冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)兩級(jí)調(diào)峰方案分析

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(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

分布式能源是一種臨近用戶(hù)側(cè)實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的先進(jìn)供能系統(tǒng)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是其主要應(yīng)用形式，具有能源綜合利用效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、清潔環(huán)保、安全可靠和靈活智能等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。在以天然氣為燃料的小型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，天然氣燃燒釋放出高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)而產(chǎn)生中低溫余熱進(jìn)入余熱設(shè)備制冷制熱，最終將系統(tǒng)難以轉(zhuǎn)換的熱量排到環(huán)境中[4]。但目前冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)了設(shè)備利用率不高、低負(fù)荷運(yùn)行等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)綜合利用效率不高等[5]，其主要原因是用戶(hù)負(fù)荷不僅每天逐時(shí)有波動(dòng)，而且不同季節(jié)用能也不相同。

陳修文[6]等采用了自然水分層蓄能設(shè)備來(lái)平衡峰谷負(fù)荷變化，進(jìn)而提高了系統(tǒng)全年熱經(jīng)濟(jì)性。Aowabin Rahman[7]等由于儲(chǔ)能水箱其低成本和高熱容量，提出了一個(gè)帶有兩個(gè)熱交換器的加壓水箱，進(jìn)而使分布式供能系統(tǒng)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(diào)節(jié)電負(fù)荷,提出了一種削減峰值的策略，提高電力系統(tǒng)性能和可靠性的電網(wǎng)，同時(shí)提高了效率和降低了用戶(hù)的電費(fèi)。馮志兵[9]和杜玉吉[10]等利用可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)回?zé)崞鞲淖兞伺诺较掠蔚挠酂?，進(jìn)而來(lái)調(diào)節(jié)用戶(hù)冷/熱負(fù)荷變化。鄭莆燕[11]等利用蓄冷蓄熱水箱和可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)相結(jié)合提出了兩級(jí)調(diào)峰方法，并構(gòu)建了兩級(jí)調(diào)峰系統(tǒng)，初步研究結(jié)果表明：兩級(jí)調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠很好的解決用戶(hù)短時(shí)間和跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)間變負(fù)荷調(diào)峰問(wèn)題，與只有水箱調(diào)節(jié)的系統(tǒng)相比，燃?xì)廨啓C(jī)無(wú)閑置均滿負(fù)荷發(fā)電，提高了設(shè)備的利用率和發(fā)電效率，并且系統(tǒng)的節(jié)能效果非常明顯。目前關(guān)于可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從兩級(jí)調(diào)峰的角度分析的文獻(xiàn)很少，基于熱力學(xué)第二定律來(lái)研究冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)兩級(jí)調(diào)峰不同方案的熱經(jīng)濟(jì)性以及其內(nèi)部的能耗分布特征尚未有文獻(xiàn)詳細(xì)說(shuō)明。

本文利用兩級(jí)調(diào)峰方法，構(gòu)建了下游用戶(hù)側(cè)蓄冷蓄熱水箱和上游供能側(cè)可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)的兩級(jí)調(diào)峰系統(tǒng)，并計(jì)算出兩級(jí)調(diào)峰方案。把該系統(tǒng)劃分為三個(gè)層級(jí)，采用分析方法建立平衡方程并計(jì)算各個(gè)層級(jí)全年的指標(biāo)，對(duì)比分析各個(gè)層級(jí)中不同方案的熱經(jīng)濟(jì)性及損分布特性等。

1 兩級(jí)調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

如圖1所示，該系統(tǒng)把天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)透平進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生高品質(zhì)的電能，進(jìn)而排出中溫燃?xì)猓徊糠诌M(jìn)入回?zé)崞髋c壓縮空氣熱交換，提高進(jìn)入燃燒室壓縮空氣的溫度，從源頭上達(dá)到節(jié)能減排的目的，再與未經(jīng)過(guò)回?zé)崞鳠峤粨Q的燃?xì)鈪R合，然后燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣流經(jīng)煙氣型雙效溴化鋰制冷機(jī)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(huán)境中。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)下游用戶(hù)側(cè)利用蓄熱蓄冷水箱來(lái)存儲(chǔ)冷/熱水和生活熱水，通過(guò)調(diào)節(jié)水箱來(lái)改變對(duì)用戶(hù)的供能量，來(lái)應(yīng)對(duì)用戶(hù)每天逐時(shí)的負(fù)荷變化[12]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)側(cè)的穩(wěn)定供能，起到用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能調(diào)峰的作用，這為第一級(jí)調(diào)峰。水箱能調(diào)節(jié)逐時(shí)日負(fù)荷變化，由于存儲(chǔ)時(shí)間有限，故是不能調(diào)節(jié)跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷變化的。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)上游供能側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)回?zé)嵴{(diào)節(jié)閥X值，改變了流經(jīng)回?zé)崞魅細(xì)獾谋壤?，從而調(diào)節(jié)排到下游余熱設(shè)備煙氣型雙效溴冷機(jī)和煙水換熱器的余熱熱量，來(lái)改變上游供能設(shè)備對(duì)下游用戶(hù)的供能量，來(lái)應(yīng)對(duì)用戶(hù)全年跨季節(jié)長(zhǎng)時(shí)間變負(fù)荷，起到上游供能側(cè)調(diào)峰作用，這為第二級(jí)調(diào)峰，回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)能調(diào)節(jié)長(zhǎng)時(shí)間季節(jié)性負(fù)荷變化，有響應(yīng)速度慢，故不適用于日負(fù)荷變化逐時(shí)調(diào)節(jié)?，F(xiàn)將兩者結(jié)合同時(shí)調(diào)節(jié)用戶(hù)逐時(shí)日負(fù)荷變化和季節(jié)性負(fù)荷變化。

2 兩級(jí)調(diào)峰冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案

2.1 用戶(hù)負(fù)荷

本文以農(nóng)村城鎮(zhèn)化過(guò)程中的北方某新型居民區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)其用能進(jìn)行調(diào)研可得該社區(qū)居民夏季、冬季和過(guò)渡季三個(gè)典型日的冷熱負(fù)荷變化如圖2所示，三個(gè)季節(jié)的日期數(shù)分別為96天、110天和159天[13]。

采用蓄冷蓄熱水箱調(diào)節(jié)日負(fù)荷變化后，用戶(hù)在不同季節(jié)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(jí)調(diào)峰系統(tǒng)利用可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)通過(guò)改變回?zé)崞麝P(guān)閉度X來(lái)調(diào)節(jié)排到下游的余熱熱量，滿足不同季節(jié)典型工作日所需不同余熱的情況。

表1用戶(hù)在不同季節(jié)典型工作日所需的時(shí)均余熱熱量

季節(jié)夏季冬季過(guò)渡季余熱熱量/kW2 370.312 237.781 370.10

2.2 可調(diào)回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中提供可調(diào)回?zé)岬腂owmanTG80微型燃?xì)廨啓C(jī)，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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率ηg和排煙溫度T4b隨回?zé)崞麝P(guān)閉度X的變化，可得改燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱Qw,x隨X的變化，如表2所示。

表2可調(diào)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)隨回?zé)崞麝P(guān)閉度變工況的參數(shù)

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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)峰方案

在上述冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，采用BowmanTG80微型燃?xì)廨啓C(jī)作為供能設(shè)備，并且每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崞麝P(guān)閉度一致(即X值相等)，煙氣型雙效溴化鋰制冷機(jī)制冷系數(shù)ηcop和制熱系數(shù)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(shè)這3個(gè)參數(shù)不隨下游用戶(hù)側(cè)負(fù)荷變化和上游供能側(cè)余熱變化而變化，并忽略下游用戶(hù)側(cè)蓄熱蓄冷水箱的熱量損失。根據(jù)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)上下游能量供需關(guān)系得兩級(jí)調(diào)峰方案，如表3。

表3系統(tǒng)調(diào)峰方案

方案季節(jié)臺(tái)套數(shù)/臺(tái)XX—燃?xì)廨啓C(jī)效率/[%]發(fā)電功率/kW燃燒室口溫度/℃溴冷機(jī)進(jìn)口溫度/℃換熱器進(jìn)口溫度/℃夏季60.93214.67480218.3592.1323.4方案1冬季60.8590.62115.29480246.1567.3281.9過(guò)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(guò)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(guò)渡季80.02523.99640554.2287.2286.7

(1)

式中Xs、Xw、Xts——兩級(jí)調(diào)峰方案中夏季、冬季和過(guò)度季的回?zé)崞麝P(guān)閉度。

3 火用方法分析

3.1 火用值計(jì)算與火用分析指標(biāo)

在某個(gè)確定的環(huán)境條件下，任何形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量稱(chēng)為[15]。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析計(jì)算涉及四種[16-18]，其計(jì)算依據(jù)和公式如表4所示。

表4 火用值計(jì)算

機(jī)械和電焓化學(xué)依據(jù)高品質(zhì)能,能夠全部轉(zhuǎn)化為有效能,即全部為。穩(wěn)定工質(zhì)從任一給定狀態(tài)流經(jīng)開(kāi)口系統(tǒng)以可逆的方式轉(zhuǎn)換到環(huán)境狀態(tài),只與環(huán)境交換熱量時(shí)做出的最大有用功。燃料包括燃料顯熱、化學(xué)和擴(kuò)散。擴(kuò)散實(shí)際過(guò)程中難以被采用,通常不予考慮。顯熱由焓計(jì)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(fā)電功率，kW；e為比，kJ/kg；h和h0為單位質(zhì)量穩(wěn)流工質(zhì)的焓和環(huán)境的焓，kJ/kg；s和s0單位質(zhì)量穩(wěn)流工質(zhì)的熵和環(huán)境的熵 ；M為穩(wěn)流工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；HL(T0)為燃料低位發(fā)熱值，kJ/kg；Eu,f為燃料的化學(xué)，kW；m為燃料的質(zhì)量流量，kg/s。環(huán)境基準(zhǔn)為T(mén)0=273.15 KP0=0.101 3 MPa。

(2)

3.2 火用分析

表5系統(tǒng)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(jí)調(diào)峰方案中，隨著回?zé)崞麝P(guān)閉度的逐漸減小，使排到下游余熱溫度降低。由于進(jìn)入煙氣型雙效溴冷機(jī)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(yīng)設(shè)備的不可逆損失減小等，故煙氣型雙效溴冷機(jī)和煙水換熱器的損系數(shù)均降低。

在兩級(jí)調(diào)峰方案中，隨著回?zé)崞麝P(guān)閉度的減小，消耗天然氣的量減少。由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率增加，單位燃料相應(yīng)的空氣量增加，系統(tǒng)輸入單位時(shí)，壓氣機(jī)不可逆損失增大，所以壓氣機(jī)損系數(shù)增大。由于進(jìn)入透平燃?xì)鉁囟忍岣吆腿細(xì)饬髁吭龃螅到y(tǒng)輸入單位時(shí)，透平不可逆損失增大，故透平損系數(shù)增大。進(jìn)入回?zé)崞鞯睦鋲嚎s空氣溫度和回?zé)崛細(xì)鉁囟葞缀醪蛔?，但是進(jìn)入回?zé)崞鞯臒煔饬髁吭谠黾?，使回?zé)崞鞯膿p系數(shù)也增大。

4 結(jié)論

(3)兩級(jí)調(diào)峰方案通過(guò)減小回?zé)崞麝P(guān)閉度來(lái)提高預(yù)熱空氣溫度，降低了燃燒室中的不可逆損失，同時(shí)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(lái)減小系統(tǒng)損系數(shù)，故通過(guò)減小年均回?zé)崞麝P(guān)閉度可以有效減少兩級(jí)調(diào)峰系統(tǒng)的損失。