燃氣分布式熱電聯產機組與空氣源熱泵復合供能系統研究

宋丹丹

上海舜卓能源科技有限公司

引言

得益于規模經濟效益和系統互聯帶來的可靠性，集中式供能系統在我國一直處于主流地位[1]，但存在污染嚴重、靈活性差、輸配電損耗高、因故障容易大面積停電等問題[2]。伴隨著經濟的發展，能源需求的增長，為解決傳統集中式供能的一些弊端，發展分布式能源已成為我國能源發展的新趨勢[3]。

1998年，中國建成第一個分布式能源，2010年后，我國出臺針對分布式能源的產業政策，“十二五”后，以天然氣和光伏為代表的分布式能源發展迅速，相關產業政策也密集出臺。燃料多樣性和本地化對分布式能源具有推動作用，政策和技術進步為分布式能源發展創造了新的動力。[1]

分布式能源相對于傳統集中式能源具有開放程度高,多能源耦合能力強的特點，以滿足用戶的多種能量需求和其他性能要求[4]。本文基于天然氣分布式熱電聯產機組與空氣源熱泵各自的設備特點，提出適用于不同工況需求的分布式復合供能系統，建立熱力學模型，對比現有常規分產供能系統對該系統進行能量分析和?分析，并討論不同參數變化對于系統效率的影響，為本復合系統的應用設計作理論參考。

圖1 熱電聯產機組工作原理

如圖2所示，熱泵技術是基于逆卡諾循環原理建立起來的一種制熱技術。實質上是一種能源采掘機械，以消耗一部分高質能（機械能、電能或高溫熱能等）為補償，通過熱力循環，把環境介質（水、空氣、土地）中儲存的低質能量發掘進行利用。空氣源熱泵系統通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫熱源，經系統高效集熱整合后成為高溫熱源，用來取（供）暖和供應熱水[5]。目前，熱泵機組的供熱系數在3～5之間。

1 復合供能系統研究

1.1 主設備介紹

對于一般工業、數據中心、綜合商業體、大型醫院等用戶，這些用戶對冷、熱、電有較大且較穩定、連續的負荷需求，通常采用燃氣輪機和內燃機作為分布式能源的原動機，但對于酒店、游泳池、養老院、健身房等小型用戶，能源需求量較小，且隨晝夜、季節、營業時間等的變化有較大的波動，可選用微燃機或分布式熱電聯產設備優化供能系統。

因綜合效率高、噪音值低、排放量低，本文選擇分布式熱電聯產機組為主機，其工作原理如圖1所示。機組主要包含天然氣發動機，通過交流發電機發電，內燃機和發電機產生的廢熱通過高效熱交換器回收并最終以熱水的形式提供給客戶端，以意大利熱電聯產機組TOTEM為例，機組噪音為61d B(A)，NOx（5%O2）＜10ppm，綜合效率可達97%，具有集成化程度高，占地小，使用靈活方便的特點。

圖2 空氣源熱泵工作原理

2.2 復合供能系統工藝流程

分布式熱電聯產機組與空氣源熱泵均為發展已久的成熟產品，但單獨應用，前者為固定的熱電比輸出，后者為單一熱能輸出，且有低溫環境易結霜和運行效率降低等不足，兩者相互結合所形成的復合供能系統可以較好地彌補不足，使其具有更廣泛的應用。

熱電聯產機組與空氣源熱泵有以下三種復合供能方式：

（1）熱電聯產機組與空氣源熱泵獨立運行

如圖3所示，熱電聯產機組為系統主要供能設備，通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發電機發電，煙氣及發電機余熱通過換熱器回收的熱水，為用戶提供基本的電力和熱水用能負荷并優先予以使用，空氣源熱泵由市電供電并與市電共同承擔調峰及備用的責任，電力不足部分由市電供給，熱水不足部分由熱泵補給，共同滿足用戶負荷需求。

圖3 熱電聯產機組與空氣源熱泵獨立運行流程圖

圖4 熱電聯產機組與空氣源熱泵串聯運行流程圖

熱電聯產機組與熱泵的復合供能與傳統市電+燃氣鍋爐的供能方式相比，具有能源利用效率高，節能減排量大，運行經濟效益好等顯著優勢，當氣/電價比大于7.23時（燃氣鍋爐效率取90%，燃氣低位熱值取33MJ/Nm3），市電與燃氣鍋爐的運行經濟效益更優。該供能方式相對于單獨熱電聯產設備，可以提供更大的熱負荷，適用于熱電負荷比較大的用戶；另一方面，系統安全性及調節性更高，熱電聯產機組滿足相對穩定的用能負荷，熱泵可根據用戶的用能波動來作及時的調節輸出，同時，熱電聯產機組和熱泵可相互備用，以應對緊急故障等狀態。

（2）熱電聯產機組與空氣源熱泵串聯運行

如圖4所示，熱電聯產機組通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發電機發電，煙氣及發電機余熱通過換熱器回收的熱水，所產電力接入電網并入市電網滿足用戶電負荷；所出熱水進一步加熱空氣源熱泵出水，提升熱品味，適用于有更高熱源溫度需求的用戶。

（3）熱電聯產機組與空氣源熱泵并聯運行

如圖5所示，熱電聯產機組通過燃燒天然氣推動活塞做功，并帶動發電機發電。煙氣和發電機余熱通過換熱器回收的熱水，所產電力除供給熱泵和系統自耗電外其余并入電網，滿足用戶用電，熱電聯產機組和熱泵滿足用戶用熱。該供能系統在一定范圍內有可調的熱電比輸出，適用性更為廣泛，可根據用戶不同時間段內的不同負荷及時調整。

圖5 熱電聯產機組與空氣源熱泵并聯運行流程圖

2.3 系統熱力學模型

將熱電聯產機組和熱泵機組視作黑匣子處理，本復合供能系統的模型能量流程如圖6所示。

圖6 系統供能流程圖

Qf—天然氣輸入能量；η—熱電聯產機組熱損失率；Qh—熱電聯產機組熱水輸出熱量；Pe—熱電聯產機組發電量；α—熱電聯產機組發電量并網系數；Q0—環境輸入熱量；Qh—熱泵機組輸出熱量；η3—熱泵機組熱損失率;T0—環境溫度；Tp—排煙溫度；Th—熱電聯產機組產出熱水溫度；Th—熱泵機組產出熱水溫度。

為方便系統分析，假定系統處于穩定的運行狀態，而且設備效率穩定不變。熱電聯產機組發電量Pe與燃氣輸入量Qf之間存在關系式：

空氣源熱泵機組產熱量Qh與輸入電量之間存在關系式：

COP為空氣源熱泵機組制熱能效比，為設備性能參數。參考文獻[6]的動態仿真模擬，上海地區供熱COP全年平均可達3.25。

根據燃氣冷熱電聯供工程技術規程，系統的能源利用效率為有效利用的能量與消耗的總能量之比：

系統的?分析能將能量中的“質”與“量”有機結合在一起，真實體現能量轉化過程中能量的“貶值”過程。因空氣源熱泵機組是以大氣環境為低溫熱源的，相對于基準環境，環境輸入系統的?流為0[7]。由圖4可知，復合供能系統所含總?即為天然氣輸入?，系統對外輸出可利用?，有熱電聯產機組的發電量?、熱水?、空氣源熱泵的熱?。

電?與電能相等，單位時間內系統輸出的電?Ee=Pe；

熱電聯產機組所輸出的熱?

空氣源熱泵機組所輸出的熱?

系統的?效率可定義為系統有效輸出?與輸入總?之比：

2.4 系統熱力學分析

本系統的主要性能參數如表1所示，表2為熱電聯產機組發電量不同并網比例條件下的能量與?分析，總體而言，因有熱泵的配置，三個不同系統的能源利用率很高。從?的利用角度來看，電能可以完全轉換為有用功，電能等于電?，發電量可以提高系統的?效率，因此對于燃氣分布式能源系統，燃氣的化學能首先用于制取電力；再者，隨著α的減小，即有更多的發電量通過熱泵轉化為低品位的熱能，故?效率不斷下降，但能源利用產出率不斷增加。

因空氣源熱泵把空氣中的熱量通過冷媒搬運至水中，是提高能量品味而非能量轉換的過程，故配置有熱泵的供能系統綜合能源利用率均可達到100%以上，同時因熱電聯產設備對能源進行了高效梯級回收利用，因此復合供能系統的能源利用率大于傳統分產供能系統；本系統中熱電聯產設備機組發電效率低于市電發電效率，熱泵機組制熱能效高，因而市電使用占比越大的系統電?效率越高，熱泵使用占比越大的系統熱?效率越高；但就總?效率而言，當α=的供能系統?效率最高，究其根本，盡管分產系統供電或供熱時單獨?效率較高，但因其獨立性，能源轉換過程和運輸過程中有大量能量以廢熱形式排入環境，使之系統?效率較低。

表1 系統主要參數表

表2 系統能量和?利用率

假定用戶端所需電量負荷為25kW，熱負荷為131.45kW，傳統分產供能方式以常規的市電+燃氣鍋爐、市電+燃氣熱泵為代表（取市電發電效率為40%，線路損失率6.4%，燃氣鍋爐效率90%，熱泵COP3.25），與不同并網電力系數下的復合供能方式作分析，對能量與?利用方面進行對比，當0≤α＜1時，熱電聯產機組所發電力部分驅動熱泵，不足的電力則由市電供給，當α=時，熱電聯產機組熱水產量不足以滿足熱需求，則由熱泵機組滿足。對比結果見圖7。

2.5 復合供能系統效率影響因素分析

復合供能系統對于能源利用效率主要取決于設備性能及運行工況，對于設備固有性能可變性較小，故從環境溫度、電力分配比例、熱水出水溫度三個變化因素對復合供能系統的能量利用和?效率進行分析。

以α=0.5系統為例，當環境溫度變化時，熱電聯產機組發電量變化忽略不計，此時，系統電?效率不變，熱?效率隨著環境溫度的升高而降低，總?效率亦隨環境溫度的升高而降低；熱泵機組COP隨環境溫度降低而降低，故能源利用效率與環境溫度成正比，但COP并非線性變化，所以熱泵的熱?和熱輸出功率亦非線性，最終表現曲線的能源利用率和?效率，詳見圖8。

圖7 不同供能方式能量與?效率對比

圖8 環境溫度對系統效率影響圖

在一定的環境條件下，當發電量并網系數α減小時，熱電聯產機組發電量更多部分用于驅動熱泵獲取熱能，系統的能源利用率得到提高，推導可知能源利用率變化曲線斜率為，但隨著高品位電能轉化為低品位熱能，?效率不斷下降，變化斜率為，并網系數與系統效率曲線詳見圖9。

圖9 電力并網系數對系統效率影響

當提高設備熱水出水溫度時，也即采用上文所闡述的復合供能系統方式三，熱電聯產機組與空氣源熱泵機組串聯運行。此時，出水溫度的變化對于換熱器換熱效率影響很小，故系統能源利用率可認為保持不變；但是熱水溫度的提高實質是提高熱能的品味，因此，系統的?利用率得到提高，?效率隨著出水溫度的上升而變大，因出水溫度取值間隔較大，?效率曲線近似為直線顯示，如圖10所示。

圖10 熱水出水溫度對系統效率影響

3 小結

本文提出了天然氣分布式熱電聯產機組與空氣源熱泵結合使用的復合供能系統，闡述了在不同負荷需求下符合供能系統的應用：

（1）當用戶端熱負荷與電負荷需求均大于熱電聯產機組產出，建議采用方式一，熱電聯產機組盡量全負荷運行供應基本負荷部分，波動部分由市電與熱泵來調節以滿足熱電需求；（2）當用戶端熱電負荷隨晝夜、季節等時間波動較大，可選用方式三，熱電比可調范圍大，動態特性好，匹配度較高；（3）若用戶端熱水溫度要求高，可采用方式二熱電聯產機組與熱泵串聯，提高空氣源熱泵出水溫度，提升熱品味。

由熱力學分析得知不同因素的變化對復合系統的能源利用率與?效率產生不同的影響：

（1）與傳統分產供能系統相比，復合供能系統具有較高的綜合能源利用率及?效率；（2）熱電聯產機組電力并網系數α固定，當環境溫度升高時，系統綜合能源利用率提高，?效率下降；（3）在一定的運行工況環境下，當熱電聯產機組電力并網系數α變大時，系統能源利用率線性下降，?效率線性增長；（4）當系統熱水出水溫度提高時，系統能源利用率保持不變，但?效率隨之提升。

實際工程運用中，應具體分析用戶特定的用能需求，結合各不同系統的特點，以優化供能方式，充分發揮設備特性，提高能源有效利用率。