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某机场能源中心分布式三联供技术分析研究
作者:管理员    发布于:2017-08-25 08:26:31    文字:【】【】【

  摘 要:随着分布式三联供技术的不断发展,三联供技术作为分布式供能的一种新方式,已逐渐展现出其在节能效果、经济效益和社会效益中的强大生命力和广阔的市场。本文主要探讨的是三联供技术在某机场能源中心中的实际应用,分布式燃气冷热电联供系统采用的燃气轮机发电技术、余热回收技术以及制冷技术多为成熟技术,以分散布置的方式便于按冷、热、电负荷的实际需要进行调节,不仅满足了区域内用户的用能需求,还节省了大量的城市供热管网建设和运行的费用,有助于电网和燃气供应的削峰填谷,减少碳化物及有害气体的排放,产生良好的社会效益,符合可持续发展战略,是未来能源技术发展的重要方向之一,在商业、建筑能源系统中将得到广泛的应用。

  关键字:分布式;三联供;节能率;经济性

  1 概论

  1.1分布式三联供技术简述

  分布式燃气冷热电三联供(DES/CCHP)是最近几年发展起来的新兴技术,有其特定的产生背景和技术经济特点。对其推广和应用,一方面要合理使用,因地制宜,另一方面还要提供良好的政策支持和专业可靠的技术支持。

  分布式燃气冷热电联供系统(DES/CCHP)是一种建立在能量梯级利用概念基础上,以天然气为一次能源,同时产生电能和可用热(冷)能的分布式供能系统。作为能源集成系统,冷热电联供系统按照功能可分成三个子系统:动力系统(发电)、供热系统(供暖、热水、通风等)和制冷系统(制冷、除湿等)。目前多采用燃气轮机或燃气内燃机作为原动机,利用高品位的热能发电,低品位的热能供热和制冷,从而大幅度提高系统的总能效率,降低了燃气供应冷热电的成本。

  某机场能源中心设计建造了1台4000KW燃气轮发电机组,1台蒸发量为11T/h的余热锅炉,4台1500RT/h的蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组来配合三联供技术的运用,从而提升节能环保的效用。利用三联供技术把燃机通过燃烧天然气发电后,产生的高温烟气送入余热锅炉利用余热,冬季可用于生活热水和取暖,夏季可用于溴化锂吸收式冷水机组进行供冷,驱动热量不足部分可由补燃的燃气锅炉进行供应。因此其三联供系统把发电排放的热能,通过供热或转换后供冷,实现能源的多级利用,能源利用率可达80%,并且没有或仅有很低的输电损耗和输热(冷)损失。

  1.2分布式三联供系统的组成

  简单的分布式三联供系统是由燃气轮机、发电机、余热锅炉、吸收式制冷机组等组成。(参见例图1三联供系统示意图)

  


  图2为燃气机(包括内燃机、燃气轮机)+余热锅炉+蒸汽吸收式制冷+电制冷机+燃气锅炉的流程示意图。天然气送入燃气轮机燃烧发电后,高温排气送入余热锅炉制取蒸汽,蒸汽经分汽缸至蒸汽溴化锂吸收式制冷机;冬季蒸汽经分汽缸至换热器制取热水供热。根据建筑群夏季的冷负荷需要,不足冷量由电动压缩制冷机提供;冬季不足热量由燃气锅炉提供。

  


  图3为某机场能源中心的系统方案:燃气--蒸汽联合循环热电联产方案(燃气轮机--余热锅炉--蒸汽溴化锂吸收式空调机方案),由燃气轮机首先利用天然气或者轻柴油发电,将烟气中的余热通过余热锅炉回收转换成蒸汽利用,冬季依靠热交换器转换蒸汽采暖,夏季依靠蒸汽溴化锂吸收式空调机制冷,节省了锅炉系统和化学水系统等,安全性。

  


  图4、5为某机场的能源中心分布式三联供技术的设备选型图片。

  4000KW燃汽轮机组与11吨余热锅炉

  


  1500RT双效吸收式溴化锂制冷机组

  


  1.3电力和天然气的季节性峰谷差

  随着经济快速发展和产业结构调整,我国能源、电力消费快速增长,电力供应缺口逐年拉大,特别是季节峰谷性缺电明显。分布式燃气冷热电三联供技术利用了燃气和电力季节性峰谷差互补的特点,将夏季一部分电力高峰负荷转移到燃气上来,有利于季节调峰,改善能源供给结构。所以三联供技术在某机场能源中心的季节调峰作用上也是相当明显。其能源中心天然气、轻柴油供应充足,用电、用冷负荷都非常集中。夏季以空调制冷为主、伴有部分采暖蒸汽和生活蒸汽需求,供冷时间长,单位面积负荷大,同时冬季供暖时间较长。应用对象的组织性非常强,机构也统一,便于集中控制和管理。尤其是过度季节在电制冷机组负荷过小影响机组正常工况运行时,可以将部分电力负荷转向燃气提供热源动力的溴化锂制冷机组上,在用电和用天然气的季节性价格上的差价得到充分利用和调配,并从差价中获得经济效益,节省了能源供应的成本开支。同时也是有效利用了电力和天然气的季节性峰谷差。

  2 分布式燃气冷热电三联供系统的节能效益

  2.1三联供系统的梯级用能

  天然气作为能源利用的最高效率是电热冷三联供。从热力学第一定律来说,它的节能原理就是能把能量吃光榨尽。从热力学第二定律的角度来说,它充分的利用了高品质的能量,同样在能量质的角度起到了节能效果。

  燃气冷热电联供系统根据“温度对口、梯级利用”的原则,尽可能按照需求提供各子系统的输入:高品位热能(> 450 ℃) 优先用于动力系统发电;中品位的热能(温度约在170~450℃)用于对口的中低温区域的热力循环系统;低品位的热能(温度一般低于170℃)用于低温区域的热力循环系统提供吸收式低温热量的过程。将燃气发电、供冷、供热有机结合,梯级利用一次能源,其能源利用率将会比各种形式的热电联供高。这便是天然气电热冷三联供的供能价格比烧煤还有竞争力的根本原因。

  2.2三联供系统的节能效果评价

  节能的基本分析方法是热平衡法,这是建立在热力学第一定律基础上的能量分析方法,主要考察系统热量的平衡关系,揭示能在数量上的转换和利用情况,从而确定系统的能利用率或能效率(热效率)。一次能源转换成电能的比重已经成为世界各国经济发展水平、能源使用效率的高低和环境保护好坏的一个重要标志。为提高总能利用效率,在生产高品位的电能(即将其他能转换为电能) 的同时,采用冷热电联供(CCHP)的方式实施能源梯级利用,向用户供电的同时供应热和冷,这是实现节能的有效方式。

  评价燃气冷热电联供系统是否节能,可以采用在供热期或供冷期,按供应相同热量、冷量和电量的状况下,冷热电联供方式相对于冷热分产(以燃气锅炉供热、电制冷机供冷)的一次能量节约率即节能率来进行评价,当节能率为(+) 值时是节能的,(—)值时则不节能。节能率应按供热期、供冷期分别进行计算。

  供热期的节能率Xc 的计算式如下:

  


  2.3供热期的节能效果

  目前我国的电力生产仍以煤电为主,但各地区因发电厂的规模、机组的不同,其电网的发电厂发电效率会有一定的差异,一些城市的燃气­—蒸汽联合循环发电机组投入发电后,在这些电网的上网电力的电厂发电效率将会发生变化,但是以煤电为主的状况短期内不会改变,进行DES/CCHP三联供系统的供热期、供冷期的节能率计算时,不能只用某一特定的发电装置的发电效率进行比较,而应采用电网发电效率为40%~55%进行比较,40%是国内燃煤发电厂较好的发电效率,而55 %为燃气-蒸汽联合循环发电装置的发电效率。

  图6为供热期的不同电网发电效率的变化,CCHP 系统按燃机+ 余热吸收式制冷机配置时的节能率(Xc) 变化曲线(曲线绘制时已计入电网输配效率0. 9)。图中曲线1是按燃机采用内燃机时总效率(ηt =ηe +ηh )为82 %,其中发电效率ηe= 40 %、供热效率ηh = 42 %计算绘制;曲线2 是按燃机采用燃气轮发电机时总效率为78 %,其中ηe=30 %、ηh = 48 %计算绘制。从图6可见,供热期采用CCHP 方式都是节能的,其节能率为:采用内燃机时为0. 21~0. 36 ;采用燃气轮机时为0. 12~0. 24。

  


  2.4供冷期的节能效果

  在不同发电效率时的比较。图7为供冷期的不同电网发电效率变化时CCHP 系统的节能率的变化曲线。从图2-2的变化曲线可见:在CCHP系统采用燃气轮机(ηt = 78 %)时,只有当电网的发电效率小于46%时,供冷期才是节能的,当电网的发电效率为40%时,供冷期节能率约为0.13(见曲线1);但采用内燃机(ηt = 82 %)时,供冷期都是节能的,节能率约为0.01~0.28 (见曲线2)。

  


  在CCHP 系统设备的优化配置中,至关重要的是电动压缩式制冷机和余热吸收制冷机的制冷能力的合理配置。图8为假设供冷期的供冷量为1.0时,按电制冷机制冷量/余热吸收式制冷机制冷量分别为1.0/0.0~0.0/1.0时供冷期节能率变化曲线。图8的节能率变化曲线是以电网的发电效率为55 %、输配效率为0. 9和电制冷机的COPe = 5、余热吸收式制冷机COPa = 1.2 进行计算绘制。曲线1、2 与图7的条件相同。从图8可见:采用内燃机的CCHP 系统在供冷期都是节能的,其节能率为0.01~0.65(见曲线1);而采用燃气轮机时若余热吸收式制冷机制冷量小于等于约92 %时,供冷期是节能的,其节能率为0.04~0.62,余热吸收式制冷机冷量大于92 %后是不节能的(见曲线2),因此,在CCHP 系统中均应合理配置一定数量的电制冷机。当配置电制冷机供冷量大于50%后,节能率均在0.4 以上,这种工况是CCHP 系统为充分利用燃机余热应该做到的制冷机配置的比例。因此某机场能源中心在合理配置了吸收式制冷机组外,还配备了相应的一定数量的电制冷机组,尤其是2台1200RT的YORK电制冷机组在过度季节配合溴化锂吸收式机组一同使用时起到了关键作用,进一步提升了节能率。

  


  3 某机场能源中心分布式三联供系统的经济性分析

  3.1某机场能源中心分布式三联供系统运行情况分析

  (辅助锅炉的补水)以下是2005年及2007~2010年的运行数据。(逐日余热锅炉与辅助锅炉蒸汽产量)

  


  2005年数据表中可以看出,每月的最小蒸汽耗量为9月份的2238t。4月份和11月份的蒸汽产量与气温的对应关系异常,因此没有参考价值。对除4、11月以外的其他月份做数据统计。根据表格4,三联供系统最高蒸汽产量可达4366t/月,实际在7、8、9月份由于气温高,蒸汽耗量少,完全使用余热锅炉就能够满足蒸汽需求。这时燃气轮机是运行还是不运行取决于用蒸汽制冷的经济性。

  3.2某机场能源中心分布式三联供系统供冷季分析

  由数据统计分析报表可知,蒸汽制冷时的蒸汽价格在电价为0.98元/kWh时约相当于188元/t。根据表格4,画出蒸汽产量与燃气耗量比如图9,可以发现其维持在6.5*10-3t/Nm³左右。同样根据表格4,画出发电量与耗气量比如图9,可以发现其比值维持在2.5kWh/Nm³左右。因此可以这样估算,1000Nm³天然气可发电2500kWh,产汽6.5t。按燃气价格3.03元/Nm³,电价0.98元/kWh,蒸汽价格188元/t,1000 Nm³燃气可产生收益为:

  0.98∗2500+188∗6.5=3672元

  因此,在用蒸汽制冷工况下,每1000Nm³燃气通过三联供系统

  可以产生的净收益为642元。如果夏季的发电量也能保持如2010年一月份的量,则夏季每月的三联供系统收益为:

  (656684/1000)∗642=42.16万元

  


  3.3某机场能源中心分布式三联供系统采暖季分析

  (目前锅炉的锅炉燃气价和电价)由2010、2011年的数据计算辅助锅炉的产汽成本,如下表:

  


  由于水、电、气等价格的上涨,导致蒸汽成本上涨。以2011年计算所得的辅助锅炉蒸汽价格为依据来计算三联供系统在采暖季的月收益。

  3.1节已计算单位天然气所能产生的发电量及蒸汽量,采暖季三联供系统每1000Nm³天然气的收益为:

  0.98∗2500+324∗6.5=4511元

  因此,在用蒸汽采暖工况下,每1000Nm³燃气通过三联供系统可以产生的净收益为1481元。在三联供系统维持如2010年1月的运行状态的前提下,三联供系统的月收益为:

  6566841000∗1481=97.25万元

  3.4某机场能源中心分布式三联供系统内耗蒸汽量分析

  由表格4可以看到,系统除氧器的蒸汽耗量是很可观的,每月除氧器的蒸汽耗量占系统蒸汽产量的比例如下图所示:

  


  可见除氧器蒸汽耗量占到系统蒸汽产量的12%左右。2010年除氧器蒸汽耗量为5457.2t,以燃气锅炉85%的热效率,燃气热值8600cal/Nm³为计算依据,除氧器所耗蒸汽折合成天然气量为:

  5457.2∗60∗10008600=3.8万Nm³

  通过以上分析计算以及文献可知,即使在目前的三联供系统一次能源利用率只有70%左右的条件下,只要能保证三联供系统正常运行,无论是用蒸汽采暖还是制冷都可以获得一定收益。因此采取措施提高三联供系统的发电量和蒸汽产量或者减少系统内耗电和耗蒸汽是有必要的。

  3.5某机场能源中心分布式三联供系统节能增效探讨

  某机场三联供系统目前的一次能源使用效率为70%。按2010年天然气总使用量6988302m3,在燃气轮机发电量不变的情况下,将一次能源利用率从70%提高到80%,则可以多利用24.87GJ能量,折算为天然气69.88万m3。按目前三联供气价3.03元/Nm3计算,通过提高能效所获得的经济价值为211.736万元。

  因此提高三联供系统能源效率的途径可以归结为以下几点:

  1. 降低发电机进气温度提高发电机的发电效率。

  2. 减去用发电机烟气制蒸汽,然后用蒸汽驱动溴化锂冷水机组的过程。直接使用发电机烟气驱动溴化锂冷水机组,避免能量多次转换,从而提高能源效率。

  3. 回收余热锅炉低温排烟中的热量,用于提升除氧器进水温度,减少除氧器的蒸汽用量,间接提高能源效率。

  4 结语

  综上所述,采用分布式供能系统是一条高效利用能源的好道路,冷热电联供系统在很大程度上可以减轻我们所面临的问题。因此在规划、实施燃气发电装置时,应采取集中大型燃气发电厂的建设与分散在各类建筑或建筑群的燃气冷热电联供的分布式能源供应系统并举的政策。实行这种政策,既可减轻建设大型集中燃气发电厂的资金、环保和供水等方面的压力,又可提高城市能源供应,特别是电力供应的安全可靠度。而推广分布式供能系统需要政府的大力支持,包括在天然气和电的价格上给予倾斜。

  分布式能源作为智能电网建设的关键部分将迎来广阔的市场发展空间和无限商机。我们应该认真学习分布式能源相关知识,积极跟踪国家产业政策和行业发展信息,做好研究和项目储备工作。

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