冷熱電聯產系統兩級調峰方案分析

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(上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090)

0 引言

分布式能源是一種臨近用戶側實現能源供應的先進供能系統，冷熱電聯產系統是其主要應用形式，具有能源綜合利用效率高、經濟效益好、清潔環保、安全可靠和靈活智能等優點[1-3]。在以天然氣為燃料的小型分布式冷熱電聯產系統中，天然氣燃燒釋放出高溫燃氣通過燃氣輪機進行發電，進而產生中低溫余熱進入余熱設備制冷制熱，最終將系統難以轉換的熱量排到環境中[4]。但目前冷熱電聯產系統出現了設備利用率不高、低負荷運行等問題，導致系統綜合利用效率不高等[5]，其主要原因是用戶負荷不僅每天逐時有波動，而且不同季節用能也不相同。

陳修文[6]等采用了自然水分層蓄能設備來平衡峰谷負荷變化，進而提高了系統全年熱經濟性。Aowabin Rahman[7]等由于儲能水箱其低成本和高熱容量，提出了一個帶有兩個熱交換器的加壓水箱，進而使分布式供能系統提高了整體效率和操作靈活性能等。Kein[8]等采用蓄電池蓄電調節電負荷,提出了一種削減峰值的策略，提高電力系統性能和可靠性的電網，同時提高了效率和降低了用戶的電費。馮志兵[9]和杜玉吉[10]等利用可調回熱燃氣輪機通過調節回熱器改變了排到下游的余熱，進而來調節用戶冷/熱負荷變化。鄭莆燕[11]等利用蓄冷蓄熱水箱和可調回熱燃氣輪機相結合提出了兩級調峰方法，并構建了兩級調峰系統，初步研究結果表明：兩級調峰冷熱電聯產系統能夠很好的解決用戶短時間和跨季節長時間變負荷調峰問題，與只有水箱調節的系統相比，燃氣輪機無閑置均滿負荷發電，提高了設備的利用率和發電效率，并且系統的節能效果非常明顯。目前關于可調回熱燃氣輪機的冷熱電聯產系統從兩級調峰的角度分析的文獻很少，基于熱力學第二定律來研究冷熱電聯產系統兩級調峰不同方案的熱經濟性以及其內部的能耗分布特征尚未有文獻詳細說明。

本文利用兩級調峰方法，構建了下游用戶側蓄冷蓄熱水箱和上游供能側可調回熱燃氣輪機的兩級調峰系統，并計算出兩級調峰方案。把該系統劃分為三個層級，采用分析方法建立平衡方程并計算各個層級全年的指標，對比分析各個層級中不同方案的熱經濟性及損分布特性等。

1 兩級調峰冷熱電聯產系統

如圖1所示，該系統把天然氣燃燒產生的高溫燃氣通過透平進行發電，產生高品質的電能，進而排出中溫燃氣，一部分進入回熱器與壓縮空氣熱交換，提高進入燃燒室壓縮空氣的溫度，從源頭上達到節能減排的目的，再與未經過回熱器熱交換的燃氣匯合，然后燃氣輪機排出的煙氣流經煙氣型雙效溴化鋰制冷機制冷/熱和煙水換熱器制生活熱水利用中低溫余熱，最終將煙氣排放到環境中。

冷熱電聯產系統下游用戶側利用蓄熱蓄冷水箱來存儲冷/熱水和生活熱水，通過調節水箱來改變對用戶的供能量，來應對用戶每天逐時的負荷變化[12]，實現了對用戶側的穩定供能，起到用戶側儲能調峰的作用，這為第一級調峰。水箱能調節逐時日負荷變化，由于存儲時間有限，故是不能調節跨季節長時間負荷變化的。冷熱電聯產系統上游供能側通過調節回熱燃氣輪機回熱調節閥X值，改變了流經回熱器燃氣的比例，從而調節排到下游余熱設備煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的余熱熱量，來改變上游供能設備對下游用戶的供能量，來應對用戶全年跨季節長時間變負荷，起到上游供能側調峰作用，這為第二級調峰，回熱燃氣輪機能調節長時間季節性負荷變化，有響應速度慢，故不適用于日負荷變化逐時調節。現將兩者結合同時調節用戶逐時日負荷變化和季節性負荷變化。

2 兩級調峰冷熱電聯產系統方案

2.1 用戶負荷

本文以農村城鎮化過程中的北方某新型居民區為研究對象，對其用能進行調研可得該社區居民夏季、冬季和過渡季三個典型日的冷熱負荷變化如圖2所示，三個季節的日期數分別為96天、110天和159天[13]。

采用蓄冷蓄熱水箱調節日負荷變化后，用戶在不同季節典型工作日利用的上游余熱熱量仍有不同，如表1所示。兩級調峰系統利用可調回熱燃氣輪機通過改變回熱器關閉度X來調節排到下游的余熱熱量，滿足不同季節典型工作日所需不同余熱的情況。

表1用戶在不同季節典型工作日所需的時均余熱熱量

季節夏季冬季過渡季余熱熱量/kW2 370.312 237.781 370.10

2.2 可調回熱的燃氣輪機

根據文獻[14]中提供可調回熱的BowmanTG80微型燃氣輪機，在ISO工況下，壓比為4.3，輸出功率為80 kW，空氣流量為0.838 4 kg/s，以及燃氣輪機發電效率ηg和排煙溫度T4b隨回熱器關閉度X的變化，可得改燃氣輪機排煙余熱Qw,x隨X的變化，如表2所示。

表2可調回熱燃氣輪機隨回熱器關閉度變工況的參數

XT4b/℃ηg/[%]Qw,x/kW027824.28242.970.235221.59285.240.442619.64322.490.648417.61369.450.854715.80421.39161514.10482.45

2.3 冷熱電聯產系統調峰方案

在上述冷熱電聯產系統中，采用BowmanTG80微型燃氣輪機作為供能設備，并且每臺燃氣輪機回熱器關閉度一致(即X值相等)，煙氣型雙效溴化鋰制冷機制冷系數ηcop和制熱系數ηh分別為1.3和0.92，煙水型換熱器的換熱效率ηhw為0.95，假設這3個參數不隨下游用戶側負荷變化和上游供能側余熱變化而變化，并忽略下游用戶側蓄熱蓄冷水箱的熱量損失。根據冷熱電聯產系統上下游能量供需關系得兩級調峰方案，如表3。

表3系統調峰方案

方案季節臺套數/臺XX—燃氣輪機效率/[%]發電功率/kW燃燒室口溫度/℃溴冷機進口溫度/℃換熱器進口溫度/℃夏季60.93214.67480218.3592.1323.4方案1冬季60.8590.62115.29480246.1567.3281.9過渡季60.26920.92480453.6377.5377.2夏季70.73716.37560290.7527.0292.2方案2冬季70.6640.44917.03560315.7504.1255.7過渡季70.12622.61560512.5324.7324.1夏季80.57017.90640345.9475.8267.6方案3冬季80.5000.31118.62640368.2454.9235.4過渡季80.02523.99640554.2287.2286.7

(1)

式中Xs、Xw、Xts——兩級調峰方案中夏季、冬季和過度季的回熱器關閉度。

3 火用方法分析

3.1 火用值計算與火用分析指標

在某個確定的環境條件下，任何形式的能量中理論上能夠轉化為有用功的那部分能量稱為[15]。冷熱電聯產系統分析計算涉及四種[16-18]，其計算依據和公式如表4所示。

表4 火用值計算

機械和電焓化學依據高品質能,能夠全部轉化為有效能,即全部為。穩定工質從任一給定狀態流經開口系統以可逆的方式轉換到環境狀態,只與環境交換熱量時做出的最大有用功。燃料包括燃料顯熱、化學和擴散。擴散實際過程中難以被采用,通常不予考慮。顯熱由焓計算得到。公式E=WE=Pee=h-h0-T0(s-s0)E=e·Meu,f=HL(T0)Eu,f=eu,f·m

注：E為，kW；W為功率，kW；Pe為發電功率，kW；e為比，kJ/kg；h和h0為單位質量穩流工質的焓和環境的焓，kJ/kg；s和s0單位質量穩流工質的熵和環境的熵 ；M為穩流工質的質量流量，kg/s；HL(T0)為燃料低位發熱值，kJ/kg；Eu,f為燃料的化學，kW；m為燃料的質量流量，kg/s。環境基準為T0=273.15 KP0=0.101 3 MPa。

(2)

3.2 火用分析

表5系統全年輸入火用和輸出火用

方案方案1方案2方案3輸入總/MW24 67026 12627 604輸出電/MW4 2044 9055 606輸出冷/熱水/MW873873873輸出生活熱水/MW1 1971 1971 197

在兩級調峰方案中，隨著回熱器關閉度的逐漸減小，使排到下游余熱溫度降低。由于進入煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的煙氣溫度逐漸減小，縮小了與制冷制熱以及生活熱水之間的溫差，使相應設備的不可逆損失減小等，故煙氣型雙效溴冷機和煙水換熱器的損系數均降低。

在兩級調峰方案中，隨著回熱器關閉度的減小，消耗天然氣的量減少。由于燃氣輪機發電效率增加，單位燃料相應的空氣量增加，系統輸入單位時，壓氣機不可逆損失增大，所以壓氣機損系數增大。由于進入透平燃氣溫度提高和燃氣流量增大，系統輸入單位時，透平不可逆損失增大，故透平損系數增大。進入回熱器的冷壓縮空氣溫度和回熱燃氣溫度幾乎不變，但是進入回熱器的煙氣流量在增加，使回熱器的損系數也增大。

4 結論

(3)兩級調峰方案通過減小回熱器關閉度來提高預熱空氣溫度，降低了燃燒室中的不可逆損失，同時減小了煙氣余熱利用的換熱溫差，減少了溫差不可逆損失，以此來減小系統損系數，故通過減小年均回熱器關閉度可以有效減少兩級調峰系統的損失。