鄭莆燕, 王 偉, 楊 宇, 曹 瑋, 史洪超
(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院, 上海 200240)
冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的兩級調(diào)峰方案研究
鄭莆燕1, 王 偉1, 楊 宇2, 曹 瑋1, 史洪超1
(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院, 上海 200240)
當前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)多采用蓄能裝置(如蓄能水箱)調(diào)節(jié)用戶冷熱日負荷的變化,但對于季節(jié)性負荷的峰谷差卻沒有很好的調(diào)節(jié)方法.針對這一問題,建立以燃氣輪機為原動機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),利用回熱器和蓄能水箱構(gòu)建兩級調(diào)峰系統(tǒng),實現(xiàn)對日負荷和季節(jié)性負荷的同步調(diào)節(jié).計算分析表明,在滿足用戶全年各時段冷熱負荷的前提下,燃氣輪機實現(xiàn)了全年滿負荷發(fā)電,并且系統(tǒng)的節(jié)能效果也有所提高.
冷熱電聯(lián)產(chǎn); 燃氣輪機; 回熱器; 水箱; 兩級調(diào)峰系統(tǒng)
以天然氣為一次能源的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是分布式供能系統(tǒng)的一種主要形式.它通過原動機(燃氣輪機、內(nèi)燃機等)發(fā)電,然后利用原動機排煙余熱制冷供熱,實現(xiàn)了能量的梯級利用,系統(tǒng)能源利用效率高、污染物排放量低,有廣闊的應(yīng)用前景,是國家重點推廣的能源利用技術(shù)[1].但目前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用中的一個很大問題就是設(shè)備利用小時數(shù)低、全年運行效率低于設(shè)計工況.這主要是因為用戶的冷/熱負荷在每天的不同時間和每年的不同季節(jié)往往變化很大,為滿足用戶的最大冷/熱需求,通常都按最大需求設(shè)計,造成運行時設(shè)備(尤其是原動機)低負荷運行或并列運行設(shè)備部分停運[2-3].
目前,分布式供能系統(tǒng)中適應(yīng)用戶冷/熱負荷變化的調(diào)峰方法主要是利用蓄冷/熱水箱[4-6],也有研究者考慮利用燃氣輪機回熱調(diào)節(jié)用戶負荷[7-8],但大多考慮的是用戶冷/熱負荷日負荷調(diào)峰的需要.本文針對以燃氣輪機為原動機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),以某用戶為例,研究回熱器和蓄熱/蓄冷水箱并存時,日負荷和季節(jié)性負荷的兩級調(diào)峰方法.
圖1給出了北方某農(nóng)村城鎮(zhèn)化居民區(qū)在夏季、冬季和過渡季(春秋季)典型工作日24 h之內(nèi)冷熱負荷的變化情況.
從圖1可以看出,生活熱水的日負荷變化最大.由此可得該用戶的各季節(jié)典型工作日的日均負荷如表1所示,3個典型季節(jié)的日均負荷變化均超過了50%.
圖2為以有回熱的燃氣輪機為原動機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng).根據(jù)冷/熱定電的原則,系統(tǒng)流程如下:空氣進入壓氣機升壓后進入回熱裝置進一步升溫,然后進入燃燒室與天然氣混合燃燒后成為高溫燃氣,進入燃氣透平膨脹做功.燃氣透平的輸出功一部分輸入壓氣機給空氣升壓,另一部分帶動發(fā)電機發(fā)電;燃氣透平的排煙送入回熱裝置,用于加熱送入燃燒室的空氣,通過旁路調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)回熱裝置回收的煙氣熱量;從回熱裝置出來的煙氣與通過旁路調(diào)節(jié)閥的煙氣匯合后,送入煙氣型雙效溴冷機.夏季時煙氣制冷模式向用戶提供冷水,冬季時煙氣制熱模式向用戶提供采暖熱水.煙水換熱器進一步利用煙氣型雙效溴冷機的排煙余熱加熱生活熱水.蓄冷/熱水箱,夏季蓄冷冬季蓄熱,通過控制閥組1控制蓄冷/熱、釋冷/熱;蓄熱水箱可存儲生活熱水,通過控制閥組2可控制其蓄熱、釋熱.
圖1不同季節(jié)用戶典型工作日負荷
表1用戶在不同季節(jié)的日均冷熱負荷kW
季節(jié)冷負荷熱負荷生活熱水夏季1360.35 1310.69冬季 839.31828.33過渡季 1355.47
在該系統(tǒng)中,通過回熱器和旁路調(diào)節(jié)閥改變?nèi)細廨啓C回熱器關(guān)閉度,進而改變?nèi)細廨啓C送入下游的余熱,實現(xiàn)對用戶冷熱負荷的季節(jié)性調(diào)峰,即第1級調(diào)峰;通過蓄冷/熱水箱和控制閥組1以及蓄熱水箱和控制閥組2的運行控制,實現(xiàn)對用戶冷熱負荷和生活熱水的日負荷調(diào)峰,即第2級調(diào)峰.有回熱的燃氣輪機BowmanTG80 型的基本參數(shù)[8]如表2所示.
圖2 兩級調(diào)峰冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意
環(huán)境溫度/℃環(huán)境壓力/MPa壓比燃氣輪機輸出功/kW燃氣輪機效率/%尾氣溫度/℃燃料流量空氣流量(kg·s-1)150.14.38024.282780.8450.8384
給上述用戶配置時,冷熱日負荷采用水箱調(diào)節(jié),BowmanTG80 型燃氣輪機需要配置5臺.表3給出了該燃氣輪機回熱器關(guān)閉度X與燃氣輪機排煙溫度T4,燃氣輪機發(fā)電效率ηg,單臺燃氣輪機提供的余熱Qw之間的關(guān)系.
通過擬合公式可得:
Qw=326.39X+261.14
(1)
根據(jù)對用戶和供能設(shè)備的分析,以用戶所需日均負荷和燃氣輪機余熱與回熱器關(guān)閉度之間的關(guān)系為核心,建立系統(tǒng)兩級負荷調(diào)峰方法,如圖3所示.
表3 有回熱燃氣輪機供熱參數(shù)隨回熱器關(guān)閉度的變化情況
第1級調(diào)峰是利用燃氣輪機回熱器,進行季節(jié)性的調(diào)峰.
根據(jù)用戶冷熱負荷的日均值和不同季節(jié)的需要,可得用戶側(cè)需要的上游余熱為:
(2)
圖3 兩級調(diào)峰流程
煙氣型雙效溴冷機制冷系數(shù)ξCOP和制熱系數(shù)ηh分別為1.312和0.93,煙水換熱器的換熱效率ηhw為0.95(排煙溫度為90 ℃,此效率僅考慮散熱損失),并假設(shè)這3個參數(shù)不隨負荷變化而變化.
根據(jù)式(2)確定不同季節(jié)需要的上游余熱平均值,結(jié)合式(1)可確定燃氣輪機和回熱器的運行模式如表3所示.為便于比較,表3中也列出了僅有蓄冷/熱水箱調(diào)節(jié)日負荷的情況.
表3 各季節(jié)性負荷調(diào)峰運行模式
從表3可以看出,加入回熱器調(diào)節(jié)季節(jié)性負荷形成兩級調(diào)峰后,5臺燃氣輪機可以全年滿負荷發(fā)電.而在回熱器關(guān)閉僅用水箱調(diào)節(jié)日負荷的情況下,冬季需要停運1臺燃氣輪機,過渡季節(jié)需要停運2臺燃氣輪機,投運的燃氣輪機均未滿負荷發(fā)電.
因此,采用回熱器和蓄冷/熱水箱構(gòu)成兩級調(diào)峰后,可以明顯提高設(shè)備的利用率以及系統(tǒng)的發(fā)電效率.
根據(jù)第1級調(diào)峰確定燃氣輪機運行模式后,進行第2級調(diào)峰.第2級調(diào)峰是利用蓄冷/熱水箱,進行日負荷的調(diào)峰,根據(jù)用戶每天每時的冷熱負荷需求,確定蓄冷/熱水箱的運行狀態(tài):當負荷大于日均負荷時,水箱釋能;當負荷小于日均負荷時,水箱充能.據(jù)此,針對該用戶的水箱運行模式如表4所示.
表4 蓄能水箱運行模式
在滿足用戶全年冷熱負荷的前提下,發(fā)現(xiàn)同一個用戶的不同供能方案的全年發(fā)電量并不相同.為了便于分析,在節(jié)能比較時對同一個用戶,以發(fā)電量最大的方案為基準,其他方案不足的電量則引入電網(wǎng)供電.
采用的節(jié)能指標選擇相對節(jié)能率(ESR),即:
(3)
式中:Qc——集中式供能系統(tǒng)單位時間能量消耗量;
QD——分布式供能系統(tǒng)單位時間燃料消耗量.
分產(chǎn)時制冷和供熱采用電制冷和電加熱的方式,中央空調(diào)的能效比為6,電制熱效率為1.電能則直接從電網(wǎng)引入,折算為標準煤耗時,以2016年中電聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[9]供電煤耗率312 g/kWh計算,并考慮6.47%電網(wǎng)線損率的影響.表5給出了兩種方案的能效比較結(jié)果.
表5 兩種方案的系統(tǒng)能效比較
從表5可以看出,與目前僅采用水箱調(diào)節(jié)日負荷的情況相比,采用兩級運行調(diào)峰方法時,系統(tǒng)全年總發(fā)電量增加了34.40%,相對節(jié)能率提高了5.64%.因此,本文提出的兩級調(diào)峰方法在滿足用戶冷熱需求的前提下,不僅提高了系統(tǒng)的發(fā)電量,也提高了系統(tǒng)的全年運行節(jié)能效果.而且兩種情況下設(shè)備臺套數(shù)相同,投資成本相同.運行時回熱調(diào)峰聯(lián)供系統(tǒng)全年發(fā)電量增加34.40%,天然氣消耗僅增加4.92%,因此回熱調(diào)峰聯(lián)供系統(tǒng)(即兩級調(diào)峰)發(fā)電成本低于僅有水箱調(diào)節(jié)的情況,經(jīng)濟性更好.
(1) 與僅采用水箱調(diào)節(jié)日負荷的情況相比,加入回熱器調(diào)節(jié)季節(jié)性負荷形成兩級調(diào)峰后,系統(tǒng)配置的所有燃氣輪機可以全年滿負荷發(fā)電,提高了設(shè)備的利用率和系統(tǒng)的發(fā)電效率.
(2) 在滿足用戶冷熱需求的前提下,兩級調(diào)峰不僅提高了系統(tǒng)的發(fā)電量,而且提高了系統(tǒng)的全年運行節(jié)能效果.
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ResearchofTwoLevelsofPeakPlanforCombinedColdHeatandPowerSystem
ZHENG Puyan1, WANG Wei1, YANG Yu2, CAO Wei1, SHI Hongchao1
(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.ShanghaiPowerEquipmentResearchInstitute,Shanghai200240,China)
At present,the storage device (such as the energy storage tank) is often used to adjust the change of the user’s heating and cooling daily load in Combined Cold Heat and Power System (CCHP),and there are no good methods to adjust the change of the seasonal load.In order to solve the problem,the two levels of peak system,which consists of a regenerator and a storage tank,are built for the CCHP based on the gas-turbin.Then the synchronous adjustment of daily load and seasonal load is achieved.The analysis results show that the gas-turbine generates electricity throughout the year and the energy saving effect of CCHP is improved considerably.
combined cold heat and power system; gas-turbin; recuperation; tank; two levels of peak system
10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.003
2017-05-03
鄭莆燕(1972-),女,博士,副教授,福建莆田人.主要研究方向為熱力系統(tǒng)的分析評價與優(yōu)化.E-mail:tyy33@163.com.
上海市教育委員會科研創(chuàng)新資助項目(14YZ133).
TM61;TU995.7
A
1006-4729(2017)05-0425-05
(編輯 胡小萍)