一種分布式供能系統(tǒng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚的案例研究

羅 寧， 何 青

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚需要有完善的光照系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、CO2濃度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、灌溉噴霧系統(tǒng)等。目前農(nóng)業(yè)大棚采用的系統(tǒng)包括：(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)與溫室大棚相結(jié)合；(2)太陽能光伏技術(shù)與地下水源熱泵結(jié)合[1,2]。

天然氣分布式供能系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP) 在我國得到了初步發(fā)展，達(dá)到了一定的節(jié)能減排效果，但通過實(shí)際運(yùn)行得出的經(jīng)驗(yàn)來看，存在一些政策和技術(shù)層面上的問題，這些問題從一定程度上影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的因素主要有：(1)負(fù)荷特點(diǎn)；(2)運(yùn)行模式；(3)補(bǔ)貼及稅收政策；(4)并網(wǎng)成本[3,4]。

美國天然氣分布式供能得到了良好的發(fā)展。根據(jù)美國能源部規(guī)劃，到2020年，美國將新增各類熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組9 500 萬kW，屆時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組裝機(jī)容量將占全國發(fā)電總裝機(jī)容量29%，其中天然氣分布式供能系統(tǒng)將占據(jù)增長的主要地位[5]。同時(shí)，根據(jù)美國能源部預(yù)測，到2035年，天然氣在工業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步加強(qiáng)，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的天然氣量將在2009年的基礎(chǔ)上增長27%，主要來自于天然氣分布式能源在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[6]。天然氣能源的特點(diǎn)非常適合分布式供能系統(tǒng)，并且天然氣作為清潔能源有很廣闊的發(fā)展市場，因此考慮設(shè)計(jì)一個(gè)以天然氣為核心的分布式供能系統(tǒng)為大棚提供冷、熱、電需求。該系統(tǒng)將考慮不同能量的品位，并且根據(jù)品位的高低逐級(jí)利用，從而做到冷、熱、電3種能量的有機(jī)統(tǒng)一，盡可能實(shí)現(xiàn)能量利用的最大化，提高系統(tǒng)能量的綜合利用率，將系統(tǒng)的效率最大化[7]。本系統(tǒng)是對原有供能方式的改進(jìn)，不涉及系統(tǒng)其他部位的改造，并且持續(xù)穩(wěn)定，不受地區(qū)，天氣等外部條件的影響，應(yīng)用范圍較廣。

在確定大棚一年內(nèi)的冷熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上，通過分析大棚內(nèi)的負(fù)荷特點(diǎn)，選擇合適的設(shè)備為大棚供能，通過具體的負(fù)荷數(shù)值，根據(jù)以熱定電的原則，確定各設(shè)備的型號(hào)和參數(shù)，最終設(shè)計(jì)一套完整的分布式系統(tǒng)為大棚供能，并確定系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備在不同季節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)[8,9]。在此基礎(chǔ)上，確定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的能量，并計(jì)算分產(chǎn)系統(tǒng)全年的能量消耗量，將兩者進(jìn)行對比，得出量化的結(jié)果，以確定該分布式供能系統(tǒng)是否節(jié)能。由于本文涉及到CO2的減排量，因此還要算出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的CO2減排量。

此外由于本系統(tǒng)的燃料是天然氣，故系統(tǒng)排放的煙氣中含有CO2，因此可以考慮將系統(tǒng)排放的煙氣通入大棚內(nèi)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(tǒng)的供能大棚相比具有循環(huán)低碳，環(huán)境友好，持續(xù)穩(wěn)定的突出優(yōu)勢[10,11]。

1 大棚負(fù)荷分析及設(shè)備選取

1.1 大棚結(jié)構(gòu)

以上海某農(nóng)業(yè)設(shè)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(jié)構(gòu)：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?？偣灿?0個(gè)溫室組成，兩排連棟溫室，一排五個(gè)。溫室由鋼架結(jié)構(gòu)搭建而成，由透明玻璃作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地區(qū)選擇上海。連棟溫室東西延伸，坐北朝南。溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單溫室概況圖

1.2 大棚CO2逐時(shí)需求量

引用參考文獻(xiàn)[12]得到表1，此二氧化碳需求量是以大棚內(nèi)的農(nóng)作物黃瓜測出的，并且按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計(jì)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(nèi)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(tǒng)產(chǎn)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(jìn)CO2的減排。

1.3 大棚各個(gè)季節(jié)典型日負(fù)荷

經(jīng)過對全年氣候的分析，將全年分成3個(gè)季節(jié)：夏季、冬季和過渡季。通過處理全年的負(fù)荷數(shù)據(jù)，得出3個(gè)季節(jié)的典型日負(fù)荷，匯總?cè)绫?所示，其中負(fù)值表示熱負(fù)荷，正值表示冷負(fù)荷[13]。

表2 各個(gè)季節(jié)典型日負(fù)荷匯總表 kW

2 分布式供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 蓄熱/冷水箱容量計(jì)算和選擇

2.1.1 蓄冷/熱水箱容量計(jì)算方法

系統(tǒng)采用蓄能水箱來平衡24 h內(nèi)的負(fù)荷差異，蓄能水箱的作用就是在能量多余時(shí)儲(chǔ)存起來，在能量不夠時(shí)再進(jìn)行釋放。根據(jù)此原理，進(jìn)行蓄熱/冷水箱的容量計(jì)算[14,15]。

2.1.2 蓄冷/熱水箱容量選擇

根據(jù)蓄冷/熱水箱容量確定流程的計(jì)算方法，可以計(jì)算各個(gè)季節(jié)的蓄冷/蓄熱水箱容量。

圖2所示為夏季蓄能裝置實(shí)際容量的確定?？梢运愠鲋评?制熱機(jī)的容量為1 216.83 kW，這一數(shù)值沒有考慮蓄能裝置的效率，是理想數(shù)值。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)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(jié)果需要修正，修正結(jié)果為1 230.65 kW，這是因?yàn)樾钅苎b置會(huì)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(chǔ)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(jìn)而計(jì)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(shí)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(shí)際容量。根據(jù)此數(shù)值可以計(jì)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(shí)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(shí)際容量。根據(jù)此數(shù)值可以計(jì)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(shí)際容量的確定

根據(jù)上面3個(gè)季節(jié)蓄能裝置容量的計(jì)算，可以得出表3，通過表3中的數(shù)值對比，可以清晰地選擇其中最大的一個(gè)數(shù)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(gè)季節(jié)蓄冷/熱量對比 kW

2.2 吸收式制冷/制熱機(jī)基本參數(shù)確定

根據(jù)上文負(fù)荷算出的各個(gè)季節(jié)的儲(chǔ)存能量，可以確定各個(gè)季節(jié)的制冷和制熱量，如表4所示。此容量是根據(jù)制冷機(jī)24 h運(yùn)行算出的。

表4 各個(gè)季節(jié)制冷/熱量對比 kW

3 系統(tǒng)設(shè)備夏季運(yùn)行方式的確定

3.1 吸收式制冷機(jī)夏季運(yùn)行方式確定

根據(jù)選定的溴冷機(jī)功率233 kW，可以確定系統(tǒng)在夏季需要運(yùn)行的臺(tái)數(shù)為6臺(tái)。

每臺(tái)溴冷機(jī)需要的余熱量：

(1)

式中：P1為溴冷機(jī)的運(yùn)行功率，kW；COP為制冷量與輸入能量的比值。

單位質(zhì)量的煙氣的放熱量：

q1=cp,g(t1-t2)

(2)

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

每臺(tái)溴冷機(jī)的燃?xì)夂牧浚?/p>

(3)

式中：q1為單位質(zhì)量煙氣的放熱量，kJ/kg。

根據(jù)上述計(jì)算過程，可以得到夏季溴冷機(jī)的參數(shù)如表5所示。

表5 夏季溴冷機(jī)的參數(shù)

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)計(jì)算和選擇

壓氣機(jī)理想出口溫度：

(4)

式中：T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，K；π為壓氣機(jī)壓比；Ka為空氣等熵滯止系數(shù)。

壓氣機(jī)等熵效率：

(5)

式中：T2 s為壓氣機(jī)理想出口溫度，K；T2為壓氣機(jī)實(shí)際出口溫度，K。

壓氣機(jī)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(jìn)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(guān)系：

(8)

式中：Kg為天然氣等熵滯止系數(shù)。

透平膨脹功：

Wt=cp,g(T3-T4)

(9)

式中：T3為燃?xì)馔钙饺肟跍囟龋琄；T4為燃?xì)馔钙匠隹跍囟?，K。

燃燒室內(nèi)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?xì)廨啓C(jī)軸功率：

P1=Pwηmηg

(12)

式中：ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電效率；Pw為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率，kW。

燃?xì)廨啓C(jī)比功：

Wn=ηm(Wt-Wc)

(13)

壓氣機(jī)吸入的空氣流量：

(14)

燃料流量：

qmf=fqm

(15)

燃?xì)廨啓C(jī)的效率：

(16)

透平進(jìn)口的燃?xì)饬髁浚?/p>

qmgs=qm(1+f-μcl)

(17)

式中：μcl為從壓氣機(jī)抽引的空氣的比率。

由于夏季是6臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行，因此先根據(jù)一臺(tái)溴冷機(jī)的參數(shù)確定燃?xì)廨啓C(jī)的功率。根據(jù)上述計(jì)算，再通過燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)的對比，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)選用兩臺(tái)80 kW的燃?xì)廨啓C(jī)對應(yīng)一臺(tái)溴冷機(jī)比較適合。機(jī)械效率選取0.99，發(fā)電效率選取0.98，從壓氣機(jī)抽引的空氣的比率選為0，由上述計(jì)算，可以得出燃?xì)廨啓C(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)果如表6所示。

表6 夏季燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)參數(shù)

3.3 煙氣產(chǎn)量和煙氣消耗量校核

由于在回?zé)岫葹?.2的情況下，回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟葧?huì)比較高為518.69 ℃，而溴冷機(jī)的入口煙氣溫度需要保持在300 ℃，因此從回?zé)崞鞒隹诘臒煔獠荒苤苯右源烁邷赝ㄟ^溴冷機(jī)，溴冷機(jī)入口需要摻入冷空氣與高溫?zé)煔膺M(jìn)行混合，使高溫?zé)煔獾臏囟冉档?00 ℃。冷空氣流量可由公式(18)得到。

(18)

式中：T4′為回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟?，K。

由上述一系列的計(jì)算可以最終得到溴冷機(jī)的煙氣流量為1.28 kg/s，而一臺(tái)溴化鋰制冷機(jī)的煙氣耗量為1.28 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在此工況下可以正常運(yùn)行。夏季系統(tǒng)的運(yùn)行是兩臺(tái)80 kW的燃?xì)廨啓C(jī)對應(yīng)一臺(tái)溴冷機(jī)，共6組。溴冷機(jī)每臺(tái)開88%，通過對比煙氣量可以算出燃?xì)廨啓C(jī)在夏季為一天24 h滿負(fù)荷運(yùn)行。

4 冬季和過渡季運(yùn)行系統(tǒng)及校核

4.1 冬季運(yùn)行方式及校核

根據(jù)夏季算出的溴冷機(jī)功率以及燃?xì)廨啓C(jī)功率，再結(jié)合冬季的負(fù)荷需求特點(diǎn)，制定出系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行方案為一臺(tái)溴冷機(jī)運(yùn)行。因此溴冷機(jī)在一天內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間為11：00～18：00，即在白天連續(xù)6 h以最大制冷負(fù)荷運(yùn)行， 根據(jù)溴冷機(jī)的運(yùn)行方式，可以算出溴冷機(jī)的燃?xì)夂牧?，結(jié)果如表7所示。通過溴冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)可以得到對應(yīng)狀態(tài)下的燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果如表8所示。

表7 冬季溴冷機(jī)的各個(gè)參數(shù)

由于已知回?zé)崞鞒隹诘臒煔饬髁繛?.67 kg/s，回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟葹?93.86 ℃，且環(huán)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(jìn)行溴冷機(jī)的煙氣流量為1.48 kg/s，而一臺(tái)溴化鋰制冷機(jī)的煙氣耗量為1.45 kg/s，煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在溴冷機(jī)運(yùn)行的工況下可以正常運(yùn)行。

表8 冬季燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)

4.2 過渡季的運(yùn)行方式及校核

根據(jù)夏季計(jì)算出的溴冷機(jī)功率以及燃?xì)廨啓C(jī)功率，再結(jié)合過渡季的冷負(fù)荷需求比熱負(fù)荷需求大，且熱負(fù)荷需求量較少的負(fù)荷需求特點(diǎn)，則溴冷機(jī)出口的煙氣余熱量就可以滿足制熱需求，而且制冷負(fù)荷和一臺(tái)溴冷機(jī)的額定功率比較接近，是其額定功率的80%，因此考慮系統(tǒng)在過渡季的運(yùn)行方案為一臺(tái)溴冷機(jī)全天運(yùn)行，這樣會(huì)使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好。具體運(yùn)行方案如表9所示。

表9 過渡季溴冷機(jī)運(yùn)行方式

通過溴冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)可以得到對應(yīng)狀態(tài)下的燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果如表10所示。

表10 過渡季燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行參數(shù)

由于已知回?zé)崞鞒隹诘臒煔饬髁繛?.67 kg/s，回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟葹?18.69 ℃，且環(huán)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(jìn)行溴冷機(jī)的煙氣流量為1.27 kg/s，而一臺(tái)溴化鋰制冷機(jī)的煙氣耗量為1.20 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在此工況下可以正常運(yùn)行。

5 分布式供能系統(tǒng)的計(jì)算

5.1 煤耗對比

熱電聯(lián)產(chǎn)和熱電分產(chǎn)節(jié)能對比的基礎(chǔ)是兩者的產(chǎn)品相同，只有在這個(gè)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(jìn)行節(jié)能對比，就要根據(jù)大棚的全年冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，算出熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年運(yùn)行的能耗以及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠提供的電量，從而確定熱電分產(chǎn)系統(tǒng)需要提供的能量，再計(jì)算出熱電分產(chǎn)的能耗。這樣就可以保證兩種供能方式的產(chǎn)品相同，在此基礎(chǔ)上得到的兩種方式的煤耗對比才會(huì)有分析的價(jià)值。兩種供能形式的對比如表11所示。

表11 聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)的供能方式對比

5.2 聯(lián)產(chǎn)煤耗

全年的時(shí)間按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計(jì)，由此可計(jì)算出各個(gè)季節(jié)的燃料消耗量，進(jìn)而可以計(jì)算出燃?xì)廨啓C(jī)在全年的燃?xì)庀牧?，天然氣的熱值已知?7 334.53 kJ/kg，由此可以算出燃?xì)廨啓C(jī)全年運(yùn)行消耗的能量，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29 307.6 kJ/kg，因此可以算出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤的量。具體數(shù)據(jù)如表12所示。

表12 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的煤耗

5.3 分產(chǎn)煤耗

全年總冷負(fù)荷能量：

QL=QXLTX+QDLTD+QGLTG

(19)

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

全年總熱負(fù)荷能量：

QR=QXRTX+QDRTD+QGRTG

(20)

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

中央空調(diào)全年制冷用電量：

(21)

式中：COP為中央空調(diào)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(biāo)準(zhǔn)煤：

(23)

全年產(chǎn)電量消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤：

(24)

式中：Wc為全年產(chǎn)電量，kW·h。

按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計(jì)算，根據(jù)大棚在各個(gè)季節(jié)典型日的負(fù)荷分布可以計(jì)算出大棚在全年的總制冷負(fù)荷、總制熱負(fù)荷。通過上述一系列的計(jì)算可以確定分產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量，結(jié)果如表13所示。

表13 分產(chǎn)系統(tǒng)的煤耗計(jì)算

5.4 煤耗量對比分析

由上述兩節(jié)的內(nèi)容可以確定出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)各項(xiàng)煤耗量，將各參數(shù)進(jìn)行對比可以得到圖5。

圖5 聯(lián)產(chǎn)/分產(chǎn)各個(gè)季節(jié)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(biāo)準(zhǔn)煤的量分別進(jìn)行了對比，從圖5中可以看出，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在夏季消耗的標(biāo)煤量比分產(chǎn)多35.98 t，冬季消耗的標(biāo)煤量比分產(chǎn)少122.27 t，過渡季則比分產(chǎn)多10.04 t，全年綜合則是聯(lián)產(chǎn)比分產(chǎn)消耗的少76.26 t。此外還可以看出兩個(gè)系統(tǒng)的共同點(diǎn)：在夏季消耗的標(biāo)煤量比冬季和過渡季明顯多很多，比另外兩個(gè)季節(jié)的總和還要多，這和大棚內(nèi)的負(fù)荷有關(guān)，由于夏季冷負(fù)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(biāo)對比分析

在進(jìn)行排放指標(biāo)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(biāo)，通過查取各數(shù)值，匯總?cè)绫?4所示。

表14 排放指標(biāo)

通過前面的計(jì)算可以得出分產(chǎn)系統(tǒng)的全年用電量為4.99×106kW·h；聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年的天然氣消耗量為1.29×106m3。分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)消耗的能量已知，各排放指標(biāo)也已知，因此可以計(jì)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，所產(chǎn)生的CO2量顯著的減少了，幾乎為分產(chǎn)的一半；NOx的排放量也很少；SOx以及粉塵量都為0。因?yàn)樘烊粴馐乔鍧嵞茉矗晕廴疚锱欧帕靠梢源蠓档?，從而可以有效改善?dāng)前環(huán)境的PM2.5問題，此外系統(tǒng)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(chǎn)生的排放量

圖6 聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)排放量對比圖

之所以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2量少，是因?yàn)槁?lián)產(chǎn)全年消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤比分產(chǎn)消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤少76.26 t，因此從標(biāo)準(zhǔn)煤這一基準(zhǔn)來看，聯(lián)產(chǎn)排放的CO2量就會(huì)少，而且更加節(jié)能。通過以上的對比，可以得出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)相比，在減排方面有很突出的優(yōu)勢。

6.2 聯(lián)產(chǎn)CO2被利用的減排量

生活中使用的各種燃?xì)猓瑢?shí)際上是混合氣體，是由可燃?xì)怏w和一些不可燃?xì)怏w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(huì)燃燒產(chǎn)生CO2，由于天然氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)94.09%，因此在計(jì)算時(shí)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(jìn)行計(jì)算。根據(jù)CH4的燃燒化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

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

(25)

圖7是分產(chǎn)、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2未利用和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在考慮大棚利用CO2的情況下，CO2的排放量最低，此時(shí)的排放量約為分產(chǎn)排放量的40%，因此聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以最大限度地減少CO2的排放量。

圖7 聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)CO2減排量對比圖

7 結(jié)論

(1)通過大棚各個(gè)季節(jié)典型日的冷、熱負(fù)荷對比，確定了系統(tǒng)需要蓄冷/蓄熱水箱來調(diào)節(jié)24 h內(nèi)的負(fù)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(tǒng)需要利用煙氣的余熱，因此選用溴冷機(jī)來利用煙氣的余熱，結(jié)合大棚所需負(fù)荷的特點(diǎn)為冷負(fù)荷較多，熱負(fù)荷較少，冷熱負(fù)荷之間無法做到匹配，因此選擇單效煙氣溴冷機(jī)來利用煙氣的余熱產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的冷量，確定溴冷機(jī)功率為233 kW，臺(tái)數(shù)為6臺(tái)。

(2)由于夏季工況下的負(fù)荷值較大，因此整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算以夏季工況為基準(zhǔn)。通過溴冷機(jī)的功率和臺(tái)數(shù)來計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)的功率為 80 kW，臺(tái)數(shù)為12臺(tái)，和溴冷機(jī)之間的運(yùn)行方式為2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)帶1臺(tái)溴冷機(jī)。系統(tǒng)冬季和過渡季的運(yùn)行只做校核計(jì)算。

(3)計(jì)算聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)各自的CO2排放量，通過對比發(fā)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)減排CO2的量為2.44×106kg，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)生CO2量的17.5%，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2量理論上滿足需求。

(4)確定分產(chǎn)的供能方式為中央空調(diào)制冷，電加熱，根據(jù)需要提供的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷和產(chǎn)電量分別計(jì)算出分產(chǎn)系統(tǒng)全年的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，最后將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對比，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)更加節(jié)能，節(jié)能量為76.26 t標(biāo)準(zhǔn)煤。天然氣分布式供能系統(tǒng)在大棚中的應(yīng)用可以做到冷、熱、電、CO2四聯(lián)供。

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