给用户,这种方式系统比较简单,设备投资小。如果附近有合适的低温热源,比如说河流、湖泊,
或者是便于利用的太阳能、地热能等资源等,可以考虑让动力系统高温排气或者来自余热锅炉的蒸汽充当高温热源驱动吸收式热泵,从环境中获得一部分热量供给用户。采取热泵的方式可以大大提高能源的利用率,但这种方式对低温热源的要求较高,而且系统相对也比较复杂。必要时压缩式热泵也可以作为供热系统的一部分,直接供热给用户或作为吸收式热泵的低温热源。
同时,在“三北地区”冬季燃气使用高峰时段,三联供系统通过设置蓄热装置、各种类型热泵等措施,可减少燃气负荷。
7 结束语由于对输入燃料的能量进行了梯级利用,冷热电联供系统具有很强的节能优势,能源转换过程中的不可逆损失少,能源利用效率可以高达 70 %到 90 %。使用燃料量的减少以及采用低排放的技术,使系统的污染物排放大为降低,从而减轻了对环境的压力,同时产生多种能量输出,可以有效应对用户的特殊需求。并且因余热供冷供热与发电共同分摊能源成本,从而降低了使用成本。同时 DES/
CCHP发电在 10 kV 电压下就地直供,避免了升降压和远程传输设备的电力损失以及运营费用;依靠大电网的巨大容量保证用户的供电负荷、电压和频率的稳定并可作为事故备用电源。夏季采用吸收式制冷,减少了制冷高峰时对电网的压力,
同时增加了天然气的使用量,需求稳定,是天然气高效利用的一个极为重要的途径,也是天然气下游市场开发的一个重要渠道。系统资金密集度相对较低,建设快,因而容易上马。
综上所述,采用分布式供能系统是一条高效利用能源的好道路,是城市天然气利用的良好途径和城市能源建设的重要方面,可以缓解季节性电力短缺,改善生活环境。冷热电联供系统在很大程度上可以减轻我们所面临的问题。因此在规划、实施燃气发电装置时,应采取集中大型燃气发电厂的建设与分散在各类建筑或建筑群的燃气冷热电联供的分布式能源供应系统并举的政策。实行这种政策,既可减轻建设大型集中燃气发电厂的资金、环保和供水等方面的压力,又可提高城市能源供应,特别是电力供应的安全可靠度。而分布式供能系统需要政府的大力支持,包括在天然气和电的价格上给予倾斜。