港區(qū)天然氣分布式能源系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)研究

顧明+杜偉+劉磊磊

摘要：探討了分布式能源系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)分布式能源系統(tǒng)的特點，研究了3種天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案。基于中小型或者小型燃氣輪機的三聯(lián)供系統(tǒng)，分別對燃氣輪機+直燃溴化鋰吸收式空調(diào)機組方案、燃氣輪機+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰吸收式空調(diào)機組方案、燃氣-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)+吸收式制冷機組方案進行了集成研究與分析。

關(guān)鍵詞：分布式能源系統(tǒng)；配置方案；三聯(lián)供系統(tǒng)

中圖分類號：TM611

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0068-02

1 引言

分布式能源系統(tǒng)，是一種建立在冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)能源需求側(cè)能源梯級利用的能源設(shè)施。通過對能源需求側(cè)進行合理分配能源等級，減小能源輸送環(huán)節(jié)損耗，實現(xiàn)能源利用率最大化，其主導(dǎo)思想是“高能高用、低能低用，溫度對口、梯級利用”。

天然氣分布式能源系統(tǒng)是將小型發(fā)電系統(tǒng)分散地布置在用戶周邊，逐級利用天然氣燃燒后產(chǎn)生的不同溫度熱量的煙氣，分別在獨立區(qū)域提供冷、熱、電等多種終端能源，實現(xiàn)天然氣的梯級、高效利用。王雁凌[1]通過建立了適用于天然氣分布式能源站的綜合價值分析模型，從自身、電力系統(tǒng)、用戶、社會環(huán)境4個方面展開對天然氣分布式能源站的價值分析研究，量化其綜合價值水平，并通過算例驗證綜合價值模型的實用性和有效性。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外分布式能源系統(tǒng)在20世紀70年代就已開始發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用。美國能源部指出，2020年之前，美國50%的新建商業(yè)建筑、學(xué)校采用分布式能源系統(tǒng)，15%的已建商業(yè)建筑、學(xué)校采用分布式能源系統(tǒng)。

截止到2008年，歐盟27國的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)裝機容量為100.2 GW，全年發(fā)電量為370.1 TW·h，占總發(fā)電量的11.0%，其中丹麥聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量占全國發(fā)電量最高（46.1%），而德國聯(lián)供系統(tǒng)的裝機容量是最高的，占歐盟總?cè)萘康?1.9%。截止到2010年3月，日本冷熱電聯(lián)供項目總數(shù)已達8444個，裝機容量達9440 MW，占電力總裝機容量的近3.4%。與美國、歐盟相比，日本的聯(lián)供系統(tǒng)主要以小型化為主，平均規(guī)模約1.1 MV，75%聯(lián)供項目被應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域，包括醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)建筑等公共設(shè)施。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國家發(fā)改委在2011年下發(fā)的《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》中指出，天然氣分布式能源在國際上發(fā)展迅速，但我國天然氣分布式能源尚處于起步階段。推動天然氣分布式能源，具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。目前，我國天然氣供應(yīng)日趨增加，智能電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，專業(yè)化服務(wù)公司方興未艾，天然氣分布式能源在我國已具備大規(guī)模發(fā)展的條件。

我國首例公共建筑實施分布式供能系統(tǒng)是上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，由于實際運行的情況與設(shè)計工況存在較大的差異，導(dǎo)致能源生產(chǎn)力過剩，運行成本高，現(xiàn)已處于停用整改狀態(tài)。

廣州大學(xué)城分布式能源站項目利用廣東液化天然氣項目的天然氣資源，采用燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為動力源進行發(fā)電，同時乏汽通過管道送往大型制冷站進行區(qū)域供冷，系統(tǒng)綜合熱效率達80.9%，目前項目運行良好。北京次渠調(diào)壓站三聯(lián)供能源中心和燃氣調(diào)度指揮大樓能源中心兩個示范性項目，由于是參照常規(guī)暖通空調(diào)設(shè)計指標，導(dǎo)致設(shè)備容量配置過大，引起項目初投資高，投資回收年限超出項目可行性限制。

從現(xiàn)有國內(nèi)項目案例看出，天然氣冷熱電聯(lián)供項目對系統(tǒng)資源配置和運行優(yōu)化具有較高的技術(shù)要求，才能充分發(fā)揮出天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能源利用率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點。隨著我國對能源環(huán)境問題日益關(guān)注，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景，因此冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的合理配置和優(yōu)化顯得至關(guān)重要。

3 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案

天然氣分布式能源系統(tǒng)主要包括：發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)（汽輪機、燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機及配套的發(fā)電機），供熱和制冷系統(tǒng)（余熱鍋爐、汽—水換熱器、電制冷機、溴化鋰吸收式冷熱水機等），中央控制系統(tǒng)，冷熱調(diào)節(jié)裝置及與其配套的熱力管網(wǎng)[2]，見圖1。

天然氣分布式能源系統(tǒng)的主要特點為能源利用率高、清潔環(huán)保。有關(guān)統(tǒng)計資料顯示：每使用1萬m3天然氣，可減少消耗標煤12.7 t，減排二氧化碳33 t。三聯(lián)供系統(tǒng)（Combined Cooling Heating and Power）是分布式能源系統(tǒng)中的典型代表，系統(tǒng)靈活、投資小、能量損耗低，成為未來分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[3]。

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的尾氣主要有兩種處理方式：一種是利用高溫?zé)煔獾臒崃窟M行二次換熱，將熱水或蒸汽輸送至制冷機組中制冷；另一種是直接將高溫?zé)煔廨斔椭翢煔庑椭评錂C組制冷，這種方式減少了中間二次換熱過程。下面重點闡述其具體形式。

3.1 燃氣輪機+直燃溴化鋰吸收式空調(diào)機組方案

天然氣在動力裝置中燃燒后，產(chǎn)生的煙氣溫度通常達到400℃，且含氧量高。溴化鋰制冷機組可以直接利用排氣的熱量進行制冷，或者將排氣作為助燃空氣和燃氣一起進行二次燃燒，熱回收效率達90%以上，具體流程如圖2所示。

該系統(tǒng)方案由于減少了余熱鍋爐和蒸汽排泄系統(tǒng)等設(shè)備，提高了機組運行效率，制冷系數(shù)可達到1.27以上；在燃氣輪機停止運行或沒有足夠熱量的高溫排氣時，燃氣可直接補燃溴化鋰吸收式制冷機組，直燃運行。這種機組方案在燃氣輪機電廠或自備電站的改造中應(yīng)用比較廣泛。

3.2 燃氣輪機+余熱鍋爐+蒸汽溴化鋰吸收式空調(diào)機組方案

燃氣輪機發(fā)電后，煙氣通常還具有較高的熱量，如果直接排入大氣中，不僅造成能量的浪費，也造成了環(huán)境污染。通常利用余熱鍋爐將這部分煙氣回收利用，轉(zhuǎn)換成蒸汽。冬季利用熱交換器進行供暖，夏季則利用溴化鋰吸收式制冷機組進行制冷。為了保障系統(tǒng)能夠正常運行，通常另設(shè)置一臺小型燃氣備用鍋爐，當(dāng)燃氣輪機排氣的熱量不足以滿足供暖制冷負荷時，備用燃氣鍋爐燃燒燃料以供系統(tǒng)使用，其工藝流程如圖3所示。

溴化鋰制冷機組充分利用燃氣輪機的乏汽余熱進行制冷，提高了系統(tǒng)的能源綜合利用率；系統(tǒng)綜合制冷系數(shù)可達1.30，且制冷負荷能夠靈活調(diào)節(jié)，能夠合理匹配各類建筑物的不同負荷需求。同時溴化鋰制冷機組產(chǎn)生的冷量能夠冷卻燃氣輪機的進氣。

3.3 燃氣-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)+吸收式制冷機組方案

燃氣輪機發(fā)電后產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，通過余熱鍋爐進行回收利用，轉(zhuǎn)換為蒸汽，當(dāng)這部分的蒸汽熱量較高時，利用蒸汽輪機進行發(fā)電，發(fā)電后部分的乏汽或抽氣，熱量相對于燃氣輪機的乏汽大大減小，一部分用于制冷機組制冷，一部分利用熱交換器進行熱水供暖，或者直接利用乏汽進行提供蒸汽負荷。系統(tǒng)流程如圖4所示。

4 結(jié)語

本文主要針對中小型或者小型燃氣輪機的三聯(lián)供系統(tǒng)，研究了3種天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)配置方案，對不同方案的特點進行了分析。

參考文獻：

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