小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 潔,奚玲玲,王福祿

上海電氣輸配電集團(tuán) 上海 200042

1 概述

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)常稱為冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),以天然氣清潔能源為燃料進(jìn)行發(fā)電,利用余熱滿足單體或集群建筑的冷、熱需求。與大電廠、大供熱中心等規(guī)模化集中功能系統(tǒng)相比,小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)具有能源利用效率高、品質(zhì)高、節(jié)能、減排、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的基本運(yùn)行需遵循以下五個(gè)原則:提高能源綜合利用率;保證較高滿負(fù)荷小時(shí)數(shù);實(shí)現(xiàn)余熱梯級(jí)利用;最大限度提高發(fā)電效率;合理利用調(diào)峰設(shè)備。

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)主要由發(fā)電設(shè)備、余熱利用設(shè)備及調(diào)峰設(shè)備等組成,常涉及的發(fā)電設(shè)備有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)馔馊紮C(jī)等。廣義的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)包含活塞式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)葉輪式燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等,但一般來說燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)是指活塞式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)。目前,小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中應(yīng)用較多的發(fā)電機(jī)有燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)。

余熱利用設(shè)備主要包含煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷(熱)機(jī)組、煙氣換熱器、余熱鍋爐等設(shè)備。

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)使用的范圍包括醫(yī)院、賓館、公共交通樞紐、制冷/制熱工廠及數(shù)據(jù)中心等,對熱或者冷需求較大而且穩(wěn)定的場所。

筆者介紹的小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)選取微燃機(jī)為發(fā)電設(shè)備,煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組、煙氣換熱器為余熱利用設(shè)備,補(bǔ)燃、電制冷及制熱作為調(diào)峰設(shè)備[1]。圖1所示為小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)基本工藝流程示意圖。

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的工作流程為:一定壓力的燃?xì)馀c經(jīng)壓縮的空氣在燃燒室燃燒后,驅(qū)動(dòng)透平機(jī)發(fā)電并排出450～600 ℃高溫?zé)煔?。夏季工況時(shí),煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組利用高溫?zé)煔獾挠酂徇M(jìn)行吸收式制冷。當(dāng)余熱制冷不能滿足用戶的供冷需求時(shí),由于選取帶補(bǔ)燃工況類型的機(jī)組,可通過補(bǔ)燃增加直燃機(jī)制冷量,若仍不能滿足供冷需求時(shí),則啟動(dòng)調(diào)峰設(shè)備,如用電制冷機(jī)等制冷設(shè)備進(jìn)行制冷。冬季工況時(shí),如余熱制熱量不能滿足供熱需求,則以燃?xì)庋a(bǔ)燃增加直燃機(jī)供熱量,如仍不滿足時(shí),則直接啟動(dòng)電制熱等調(diào)峰設(shè)備供熱,滿足用戶的供熱需求[2]。煙氣換熱器對從煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組排出的煙氣進(jìn)行再次利用,可以產(chǎn)生溫度為65～95 ℃的生活熱水,供用戶使用。

圖1 小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)基本工藝流程

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的適用條件及主要特點(diǎn)為:該系統(tǒng)采用微燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī),功率小(30 kW～350 kW),質(zhì)量小,維護(hù)成本低,適合用在建筑面積較小、功能單一的場合,也可以作為包含多種能源形式的微電網(wǎng)的一個(gè)單元,與其它分布式能源協(xié)同工作。其發(fā)電效率為20%～30%,能源利用率可達(dá)75%以上。該系統(tǒng)可以根據(jù)需求添加蓄熱或者蓄冷裝置來調(diào)節(jié)外部負(fù)荷的波動(dòng)。

2 小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)為綜合了新能源和傳統(tǒng)能源利用技術(shù)的復(fù)合能源系統(tǒng),其中許多獨(dú)立設(shè)備和系統(tǒng)都有配套的控制器,并且種類不同。

根據(jù)小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)涉及的不同層次的控制現(xiàn)狀,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三層:能量管理層、中央控制層、就地控制層[3],如圖2所示。

能量管理層具有運(yùn)行優(yōu)化、能量調(diào)度,以及數(shù)據(jù)加工、管理與存儲(chǔ)功能。

圖2 小型燃?xì)夥植际侥茉纯刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

中央控制層一般配置中央控制器及人機(jī)操作界面,與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、余熱利用設(shè)備、調(diào)峰設(shè)備等就地控制器通信,采集各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)(閥門狀態(tài)、溫度、壓力、流量等),控制各個(gè)設(shè)備的啟停、模式切換、故障報(bào)警,并執(zhí)行能量管理層的調(diào)度指令,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。人機(jī)操作界面可以查看各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況,查看故障信息,可對某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在手動(dòng)模式下,可以按照流程進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的啟停操作。

就地控制層包含微燃機(jī)控制系統(tǒng)、煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)控制系統(tǒng)、煙氣換熱器控制系統(tǒng)、電制冷制熱控制系統(tǒng)等。就地控制層接收中央控制器的指令,控制微燃機(jī)、煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組和外圍設(shè)備(泵、風(fēng)機(jī)、閥門等),實(shí)現(xiàn)過程控制、安全保護(hù)及數(shù)據(jù)采集等功能。

3 微燃機(jī)的控制

3.1 微燃機(jī)工作原理

微燃機(jī)是一種新型的小型熱力發(fā)電機(jī),它將燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成一體,采用一根軸連接壓縮機(jī)、透平機(jī)和發(fā)電機(jī),使機(jī)組尺寸明顯減小,運(yùn)動(dòng)部件減少,可靠性加強(qiáng)。微燃機(jī)一般采用離心式的空氣壓縮機(jī)和向心式的透平機(jī)。先進(jìn)的微燃機(jī)還采用了回?zé)嵫h(huán)技術(shù),即在微燃機(jī)內(nèi)設(shè)置回?zé)崞?利用煙氣的熱量預(yù)熱進(jìn)入燃燒室的空氣,該技術(shù)可減少燃料消耗,降低排煙溫度,增加燃?xì)廨啓C(jī)的效率。典型微燃機(jī)工作原理如圖3所示,其工作原理為空氣壓縮機(jī)連續(xù)地從外部環(huán)境中吸入空氣并將其壓縮,被壓縮后的空氣先進(jìn)入回?zé)崞髋c煙氣換熱,溫度升高后的空氣進(jìn)入燃燒室,與噴入燃燒室的燃?xì)饣旌先紵?產(chǎn)生高溫高壓的煙氣,煙氣推動(dòng)透平機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能,做功后的煙氣進(jìn)入回?zé)崞骷訜峥諝?煙氣溫度降低,最后經(jīng)排氣管排出。微燃機(jī)可以燃燒多種燃料,余熱形式只有煙氣,排煙溫度為200～300 ℃。微燃機(jī)的單機(jī)功率為30 kW～350 kW,易于實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組的集成應(yīng)用,滿足不同用戶的需求,是小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)設(shè)備的理想選擇[4-5]。

圖3 典型微燃機(jī)工作原理

3.2 微燃機(jī)控制系統(tǒng)

微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)如圖4所示,主要由微型燃?xì)廨啓C(jī)、中央控制器、蓄電池控制系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等組成[6]。微燃機(jī)發(fā)電的控制過程為當(dāng)微燃機(jī)輸出電功率或者排煙溫度需求降低時(shí),微燃機(jī)中央控制器給燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥指令減小開度,輸入的燃?xì)鉁p少,轉(zhuǎn)速下降,同時(shí),中央控制器給變流器指令減小輸出功率。功率或者排煙溫度需求增大時(shí),則增大燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥開度,增加燃?xì)廨斎肓?轉(zhuǎn)速上升,同時(shí),中央控制器發(fā)出指令,增大變流器輸出功率。這一發(fā)電過程時(shí)間為3～15 s。微燃機(jī)控制系統(tǒng)通過設(shè)定的排氣溫度和發(fā)電機(jī)功率來控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和微燃機(jī)的進(jìn)氣流量。

圖4 微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí),無論是采用手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式,在啟動(dòng)微燃機(jī)之前,必須保證煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組已經(jīng)啟動(dòng),煙氣入口閥門必須開啟,煙氣旁通閥必須關(guān)閉。

4 煙氣余熱回收裝置控制

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)采用煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組,可以制冷或制熱。其排出煙氣溫度為160 ℃,進(jìn)入煙氣換熱器可以提供生活熱水,溫度為60～95℃。

4.1 煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組工作原理

煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的煙氣為主要熱源,同時(shí)設(shè)有補(bǔ)燃燃燒器,當(dāng)煙氣回收熱量不能滿足冷熱負(fù)荷需求時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)燃燃燒器,使機(jī)組自動(dòng)滿足系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的需求。

4.1.1 煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷工作原理

眾所周知,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100 ℃,水的沸點(diǎn)會(huì)隨著壓力下降而降低,當(dāng)氣壓降到1/10大氣壓,約6 mmHg時(shí),水的沸點(diǎn)只有4 ℃,這時(shí)繼續(xù)蒸發(fā)水可以吸收大量的熱量,如果保持蒸發(fā)器空間壓力不變,溫度也將維持在4 ℃,通過該空間的冷水管管內(nèi)的溫水將被冷卻,達(dá)到空調(diào)集中供冷所使用的7 ℃的冷媒水。水在1/10大氣壓的環(huán)境下蒸發(fā),蒸發(fā)的水蒸氣導(dǎo)致該空間的壓力升高,如果壓力升高,那么沸點(diǎn)也隨之升高。為了維持4 ℃的溫度環(huán)境,需要將蒸發(fā)的水蒸氣迅速吸收掉,維持近似真空的環(huán)境。溴化鋰具有很強(qiáng)的吸水性,可以不斷地吸收周圍的水蒸氣,維持該空間6 mmHg的壓力。高濃度的溴化鋰溶液在吸收器中吸收水之后成為溴化鋰稀溶液。溴化鋰稀溶液由溶液泵送到高壓發(fā)生器,在這個(gè)過程中經(jīng)過熱交換器,吸收濃溶液的熱量。在高溫?zé)煔獾淖饔孟?溴化鋰稀溶液蒸發(fā)為高溫濃溶液,蒸發(fā)的水蒸氣在冷凝器被冷卻水冷凝,進(jìn)入蒸發(fā)器;高溫濃溶液經(jīng)過高低溫?zé)峤粨Q器降溫,進(jìn)入吸收器,如此循環(huán),其工作原理如圖5所示[7]。

作為吸收劑的溴化鋰無毒無污染,但是會(huì)腐蝕金屬,產(chǎn)生不凝性氣體,影響真空環(huán)境,所以一般需加入無毒無害的緩蝕劑及活性劑[8]。

4.1.2 煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制熱工作原理

圖5 煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷原理

煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制熱工作原理如圖6所示,煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組在制熱時(shí),利用驅(qū)動(dòng)熱源加熱發(fā)生器中溴化鋰溶液,產(chǎn)生高溫冷劑蒸氣,同時(shí)溶液濃縮為濃溶液,高溫冷劑蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器,在傳熱管表面冷凝釋放熱量,使管內(nèi)的熱水溫度升高,冷劑蒸氣進(jìn)入吸收器,而濃溶液也進(jìn)入吸收器,二者混合成稀溶液。稀溶液再由溶液泵送往發(fā)生器加熱。蒸發(fā)器傳熱管內(nèi)的熱水吸收了冷劑蒸氣凝結(jié)時(shí)釋放出的熱量而升溫。這一過程不斷循環(huán)進(jìn)行,蒸發(fā)器就連續(xù)不斷地制取熱水。與制冷原理相比,制熱省略了冷凝器抽真空這一步驟。

圖6 溴化鋰吸收式制熱工作原理

4.2 煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱控制系統(tǒng)

煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱控制系統(tǒng)可以根據(jù)需求自動(dòng)改變制冷和采暖的功率。以制冷為例,控制系統(tǒng)根據(jù)外界負(fù)荷的變化,自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的制冷量,使蒸發(fā)器的冷媒水出口溫度保持恒定。調(diào)節(jié)制冷量的方式有煙氣進(jìn)氣量調(diào)節(jié)(溫度恒定)、冷卻水量調(diào)節(jié)、溶液循環(huán)量調(diào)節(jié)、組合式調(diào)節(jié)[9]。

當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí),外界負(fù)荷越大,冷媒水出口溫度越高。一般來說,在額定負(fù)荷條件下,冷媒水出口溫度為7 ℃。制冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的最終控制對象就是冷媒水的溫度,一般通過調(diào)節(jié)煙氣進(jìn)氣量(溫度恒定)與內(nèi)部溶液循環(huán)量的方式來調(diào)節(jié)制冷量。

4.3 煙氣換熱器

煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組排出的煙氣溫度為160 ℃左右,通過煙氣換熱器可以提供溫度為60～95 ℃左右的生活熱水,實(shí)現(xiàn)了能源的梯次利用,提高了能源利用率[10]。

5 小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)模式控制

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)主要有以下五種運(yùn)行模式:待機(jī)模式、啟動(dòng)模式(手動(dòng)、自動(dòng))、制冷運(yùn)行模式、制熱運(yùn)行模式、停機(jī)模式,其中啟動(dòng)模式及停機(jī)模式有嚴(yán)格的操作流程。小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)運(yùn)行流程

5.1 啟動(dòng)模式

啟動(dòng)模式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式,手動(dòng)和自動(dòng)模式需嚴(yán)格按照啟動(dòng)流程進(jìn)行啟動(dòng)。若啟動(dòng)過程無法完成,可人為選擇立即停機(jī),或者計(jì)時(shí)結(jié)束自動(dòng)轉(zhuǎn)入停機(jī)程序。

在制冷模式時(shí),煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組啟動(dòng)之前必須保證機(jī)組的冷卻水泵及冷水泵為開啟狀態(tài)。在制冷運(yùn)行模式停機(jī)時(shí),如果未達(dá)到停止冷卻水泵的條件即制冷機(jī)還在工作時(shí)是不能停止冷卻水泵運(yùn)行的。

5.2 停機(jī)模式

如果收到停機(jī)指令或者由于故障導(dǎo)致停機(jī),此時(shí)執(zhí)行停機(jī)流程。在停機(jī)過程不能進(jìn)行啟動(dòng)操作,如果停機(jī)程序完成,則進(jìn)入待機(jī)模式。

5.3 待機(jī)模式

按照停機(jī)程序要求,關(guān)閉所有設(shè)備,所有的閥門處于正確的位置,無故障報(bào)警信息,此時(shí)由停機(jī)模式轉(zhuǎn)為待機(jī)模式。在待機(jī)模式下,可以進(jìn)行啟動(dòng)(自動(dòng)、手動(dòng))的操作。待機(jī)模式下,若有故障,可進(jìn)入停機(jī)模式。

6 小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)控制策略

小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的控制系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的啟停及正常運(yùn)行,協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行,并滿足用戶及電網(wǎng)下達(dá)的冷熱電需求,計(jì)算與控制各個(gè)設(shè)備啟停及閥門的開度,故障情況下及時(shí)報(bào)警停機(jī),并配有人機(jī)界面供參數(shù)及故障顯示,也可以人為地操作控制設(shè)備。例如,要求其發(fā)電機(jī)組降20%功率運(yùn)行,要求某個(gè)閥門旋轉(zhuǎn)60°,要求制冷機(jī)的燃燒器增加50%輸出功率等,這些指令被相關(guān)設(shè)備的控制器接收之后,再由每個(gè)設(shè)備的控制系統(tǒng)予以執(zhí)行。

在小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中,常見的控制策略為以熱/冷定電、以電定熱/冷,以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

微燃機(jī)的發(fā)電及余熱利用效率分別為30%及52%,煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組中直燃與補(bǔ)燃的比例為1∶1,即在一套系統(tǒng)中,發(fā)電與制冷/制熱比例在3∶10左右,一般建筑內(nèi)發(fā)電與制冷/制熱的比例遠(yuǎn)大于3∶10,故宜采用以熱/冷定電。

6.1 以熱/冷定電

以熱/冷定電指按照供熱/供冷需求由余熱利用系統(tǒng),即煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組來供熱/供冷,從而確定發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率。若發(fā)電機(jī)組的余熱不足,則增加補(bǔ)燃。若仍不足,則可以開啟電制冷或制熱設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)為滿足用戶的冷熱需求,所發(fā)的電量并入電網(wǎng),用戶用電直接從電網(wǎng)獲取。

6.2 以電定熱/冷

以電定熱/冷指按照用電的需求決定微燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的功率,余熱用于制熱或者制冷,制熱/制冷不足開啟補(bǔ)燃裝置。整個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)為滿足用戶需求的電功率。

當(dāng)微燃機(jī)的煙氣余熱不能滿足用戶的制冷或制熱負(fù)荷需求時(shí),通過煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組的補(bǔ)燃提高系統(tǒng)的制冷或制熱能力。當(dāng)煙氣余熱增多時(shí),通過旁路煙道,將部分煙氣直排到大氣中。

6.3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指建立一個(gè)以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,滿足用戶冷熱電需求下,從微燃機(jī)發(fā)電量、補(bǔ)燃功率、燃?xì)鈨r(jià)格、峰谷電價(jià)等方面綜合考慮,計(jì)算出經(jīng)濟(jì)最優(yōu)值。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種微型燃?xì)廨啓C(jī)、煙氣補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式制冷/制熱機(jī)組、煙氣換熱器三聯(lián)供控制系統(tǒng),靈活性好,適應(yīng)場合廣泛,綜合考慮建筑內(nèi)對冷熱電的需求,選擇以熱定電或以電定熱的控制策略。小型燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)是一種多聯(lián)供能系統(tǒng),可以有效地利用低品位熱能,實(shí)現(xiàn)能源的梯次利用,其發(fā)電效率為20%～30%,能源利用率可達(dá)75%以上。