一種分布式供能系統用于現代農業大棚的案例研究

羅 寧， 何 青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引言

現代化農業溫室大棚需要有完善的光照系統、溫濕度調節控制系統、通風系統、CO2濃度調節控制系統、灌溉噴霧系統等。目前農業大棚采用的系統包括：(1)光伏發電系統與溫室大棚相結合；(2)太陽能光伏技術與地下水源熱泵結合[1,2]。

天然氣分布式供能系統(Combined Cooling Heating and Power，CCHP) 在我國得到了初步發展，達到了一定的節能減排效果，但通過實際運行得出的經驗來看，存在一些政策和技術層面上的問題，這些問題從一定程度上影響了系統的經濟性。影響系統經濟性的因素主要有：(1)負荷特點；(2)運行模式；(3)補貼及稅收政策；(4)并網成本[3,4]。

美國天然氣分布式供能得到了良好的發展。根據美國能源部規劃，到2020年，美國將新增各類熱電聯產機組9 500 萬kW，屆時，熱電聯產機組裝機容量將占全國發電總裝機容量29%，其中天然氣分布式供能系統將占據增長的主要地位[5]。同時，根據美國能源部預測，到2035年，天然氣在工業與商業領域的應用將進一步加強，應用于工業領域的天然氣量將在2009年的基礎上增長27%，主要來自于天然氣分布式能源在工業領域的應用[6]。天然氣能源的特點非常適合分布式供能系統，并且天然氣作為清潔能源有很廣闊的發展市場，因此考慮設計一個以天然氣為核心的分布式供能系統為大棚提供冷、熱、電需求。該系統將考慮不同能量的品位，并且根據品位的高低逐級利用，從而做到冷、熱、電3種能量的有機統一，盡可能實現能量利用的最大化，提高系統能量的綜合利用率，將系統的效率最大化[7]。本系統是對原有供能方式的改進，不涉及系統其他部位的改造，并且持續穩定，不受地區，天氣等外部條件的影響，應用范圍較廣。

在確定大棚一年內的冷熱負荷的基礎上，通過分析大棚內的負荷特點，選擇合適的設備為大棚供能，通過具體的負荷數值，根據以熱定電的原則，確定各設備的型號和參數，最終設計一套完整的分布式系統為大棚供能，并確定系統內各設備在不同季節的運行狀態[8,9]。在此基礎上，確定聯產系統全年消耗的能量，并計算分產系統全年的能量消耗量，將兩者進行對比，得出量化的結果，以確定該分布式供能系統是否節能。由于本文涉及到CO2的減排量，因此還要算出聯產系統相對于分產系統的CO2減排量。

此外由于本系統的燃料是天然氣，故系統排放的煙氣中含有CO2，因此可以考慮將系統排放的煙氣通入大棚內滿足大棚的CO2需求。因此以天然氣為核心的新型供能大棚與傳統的供能大棚相比具有循環低碳，環境友好，持續穩定的突出優勢[10,11]。

1 大棚負荷分析及設備選取

1.1 大棚結構

以上海某農業設施示范研究中心所建立的示范性連棟溫室為研究對象。單溫室結構：長寬各30 m，高度為6.5 m，占地面積約為900 m2，天溝高為6 m。總共有10個溫室組成，兩排連棟溫室，一排五個。溫室由鋼架結構搭建而成，由透明玻璃作為圍護結構。地區選擇上海。連棟溫室東西延伸，坐北朝南。溫室結構如圖1所示。

圖1 單溫室概況圖

1.2 大棚CO2逐時需求量

引用參考文獻[12]得到表1，此二氧化碳需求量是以大棚內的農作物黃瓜測出的，并且按夏季96天、冬季110天和過渡季節159天計算。

表1 各季度溫室二氧化碳需求量

由表1可知溫室大棚內植株在全年白天光合作用需求的二氧化碳總量為420 060.2 kg。如果分布式供能系統產生的排氣能夠通入溫室大棚中，提供大棚所需要的CO2，可以極大地促進CO2的減排。

1.3 大棚各個季節典型日負荷

經過對全年氣候的分析，將全年分成3個季節：夏季、冬季和過渡季。通過處理全年的負荷數據，得出3個季節的典型日負荷，匯總如表2所示，其中負值表示熱負荷，正值表示冷負荷[13]。

表2 各個季節典型日負荷匯總表 kW

2 分布式供能系統設計

2.1 蓄熱/冷水箱容量計算和選擇

2.1.1 蓄冷/熱水箱容量計算方法

系統采用蓄能水箱來平衡24 h內的負荷差異，蓄能水箱的作用就是在能量多余時儲存起來，在能量不夠時再進行釋放。根據此原理，進行蓄熱/冷水箱的容量計算[14,15]。

2.1.2 蓄冷/熱水箱容量選擇

根據蓄冷/熱水箱容量確定流程的計算方法，可以計算各個季節的蓄冷/蓄熱水箱容量。

圖2所示為夏季蓄能裝置實際容量的確定。可以算出制冷/制熱機的容量為1 216.83 kW，這一數值沒有考慮蓄能裝置的效率，是理想數值。系統在實際運行中需要考慮蓄能裝置的效率，取蓄能裝置效率為95%，因此上述結果需要修正，修正結果為1 230.65 kW，這是因為蓄能裝置會使部分能量散失，造成能量的損失，因此需要多增加一部分儲存量，以滿足不夠需要釋放的能量。選取 1 230.65 kW為基本容量，進而計算出此值和下部圖形之間所圍的面積得到蓄能裝置的容量為 6 634.75 kW。

圖2 夏季蓄能裝置實際容量的確定

采用同樣的方法，得到如圖3所示冬季蓄能裝置實際容量。根據此數值可以計算得出在冬季蓄冷量為1 268.1 kW，蓄熱量為2 119.93 kW。

圖3 冬季蓄能裝置實際容量的確定

同樣的，得到如圖4所示的過渡季蓄能裝置實際容量。根據此數值可以計算得出在過渡季的蓄冷量為2 277.72 kW，蓄熱量為531.03 kW。

圖4 過渡季蓄能裝置實際容量的確定

根據上面3個季節蓄能裝置容量的計算，可以得出表3，通過表3中的數值對比，可以清晰地選擇其中最大的一個數值作為蓄能裝置的容量，即蓄冷水箱6 634.75 kW，蓄熱水箱2 119.93 kW。

表3 各個季節蓄冷/熱量對比 kW

2.2 吸收式制冷/制熱機基本參數確定

根據上文負荷算出的各個季節的儲存能量，可以確定各個季節的制冷和制熱量，如表4所示。此容量是根據制冷機24 h運行算出的。

表4 各個季節制冷/熱量對比 kW

3 系統設備夏季運行方式的確定

3.1 吸收式制冷機夏季運行方式確定

根據選定的溴冷機功率233 kW，可以確定系統在夏季需要運行的臺數為6臺。

每臺溴冷機需要的余熱量：

(1)

式中：P1為溴冷機的運行功率，kW；COP為制冷量與輸入能量的比值。

單位質量的煙氣的放熱量：

q1=cp,g(t1-t2)

(2)

式中：t1為溴冷機入口煙溫，K；t2為溴冷機出口煙溫，K；cp,g為煙氣比熱容，kJ/(kg·K)，一般取1.2。

每臺溴冷機的燃氣耗量：

(3)

式中：q1為單位質量煙氣的放熱量，kJ/kg。

根據上述計算過程，可以得到夏季溴冷機的參數如表5所示。

表5 夏季溴冷機的參數

3.2 燃氣輪機參數計算和選擇

壓氣機理想出口溫度：

(4)

式中：T1為壓氣機進氣溫度，K；π為壓氣機壓比；Ka為空氣等熵滯止系數。

壓氣機等熵效率：

(5)

式中：T2 s為壓氣機理想出口溫度，K；T2為壓氣機實際出口溫度，K。

壓氣機耗功：

Wc=cp,a(T2-T1)

(6)

式中：cp,a為空氣的平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

透平膨脹比：

πt=(1-εc)(1-εb)(1-εt)π

(7)

式中：εc為進氣道的壓損率，取0.01～0.015；εb為燃燒室的壓損率，取0.03～0.06；εt為排氣道的壓損率，取0.025～0.07。

透平入口溫度和出口溫度之間的關系：

(8)

式中：Kg為天然氣等熵滯止系數。

透平膨脹功：

Wt=cp,g(T3-T4)

(9)

式中：T3為燃氣透平入口溫度，K；T4為燃氣透平出口溫度，K。

燃燒室內空氣吸收的熱量：

(10)

式中：T2′為燃燒室入口空氣溫度，K。

燃燒室效率：

(11)

式中：f為燃燒室所需燃料量，kJ/kg；Hu為天然氣熱值，kJ/kg；目前ηb一般在0.96～0.99之間。

燃氣輪機軸功率：

P1=Pwηmηg

(12)

式中：ηm為機械效率；ηg為發電效率；Pw為燃氣輪機發電功率，kW。

燃氣輪機比功：

Wn=ηm(Wt-Wc)

(13)

壓氣機吸入的空氣流量：

(14)

燃料流量：

qmf=fqm

(15)

燃氣輪機的效率：

(16)

透平進口的燃氣流量：

qmgs=qm(1+f-μcl)

(17)

式中：μcl為從壓氣機抽引的空氣的比率。

由于夏季是6臺溴冷機運行，因此先根據一臺溴冷機的參數確定燃氣輪機的功率。根據上述計算，再通過燃氣輪機型號的對比，可以發現系統選用兩臺80 kW的燃氣輪機對應一臺溴冷機比較適合。機械效率選取0.99，發電效率選取0.98，從壓氣機抽引的空氣的比率選為0，由上述計算，可以得出燃氣輪機的各項參數，結果如表6所示。

表6 夏季燃氣輪機整機參數

3.3 煙氣產量和煙氣消耗量校核

由于在回熱度為0.2的情況下，回熱器出口煙氣溫度會比較高為518.69 ℃，而溴冷機的入口煙氣溫度需要保持在300 ℃，因此從回熱器出口的煙氣不能直接以此高溫通過溴冷機，溴冷機入口需要摻入冷空氣與高溫煙氣進行混合，使高溫煙氣的溫度降到300 ℃。冷空氣流量可由公式(18)得到。

(18)

式中：T4′為回熱器出口煙氣溫度，K。

由上述一系列的計算可以最終得到溴冷機的煙氣流量為1.28 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.28 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統在此工況下可以正常運行。夏季系統的運行是兩臺80 kW的燃氣輪機對應一臺溴冷機，共6組。溴冷機每臺開88%，通過對比煙氣量可以算出燃氣輪機在夏季為一天24 h滿負荷運行。

4 冬季和過渡季運行系統及校核

4.1 冬季運行方式及校核

根據夏季算出的溴冷機功率以及燃氣輪機功率，再結合冬季的負荷需求特點，制定出系統在冬季的運行方案為一臺溴冷機運行。因此溴冷機在一天內的運行時間為11：00～18：00，即在白天連續6 h以最大制冷負荷運行， 根據溴冷機的運行方式，可以算出溴冷機的燃氣耗量，結果如表7所示。通過溴冷機的運行參數可以得到對應狀態下的燃氣輪機運行參數，結果如表8所示。

表7 冬季溴冷機的各個參數

由于已知回熱器出口的煙氣流量為0.67 kg/s，回熱器出口煙氣溫度為593.86 ℃，且環境溫度已知，可以算出需要摻入冷空氣的流量為0.81 kg/s。因此可以得出最終進行溴冷機的煙氣流量為1.48 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.45 kg/s，煙氣量滿足要求，系統在溴冷機運行的工況下可以正常運行。

表8 冬季燃氣輪機運行參數

4.2 過渡季的運行方式及校核

根據夏季計算出的溴冷機功率以及燃氣輪機功率，再結合過渡季的冷負荷需求比熱負荷需求大，且熱負荷需求量較少的負荷需求特點，則溴冷機出口的煙氣余熱量就可以滿足制熱需求，而且制冷負荷和一臺溴冷機的額定功率比較接近，是其額定功率的80%，因此考慮系統在過渡季的運行方案為一臺溴冷機全天運行，這樣會使系統的經濟性較好。具體運行方案如表9所示。

表9 過渡季溴冷機運行方式

通過溴冷機的運行參數可以得到對應狀態下的燃氣輪機運行參數，結果如表10所示。

表10 過渡季燃氣輪機的運行參數

由于已知回熱器出口的煙氣流量為0.67 kg/s，回熱器出口煙氣溫度為518.69 ℃，且環境溫度已知，可以算出需要摻入冷空氣的流量為0.60 kg/s。因此可以得出最終進行溴冷機的煙氣流量為1.27 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.20 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統在此工況下可以正常運行。

5 分布式供能系統的計算

5.1 煤耗對比

熱電聯產和熱電分產節能對比的基礎是兩者的產品相同，只有在這個前提條件滿足的情況下，兩種供能方式的對比才有意義。因此，要進行節能對比，就要根據大棚的全年冷負荷和熱負荷，算出熱電聯產系統全年運行的能耗以及熱電聯產系統能夠提供的電量，從而確定熱電分產系統需要提供的能量，再計算出熱電分產的能耗。這樣就可以保證兩種供能方式的產品相同，在此基礎上得到的兩種方式的煤耗對比才會有分析的價值。兩種供能形式的對比如表11所示。

表11 聯產分產的供能方式對比

5.2 聯產煤耗

全年的時間按夏季96天、冬季110天和過渡季節159天計，由此可計算出各個季節的燃料消耗量，進而可以計算出燃氣輪機在全年的燃氣消耗量，天然氣的熱值已知為47 334.53 kJ/kg，由此可以算出燃氣輪機全年運行消耗的能量，標準煤的熱值為29 307.6 kJ/kg，因此可以算出聯產系統全年消耗的標準煤的量。具體數據如表12所示。

表12 聯產系統的煤耗

5.3 分產煤耗

全年總冷負荷能量：

QL=QXLTX+QDLTD+QGLTG

(19)

式中：QXL為夏季每天的冷負荷量，kJ；QDL為冬季每天的冷負荷量，kJ；QGL為過渡季每天的冷負荷量，kJ；TX為一年中夏季的天數；TD為一年中夏冬季的天數；TG為一年中過渡季的天數。

全年總熱負荷能量：

QR=QXRTX+QDRTD+QGRTG

(20)

式中：QXR為夏季每天的熱負荷量，kJ；QDR為冬季每天的熱負荷量，kJ；QGR為過渡季每天的熱負荷量，kJ。

中央空調全年制冷用電量：

(21)

式中：COP為中央空調的能效比。

電制熱全年用電量：

(22)

式中：ηR為電制熱的效率。

制冷和制熱全年消耗的標準煤：

(23)

全年產電量消耗的標準煤：

(24)

式中：Wc為全年產電量，kW·h。

按夏季96天、冬季110天和過渡季節159天計算，根據大棚在各個季節典型日的負荷分布可以計算出大棚在全年的總制冷負荷、總制熱負荷。通過上述一系列的計算可以確定分產系統全年消耗的標準煤量，結果如表13所示。

表13 分產系統的煤耗計算

5.4 煤耗量對比分析

由上述兩節的內容可以確定出聯產系統和分產系統各項煤耗量，將各參數進行對比可以得到圖5。

圖5 聯產/分產各個季節煤耗量對比圖

圖5將夏季、冬季、過渡季以及全年所消耗的標準煤的量分別進行了對比，從圖5中可以看出，聯產系統在夏季消耗的標煤量比分產多35.98 t，冬季消耗的標煤量比分產少122.27 t，過渡季則比分產多10.04 t，全年綜合則是聯產比分產消耗的少76.26 t。此外還可以看出兩個系統的共同點：在夏季消耗的標煤量比冬季和過渡季明顯多很多，比另外兩個季節的總和還要多，這和大棚內的負荷有關，由于夏季冷負荷需求巨大，因此需要提供的能量是最多的。

6 減排量對比分析

6.1 基本排放指標對比分析

在進行排放指標對比之前，必須先確定每度電和每立方米天然氣的排放指標，通過查取各數值，匯總如表14所示。

表14 排放指標

通過前面的計算可以得出分產系統的全年用電量為4.99×106kW·h；聯產系統全年的天然氣消耗量為1.29×106m3。分產和聯產消耗的能量已知，各排放指標也已知，因此可以計算出各方案的排放量如表15所示。

由表15可以得出圖6，從圖6中可以清楚地看到，聯產系統與分產系統相比，所產生的CO2量顯著的減少了，幾乎為分產的一半；NOx的排放量也很少；SOx以及粉塵量都為0。因為天然氣是清潔能源，所以污染物排放量可以大幅降低，從而可以有效改善當前環境的PM2.5問題，此外系統的CO2排放量大幅減少，減排量為2.44×106kg，減排效果十分明顯。

表15 各方案產生的排放量

圖6 聯產分產排放量對比圖

之所以聯產系統比分產系統產生的CO2量少，是因為聯產全年消耗的標準煤比分產消耗的標準煤少76.26 t，因此從標準煤這一基準來看，聯產排放的CO2量就會少，而且更加節能。通過以上的對比，可以得出聯產系統和分產系統相比，在減排方面有很突出的優勢。

6.2 聯產CO2被利用的減排量

生活中使用的各種燃氣，實際上是混合氣體，是由可燃氣體和一些不可燃氣體組成的。如果天然氣完全燃燒，那么其中的CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H10、C6H12都會燃燒產生CO2，由于天然氣中CH4的體積分數高達94.09%，因此在計算時可以忽略天然氣的其他成分，將CH4作為天然氣的主要成分進行計算。根據CH4的燃燒化學反應，其化學反應方程式為：

CH4+2O2=CO2+2H2O+3 984 2kJ/m3

(25)

圖7是分產、聯產系統CO2未利用和聯產系統考慮大棚CO2利用的CO2排放量對比圖。通過圖中的對比可以看出，聯產系統在考慮大棚利用CO2的情況下，CO2的排放量最低，此時的排放量約為分產排放量的40%，因此聯產系統可以最大限度地減少CO2的排放量。

圖7 聯產分產CO2減排量對比圖

7 結論

(1)通過大棚各個季節典型日的冷、熱負荷對比，確定了系統需要蓄冷/蓄熱水箱來調節24 h內的負荷分布不均勻。最后確定了蓄冷水箱容量6 634.75 kW，蓄熱水箱容量2 119.93 kW。由于系統需要利用煙氣的余熱，因此選用溴冷機來利用煙氣的余熱，結合大棚所需負荷的特點為冷負荷較多，熱負荷較少，冷熱負荷之間無法做到匹配，因此選擇單效煙氣溴冷機來利用煙氣的余熱產生系統所需要的冷量，確定溴冷機功率為233 kW，臺數為6臺。

(2)由于夏季工況下的負荷值較大，因此整個系統的計算以夏季工況為基準。通過溴冷機的功率和臺數來計算燃氣輪機的功率為 80 kW，臺數為12臺，和溴冷機之間的運行方式為2臺燃氣輪機帶1臺溴冷機。系統冬季和過渡季的運行只做校核計算。

(3)計算聯產系統和分產系統各自的CO2排放量，通過對比發現聯產系統減排CO2的量為2.44×106kg，聯產系統在考慮CO2被大棚利用的情況下CO2的減排量為 2.95×106kg。CO2的需求量僅為系統產生CO2量的17.5%，聯產系統產生的CO2量理論上滿足需求。

(4)確定分產的供能方式為中央空調制冷，電加熱，根據需要提供的冷負荷、熱負荷和產電量分別計算出分產系統全年的標準煤耗量，最后將聯產系統和分產系統進行對比，聯產系統比分產系統更加節能，節能量為76.26 t標準煤。天然氣分布式供能系統在大棚中的應用可以做到冷、熱、電、CO2四聯供。

參考文獻：

[1]李元媛, 袁晶, 楊勇平. 太陽能燃氣聯合循環系統集成優化研究[J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(12):2348-2352.

[2]余情, 楊金明. 光伏發電技術在溫室中的應用[J]. 新能源進展, 2015, 3(4):251-255.

[3]魯敏, 岑紅蕾, 郭天圣. 溫室大棚復合供能優化配置研究[J]. 農機化研究, 2014(3):66-69.

[4]李鵬, 華浩瑞. 基于儲能調度模式的分布式光伏兩階段多目標就地消納模型[J]. 電力科學與工程, 2016, 32(10):1-8.

[5]羅寧, 何青. 1000 MW超超臨界機組煙氣余熱集成利用技術研究[J]. 電力科學與工程, 2017, 33(6):42-47.

[6]高威, 王玉璋, 翁一武,等. 改善國內分布式供能系統經濟性的建議[J]. 燃氣輪機技術, 2014(1):1-5.

[7]王新雷, 田雪沁, 徐彤. 美國天然氣分布式能源發展及對我國的啟示[J]. 中國能源, 2013, 35(10):25-28.

[8]羅寧, 何青. 功率負荷不平衡保護誤動原因分析[J]. 電力科學與工程, 2017, 33(8):48-53.

[9]劉仁志, 李元媛, 楊勇平. 新型太陽能與燃氣輪機聯合循環互補系統集熱場優化研究[J]. 工程熱物理學報, 2016, 37(9):1817-1821.

[10]STRACHAN N, FARRELL A. Emissions from distributed vs. centralized generation: The importance of system performance[J]. Energy Policy, 2006, 34(17):2677-2689.

[11]羅寧, 何青. 火電機組凝汽器真空故障診斷的研究[J]. 電力科學與工程, 2017,33(5):70-78.

[12]印佳敏, 楊勁. 分布式供能系統在醫院的應用研究[J]. 節能, 2015, 34(9):36-39.

[13]李清然, 張建成. 分布式光伏對配電網電能質量的影響及調壓方案[J]. 電力科學與工程, 2015,31(10):1-6.

[14]AKOREDE M F, HIZAM H, POURESMAEIL E. Distributed energy resources and benefits to the environment[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(2):724-734.

[15]戴永慶. 溴化鋰吸收式制冷技術及應用[M]. 北京：機械工業出版社, 1997.