基于負(fù)荷分析的分布式能源站發(fā)電技術(shù)的選擇

黃潔 沈致和 吳亞平

1合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院

2安徽拓普能源科技管理股份有限公司

基于負(fù)荷分析的分布式能源站發(fā)電技術(shù)的選擇

黃潔1沈致和1吳亞平2

1合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院

2安徽拓普能源科技管理股份有限公司

通過對某大型工業(yè)園的冷、熱、電負(fù)荷的分析，選擇在分布式能源站中采用天然氣燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，為了更好地實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，在后置循環(huán)中選擇采用蒸汽輪機(jī)循環(huán)，形成了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行方案，介紹了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的特點(diǎn)，并簡述了天然氣燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)—蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)在冷熱電三聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)項目中應(yīng)用推廣前景。

分布式能源站負(fù)荷熱電比聯(lián)合循環(huán)

在分布式能源站中，系統(tǒng)設(shè)計選型的最基本的依據(jù)之一就是負(fù)荷計算。電、冷、熱負(fù)荷是選取發(fā)電裝置及其它配備設(shè)備、運(yùn)行調(diào)節(jié)、系統(tǒng)評價等方面的基礎(chǔ)資料。熱（冷）電比是負(fù)荷分析中的一個重要參數(shù)，一般根據(jù)用戶需求熱（冷）電比來選擇相應(yīng)的燃?xì)獍l(fā)電裝置類型和容量，使得系統(tǒng)設(shè)計的熱（冷）電比能夠與用戶需求一致，盡量避免補(bǔ)燃和余熱排空現(xiàn)象，從而獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益[1～2]。

1 某大型工業(yè)園的分布式能源系統(tǒng)

某大型工業(yè)園有三個工作廠區(qū)，分別為一、二、三廠區(qū)。工業(yè)園中生產(chǎn)設(shè)備以及輔助設(shè)備的數(shù)量繁多，一方面耗電量大；另一方面設(shè)備發(fā)熱量也很大，夏季須制取冷量進(jìn)行降溫，而非夏季設(shè)備的發(fā)熱量就能滿足工廠的熱負(fù)荷，則無需供暖；同時工業(yè)園對車間的濕度有嚴(yán)格的要求，則需對車間進(jìn)行加濕處理。

為創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、人性化的大型工業(yè)園，在空調(diào)冷熱源的選擇上，原設(shè)計考慮夏季采用電制冷冷水機(jī)組，非夏季加濕則用深井水作為加濕水源，且工業(yè)園所用的電均為市政電網(wǎng)供電。雖然其能源系統(tǒng)簡單可靠，但綜合考慮工業(yè)園對冷、熱（蒸汽加濕）、電的需求，且知分布式能源站是靠近用戶端直接向用戶提供各種形式能量的中小型終端供能系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源站的主要實(shí)現(xiàn)形式，冷熱電分布式能源站具有能源利用率高，污染物排放少，沒有輸變電損耗，可同時提供多種能量產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。那么為了節(jié)約能源，降低成本，建立冷熱電分布式能源站是最好選擇。

2 工業(yè)園的負(fù)荷情況

2.1 電負(fù)荷

工業(yè)園中的工作設(shè)備全年345天×24h不間斷運(yùn)行，電力負(fù)荷比較穩(wěn)定受時段的影響小。由統(tǒng)計結(jié)果顯示，工業(yè)園2009～2011年三年平均耗電量見表1。

由于該地區(qū)實(shí)施峰平谷電價政策，其分時電價情況見表2。

由表2的峰平谷電價情況制定節(jié)能經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案，即在峰段和平段工業(yè)園用電由分布式能源站供應(yīng)，在低谷期由市政供電，那么表1中峰段、平段以及照明用電才是分布式能源站用電負(fù)荷的分析對象，而照明負(fù)荷很小，在此先不考慮。

可知，非夏季的電價峰段平均電負(fù)荷= 28452600kWh/(255×8h)=13947.4kW；非夏季的電價平段平均電負(fù)荷=27417960kWh/(255×7h)=15360.2kW；夏季的電價峰段平均電負(fù)荷=10311228kWh/(90×8h)= 14321.2kW；夏季的電價平段平均電負(fù)荷= 9936276kWh/(90×7h)=15771.9kW。

由以上所得數(shù)據(jù)可知，該工業(yè)園的電負(fù)荷應(yīng)取最大平均電負(fù)荷，則為15771.9kW。

2.2 冷負(fù)荷

工業(yè)園內(nèi)工作人員是輪班制24h工作，工業(yè)園供應(yīng)冷量是全年90天×24h不間斷運(yùn)行。通過統(tǒng)計工業(yè)園2009～2011年三年各月的用冷數(shù)據(jù)，計算得出工業(yè)園三年各月平均空調(diào)冷凍用電結(jié)果見表3。

一般七、八月份是用冷典型月，根據(jù)電制冷機(jī)銘牌信息，且知電制冷機(jī)是2004年投入使用的，考慮到電制冷機(jī)COP的衰減，取電制冷機(jī)的COP值為3.8，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，分析得出：夏季制冷機(jī)平均電功率=夏季總用冷耗電量/夏季用冷小時數(shù)=10035480/(90×24) =4646.1kW；夏季平均冷負(fù)荷=夏季制冷機(jī)平均電功率×COP=4646.1×3.8=17655kW。

2.3 熱負(fù)荷

工業(yè)園由于其工藝的特殊性，對濕度控制很嚴(yán)格，一般要求相對濕度控制在65%～75%為佳。通過前述可知，工業(yè)園改造后是通過冷熱電分布式能源站提供各種形式的能量產(chǎn)品的，包括電、煙氣、蒸汽和中低溫?zé)崴龋诖耍瑢徔棌S房采取蒸汽加濕的方法。在非夏季對蒸汽的需求量大于夏季，非夏季蒸汽需求量為每小時8.41t，0.2MPa的飽和蒸汽，查表可知0.2MPa的飽和蒸汽焓值h''為2706.53kJ/kg，則熱負(fù)荷=8.41× 1000×2706.53/3600=6322.8kW。

2.4 負(fù)荷分析

由以上負(fù)荷計算結(jié)果，根據(jù)熱電比=(空調(diào)制冷+蒸汽加濕)能耗/電力能耗，可得非夏季峰段的熱電比為0.45，平段的熱電比為0.41，夏季峰段的熱電比為1.23，平段的熱電比為1.12。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率較高，一般在30%～45%之間，但熱電比小，在1左右；燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率一般在20%～38%，較內(nèi)燃機(jī)而言要低，但熱電比大，一般為2～3。根據(jù)文獻(xiàn)[3]關(guān)于不同的用戶負(fù)荷熱電比下系統(tǒng)的選擇上的研究可知，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)在各種熱電比范圍內(nèi)，一次能源利用效率均高于常規(guī)分供系統(tǒng)，而燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)供系統(tǒng)在熱電比低于0.6時，一次能源利用效率還不如常規(guī)分供系統(tǒng)；當(dāng)用戶負(fù)荷的平均熱電比在1.5～2.5范圍內(nèi)時燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的一次能源利用效率不相上下；熱電比低于這一范圍時，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能性占優(yōu)勢；熱電比高于這一范圍內(nèi)時，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性占優(yōu)勢。而該工業(yè)園的需求熱電比在0.41～1.23之間，根據(jù)上述結(jié)論，該工業(yè)園適合采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)。

3 設(shè)備的選型匹配和運(yùn)行方案的確定

3.1 發(fā)電裝置和其它配備設(shè)備的選型匹配流程

以熱（冷）定電一般適用于辦公和居住建筑等熱（冷）負(fù)荷大于電負(fù)荷的場合，應(yīng)優(yōu)先選用產(chǎn)熱量較大的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，系統(tǒng)并將發(fā)電機(jī)發(fā)出的一部分電驅(qū)動電制冷裝置，輔助提高系統(tǒng)產(chǎn)熱和制冷能力，優(yōu)化匹配電制冷和煙氣余熱吸收式溴化鋰機(jī)組，以滿足用冷、用熱負(fù)荷，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；以電定熱（冷）一般適用于廠房和數(shù)據(jù)中心等熱（冷）負(fù)荷小于電負(fù)荷的場合，應(yīng)該優(yōu)先采用發(fā)電效率較高的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電裝置，滿足用電需求，并考慮用其它配備設(shè)備向鄰近區(qū)域供冷、供暖，提高能源的利用率。通過上述分析可知，該工業(yè)園采取以電定熱（冷）的方式進(jìn)行配置。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和其它配備設(shè)備的選型匹配和優(yōu)化過程如圖1所示。

3.2 運(yùn)行方案

根據(jù)冷、熱、電負(fù)荷分析及以電定冷（熱）流程圖，首先確定裝機(jī)容量，由于電負(fù)荷大小是逐時變化的，發(fā)電負(fù)荷一般取平均用電負(fù)荷的75%左右比較合適，其余25%的電量由市網(wǎng)提供。

在本項目中，統(tǒng)計平均最大用電負(fù)荷采用夏季電價平段平均用電負(fù)荷15771.9kW，夏季制冷機(jī)平均電功率為4646.1kW，富余量取5%，則平均用電負(fù)荷= 155771.9-4646.1+(155771.9-4646.1)×5%=11682.1kW，裝機(jī)容量=平均用電負(fù)荷×75%=11682.1×75%= 8761.6kW。

故此選取8臺額定功率為1100kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，在長期運(yùn)行的情況下，其實(shí)際發(fā)電功率為1020kW，在非夏季有經(jīng)余熱鍋爐換熱產(chǎn)生大量的高溫高壓蒸汽產(chǎn)品，為了更好地實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源利用效率，在系統(tǒng)后置循環(huán)中加入發(fā)電功率為420kW的蒸汽輪機(jī)循環(huán)發(fā)電，從蒸汽輪機(jī)末端出來的低壓飽和蒸汽經(jīng)噴水后送到各廠房進(jìn)行加濕。

通過分析可知，上述運(yùn)行方案中夏季采用的是常規(guī)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)，非夏季則采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)聯(lián)供系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)是在現(xiàn)今普遍采用的大型以燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)為前置循環(huán)，蒸汽輪機(jī)循環(huán)為后置循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)基礎(chǔ)上并結(jié)合該工業(yè)園的負(fù)荷特點(diǎn)提出來的。

3.3 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)

針對該工業(yè)園地提出燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)，即以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)循環(huán)為前置循環(huán)，以蒸汽輪機(jī)循環(huán)為后置循環(huán)所組成的聯(lián)合循環(huán)的流程圖見圖2。

與常規(guī)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)（即內(nèi)燃機(jī)+煙氣型溴冷機(jī)+直燃性型溴冷機(jī)）相比，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的三聯(lián)供系統(tǒng)有以下特點(diǎn)[4]：

1）系統(tǒng)使用內(nèi)燃機(jī)將一次能源-燃料的化學(xué)能生成高溫?zé)煔獾臒崮埽雌焚|(zhì)分別轉(zhuǎn)化為二次能源-電能和經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽熱能，蒸汽進(jìn)入背壓式蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，從汽輪機(jī)中抽取的低壓蒸汽用于紡織工業(yè)園的加濕，實(shí)現(xiàn)了對一次能源（天然氣）合理的梯級利用，提高了一次能源的利用率，減少了污染物的排放。如該工業(yè)園的能源站內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，其額定工況下的發(fā)電效率為36.8%，而內(nèi)燃機(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)后的發(fā)電效率約為51%，熱效率為25.9%，總效率為76.9%。

2）當(dāng)冷熱負(fù)荷波動大時，與常規(guī)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)相比，天然氣燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)調(diào)節(jié)性能更強(qiáng)，運(yùn)作更靈活，能源利用更充分。對于常規(guī)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)聯(lián)供系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入吸收式制冷機(jī)，冬季用于供暖，夏季用于制冷，煙氣熱量若有多余則排空，此時會出現(xiàn)能源的浪費(fèi)；若不足，則由制冷機(jī)直燃天然氣來彌補(bǔ)，此時一次能源的利用率不高。而對于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)三聯(lián)供系統(tǒng)，蒸汽熱量若有多余則用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電；若不足，則采用電制冷或市政蒸汽補(bǔ)充，由此可見，聯(lián)合循環(huán)調(diào)控更靈活，能源利用率更高。

與以燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)為前置循環(huán)，蒸汽輪機(jī)循環(huán)為后置循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)相比，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)有以下特點(diǎn):

1）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)較燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)除了有占地面積小，發(fā)電效率高的優(yōu)勢外，還有一個優(yōu)勢是內(nèi)燃機(jī)有溫度約為81～87℃缸套水可以利用，缸套水這部分廢熱的利用在該項目里十分明顯：在夏季，缸套水作為熱源的一部分進(jìn)入溴冷機(jī)達(dá)到制冷的效果，在非夏季，缸套水作為中低溫?zé)嵩催M(jìn)入第二類吸收式熱泵制取加濕用的蒸汽。

2）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有比燃?xì)廨啓C(jī)更好地部分負(fù)荷特性，主要體現(xiàn)在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱利用效率隨負(fù)荷率的降低有所提高，而燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用效率隨原動機(jī)負(fù)荷率的降低而降低，所以對于冷熱負(fù)荷變化大的用戶，宜選擇內(nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)三聯(lián)供系統(tǒng)。

4 結(jié)語

通過上述工業(yè)園實(shí)例對發(fā)電技術(shù)的選擇可知，熱（冷）電比是選擇熱電比選擇發(fā)電裝置的類型和其它配備設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)該工業(yè)園的熱（冷）電比和系統(tǒng)熱電比的匹配選定的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)適用于熱電比小，且電負(fù)荷大的分布式能源站項目。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)熱電比和用戶需求熱電比的最佳匹配，對能源合理經(jīng)濟(jì)的梯級利用，提高了能源的利用率。可見，推廣內(nèi)燃機(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在冷熱電分布式能源站中的應(yīng)用是我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一條道路，并為可再生能源的開發(fā)與利用開辟新的方向，有利于改變我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

[1]任華華,馬克·利普爾.燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用淺析[J].智能建筑電氣技術(shù),2011,5(5):57-61

[2]宋鴻明,王明友,楊智勇,等.燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)發(fā)電裝置的選擇[J].供電與配電,2011,30(7):397-400

[3]陸偉,張士杰,肖云漢.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用比較[J].工程熱物理學(xué)報,2008,29(6):905-910

[4]趙斌.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用比較[J].化學(xué)工程與裝備,2010,(6):113-114

Se le c tion o f Gene ra ting Te c hno logy fo r Dis tribu ted Ene rgy Sys tem based on Loa d Ana lys is

HUANG Jie1,SHEN Zhi-he1,WU Ya-ping2
1Schoolof Civil Engineering,HefeiUniversity of Technology
2 AnhuiTop New Erergy Co.,Ltd.

Based on the load featuresofone industrialpark,the distributed energy system applies the program of the gas internalcombustion engine.In order to achieve thegradientutilization ofenergy asmuch aspossible,the steam turbine is applied in the bottoming cycle.Thus the operation program of this project comes into being gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle.The feature of the gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle is introduced.Prospectof gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle technology in CCHP (Combined Cooling,Heating&Power)system aredescribed.

distributed energy system,load,heat-to-power ratio,combined cycle

1003-0344（2014）03-046-4

2013-5-6

黃潔（1987～），女，碩士研究生；合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院合肥（230009）；E-mail:230009634887952@qq.com