分布式供能系統(tǒng)一次能源利用率影響因素

胡波

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院，廣州市510663)

0 引言

分布式供能系統(tǒng)是一種臨近用戶的發(fā)電并結(jié)合熱電(冷)聯(lián)供等應(yīng)用拓展的整體能量供應(yīng)系統(tǒng)，通過能量的“梯級利用”，能源利用效率大大提高。分布式供能系統(tǒng)可為終端用戶提供靈活、節(jié)能型的綜合能源服務(wù)，是新世紀電力工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向，其發(fā)展日益引起國內(nèi)外能源動力界的關(guān)注。分布式能源站在我國的應(yīng)用情況不是十分理想，主要原因是由于配置不當(dāng)、運行調(diào)節(jié)不優(yōu)化造成實際系統(tǒng)運行效率低，經(jīng)濟效益差。因此，分布式能源站能否在各種工況下高效運行是分布式供能系統(tǒng)推廣的難點和關(guān)鍵點［1-10］。本文以佛山供電局季華路大院3棟大樓為依托，建成一個具有代表性的高效天然氣冷、電聯(lián)供示范系統(tǒng)，以分析影響系統(tǒng)一次能源利用率的因素。

1 系統(tǒng)概況

示范工程包括送電大廈(簡稱綜合樓)、試驗研究所(簡稱試驗樓)和即將建成的禪城區(qū)供電局新大樓(簡稱新樓)，聯(lián)供系統(tǒng)為上述3座辦公樓提供冷、電供應(yīng)。課題指標:示范工程一次能源綜合利用效率大于75%;電熱比大于0.4。

燃氣輪機分布式冷電聯(lián)供示范系統(tǒng)選用了3×200 kW微型燃氣輪機發(fā)電機組、1臺煙氣雙效溴化鋰吸收式制冷機及相關(guān)輔助設(shè)備，3臺微型燃機的排煙合并在一起，送入煙氣溴化鋰制冷機制冷。在制冷機前端煙道上設(shè)置煙氣三通閥，煙氣三通閥主路接制冷機，旁路直接排大氣，通過調(diào)節(jié)三通閥開度，可以調(diào)節(jié)送入制冷機的煙氣量。

根據(jù)示范工程的總體技術(shù)方案，為了提高分布式冷電聯(lián)供系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟性，聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計容量不能滿足示范點最大電負荷和冷負荷峰值需求時，不足部分由外電補充。因此，3棟大樓內(nèi)均設(shè)有電空調(diào)系統(tǒng)，補充示范點的冷負荷需求。示范點同時與外電網(wǎng)連接，燃機電功率不足以滿足示范點電負荷需求時，由外電網(wǎng)補充供電。分布式供能示范系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微型燃機采用回?zé)崞?，提高了發(fā)電效率，但是排煙溫度較低。因此，要提高系統(tǒng)整體效率，需要采用低溫雙效煙氣機。示范系統(tǒng)中，低溫雙效煙氣機的額定制冷量為1 081 kW，制冷效率為1.33，與Capstone微型燃機搭配可以滿足電冷比和綜合利用效率的要求。

圖1 冷、電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Flow chart of combined cooling and power system

2 能源利用率試驗

2.1 首次試驗情況

滿負荷時制冷機的制冷量為582 kW，制冷效率為0.74，遠低于設(shè)計值1.33，系統(tǒng)綜合一次能源利用率在燃機修正后為68.43%。制冷機本體阻力2.4 kPa，遠遠超過制冷機設(shè)計阻力0.8 kPa。此時，燃機排煙背壓達2.5 kPa，已經(jīng)超過燃機廠要求的背壓限值2 kPa，將影響機組的安全運行。

2.2 第1次改造

針對制冷效率不達標，對制冷機進行了改造，在制冷機內(nèi)部增加了煙氣擾流片以增加換熱強度，并嘗試對冷卻塔進行加冰，降低冷卻水溫度。改造后，再次進行了制冷機性能測試，加冰前后的制冷量分別為631、649 kW，制冷效率分別為 0.84、0.86，仍遠低于設(shè)計值。試驗測得制冷機本體阻力達3.87 kPa，系統(tǒng)綜合一次能源利用率在燃機修正后為73.74%。

2.3 第2次改造

由于制冷機效率仍不達標，燃機出力和效率也達不到設(shè)計值，致使聯(lián)供系統(tǒng)綜合能源利用率達不到75%，再次進行了系統(tǒng)改造。在制冷機出口增設(shè)了1個尾部換熱器，以進一步利用余熱;并在制冷機后加裝了引風(fēng)機，以降低燃機出口背壓;在主機蒸發(fā)器水室增加冷水行程隔板，增大換熱面積;在煙氣側(cè)增加擾流片，提高換熱效率。

改造后，3臺燃機滿負荷時測得的制冷機本體阻力達4.8 kPa，燃機出口背壓已超過4 kPa，嚴重影響燃機安全運行。

2.4 第3次改造

針對燃機背壓太高，更換了功率更大的引風(fēng)機(額定功率達55 kW)，聯(lián)供系統(tǒng)制冷量達到843 kW，系統(tǒng)綜合一次能源利用率在燃機修正后為75.92%，電冷比0.57。但是燃機出口背壓為2.85 kPa，仍超過2 kPa，影響燃機的安全運行。

2.5 改造情況小結(jié)

改造前后聯(lián)供系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。由表1可知，煙氣背壓和制冷量不足是本項目不能達標的關(guān)鍵因素，即使改造后一次能源利用率達到了75%以上，但采用了引風(fēng)機，機組運行可靠性降低，不符合設(shè)計要求。

表1 改造前后主要參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main parameters before and after transformation

3 指標不合格原因分析

3.1 系統(tǒng)效率

溴化鋰吸收式制冷機組分為雙效和單效機組，其中雙效機組制冷效率為1.2～1.4，單效機組制冷效率為0.7～0.8。雙效機組對熱源要求較高，一般要求輸入煙氣溫度為400～500℃，高溫發(fā)生器溫度為130～150℃，對應(yīng)排氣溫度為150～160℃;而單效煙氣機組可應(yīng)用于煙氣溫度300℃及以下條件，發(fā)生器溫度為90～100℃，相對應(yīng)的排氣溫度為130℃左右。

就本項目而言，由于項目規(guī)模偏小，發(fā)電部分采用發(fā)電效率相對較高的微型燃氣機組，排煙溫度只有300℃，根據(jù)吸收式制冷機組的常規(guī)選型經(jīng)驗，只能采用單效機組，否則系統(tǒng)綜合效率將在60%以下，無法滿足制冷效率和一次能源利用率的要求。基于這種情況，提出了利用低溫?zé)煔膺M行雙效制冷的新機型，并從產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗、后期的技術(shù)升級等方面應(yīng)用了多項節(jié)能技術(shù)，使排氣溫度低于105℃，制冷效率達到1.3。

3.2 背壓

雙效非電空調(diào)高溫發(fā)生器運行溫度為130～150℃，排氣溫度為150～160℃，較高溫發(fā)生器常規(guī)高10～20℃。本項目高溫發(fā)生器運行溫度設(shè)計值為130～140℃，按常規(guī)設(shè)計，排氣溫度將達到150～160℃。為了提高煙氣回收利用效率，本項目采用了2項節(jié)能技術(shù)。

(1)在高溫發(fā)生器的煙管內(nèi)置入漸密式繞流片，高溫發(fā)生器溫度達到140℃時，排氣溫度僅比高溫發(fā)生器溫度高5℃，將煙氣熱量在高溫發(fā)生器內(nèi)用至極限。

(2)將高溫發(fā)生器排出的氣體引入高效的煙氣板交中，用于加熱高、低溫?zé)峤粨Q器出口的稀溶液，回收近40℃溫差的熱量，將排氣溫度降至100℃左右，達到設(shè)計目標，提高稀溶液進入低溫發(fā)生器溫度近12～15℃。

為了提高煙氣回收利用效率，煙氣經(jīng)過2次提升效率的換熱，雖然實現(xiàn)了煙氣熱量的高效利用，但增加了系統(tǒng)煙氣阻力?，F(xiàn)場測試，整個制冷機的阻力約2 340 Pa，比設(shè)計值高出1 540 Pa。

4 新改造方案

4.1 主機改造

更換制冷機，增加1組中溫?zé)崴l(fā)生器，增加主體和高溫發(fā)生器的換熱面積。改造后，300℃煙氣通過高溫發(fā)生器加熱高溫發(fā)生器溶液，煙氣降至130℃。煙氣再通過1級煙氣余熱回收板交加熱熱媒水，熱媒水進低溫發(fā)生器加熱低溫發(fā)生器溶液，煙氣溫度降至90℃。本改造方案通過提高煙氣利用范圍，提高系統(tǒng)效率，同時通過增大主體換熱面積，讓主體運行在部分負荷，從而利用煙氣機部分負荷時的制冷效率，提高制冷量。通過加大高溫發(fā)生器和煙氣板交截面積，將制冷機的煙氣壓力損失控制在1 200 Pa以內(nèi)。此外，通過加大冷卻水流量和控制冷卻水溫度可有效提高制冷出力，制冷量約949 kW。

與原方案相比，本改造方案增加了蒸發(fā)器的換熱面積(1.6倍)，增加了高溫發(fā)生器的換熱面積(1.7倍)，同時增加了溴化鋰溶液約3 t(1.3倍)。在減少背壓方面，高溫發(fā)生器尺寸加寬，管路縮短，并增加低阻力煙氣余熱回收板交，全部并聯(lián)安裝。在增加了高溫發(fā)生器的換熱面積后，其煙道長度并未增減，反而由于煙氣流速減慢，可減少高溫發(fā)生器設(shè)備阻力。

4.2 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)改造

(1)冷卻塔移位并擴容。冷卻塔在二層位于發(fā)電機附近，冷卻塔工作時吸入發(fā)電機的絕大部分散熱量，加之四周的女兒墻形成氣流回旋豎井，通風(fēng)散熱條件極差，影響冷卻水散熱效果。

(2)更換大流量冷卻水泵，提高機組制冷出力。泵參數(shù)為:流量468 m3/h，揚程20 m，功率45 kW。

(3)取消制冷機煙氣出口的引風(fēng)機，排煙煙囪復(fù)位。

(4)現(xiàn)有煙氣三通閥改為煙氣兩通閥，設(shè)置在煙氣旁路上，減少發(fā)電機至制冷主機之間的煙氣阻力。

5 改造效果

5.1 改造后阻力分析

(1)煙氣高溫發(fā)生器。特殊設(shè)計高溫發(fā)生器結(jié)構(gòu)，減短煙管長度，相應(yīng)增大煙道截面積，降低煙氣在高溫發(fā)生器內(nèi)流速，取消漸密式繞流片。采用特制煙氣高溫發(fā)生器可大幅降低高溫發(fā)生器煙氣阻力損失，根據(jù)實體試驗數(shù)據(jù)，可將高溫發(fā)生器的煙氣阻力損失控制在900 Pa以內(nèi)。

(2)煙氣板交。加大煙氣板交，采用4件B400煙氣板交并聯(lián)，安裝在高溫發(fā)生器出口，進一步回收排氣余熱，產(chǎn)生中溫?zé)崴訜岬蜏匕l(fā)生器溶液。加大煙氣板交截面積可大幅降低煙氣板交的煙氣阻力損失，根據(jù)實體模擬試驗數(shù)據(jù)，可將煙氣板交的煙氣阻力損失控制在300 Pa以內(nèi)。

(3)煙氣三通閥。將煙氣三通閥改為旁通閥調(diào)節(jié)方式，安裝在煙氣高溫發(fā)生器入口旁通煙道上，通過控制旁通量來調(diào)節(jié)制冷機的煙氣輸入量，跟蹤制冷機負荷調(diào)節(jié)。這樣煙氣三通閥不在制冷機煙氣主流道上，不會額外增加主流道的煙氣阻力。

通過以上措施，制冷機的煙氣阻力損失可以控制在1 200 Pa以內(nèi)。

5.2 改造后一次能源利用率分析

在煙氣量一定情況下，要提高制冷量，有2個途徑:

(1)提升煙氣利用效率，擴大煙氣利用溫差范圍，分2級回收煙氣熱量，降低機組排煙溫度，相應(yīng)制冷量可增加。煙氣通過煙氣高溫發(fā)生器換熱以后，140℃的煙氣再通過煙氣板交產(chǎn)生中溫?zé)崴?5/80℃，將煙氣溫度降至90℃以下，增大煙氣利用溫度范圍(回收利用溫差加大)。

(2)進一步提高制冷機制冷效率，采用加大主機型號和冷卻水流量方式，可提高制冷效率近10%，并增加相應(yīng)的制冷量。

提高整個系統(tǒng)能源利用效率最簡單途徑是提高煙氣在非電空調(diào)中制冷量，在現(xiàn)有系統(tǒng)中提高非電空調(diào)制冷量有3種方法:(1)提高制冷效率，內(nèi)部可以采取精確調(diào)整機組循環(huán)量和提高機組真空度來實現(xiàn)，外部可以采取降低冷卻水水溫來實現(xiàn)。(2)進一步降低排氣溫度，可以通過增設(shè)換熱器，在煙氣進非對稱板式換熱器前，加1個翅片式換熱器加熱高溫發(fā)生器稀溶液，提高高溫發(fā)生器熱輸入量，同時可提高機組效率和降低排氣溫度。(3)本項目設(shè)計高溫發(fā)生器運行溫度為130～140℃，引用了漸密式繞流片和非對稱板式熱交換器。高溫發(fā)生器的煙管內(nèi)置入漸密式繞流片，在高溫發(fā)生器溫度140℃時，排氣溫度僅比高溫發(fā)生器溫度高5℃左右，將煙氣在高溫發(fā)生器內(nèi)用至極限。將高溫發(fā)生器排出的氣體引入高效的非對稱板式熱交換器中用于加熱低溫?zé)峤粨Q器出口的稀溶液，回收近40℃溫差熱量，將排氣溫度降至100℃左右，達到設(shè)計目標，提高稀溶液進入低溫發(fā)生器溫度近12～15℃。煙氣經(jīng)過2次提升效率的換熱方式。

6 結(jié)論

分布式供能系統(tǒng)全年一次能源利用效率取決于:(1)主設(shè)備本體的效率;(2)煙氣尾部余熱利用程度;(3)設(shè)備負荷率和年運行時間。因此，在分布式能源機組選型和系統(tǒng)擬定中，為提高一次能源利用率，需盡量利用尾部余熱，降低排煙溫度。同時選擇效率高的設(shè)備，保持高負荷運行才能真正實現(xiàn)能源利用的最大化。

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