天然氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行模式

天然氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行模式

1天然氣熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)天然氣熱、電、冷聯(lián)合系統(tǒng)是以天然氣為一次性能源，同時(shí)產(chǎn)生熱、電、冷三個(gè)二次能的聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以小型燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備為核心,以燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備排放出來(lái)的高溫尾氣或以該尾氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽或熱水供熱,并以此熱量驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī),從而滿足用戶對(duì)熱電冷的各種需求。該系統(tǒng)基本上可以擺脫對(duì)外部電網(wǎng)的依賴,具有相對(duì)的獨(dú)立性和靈活性。該系統(tǒng)的能源效率高、可靠性強(qiáng)及污染物的低排放具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);近10多年來(lái)在國(guó)外取得了迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開(kāi)始起步。其涉及的應(yīng)用領(lǐng)域主要有3類:(1)工業(yè)領(lǐng)域中的熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn);(2)城市建設(shè)和改造中的熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn);(3)高層建筑等民用應(yīng)用場(chǎng)合。要特別說(shuō)明的是,天然氣熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的配置模式也有很大不同。雖然該系統(tǒng)的發(fā)展時(shí)間很短,但國(guó)內(nèi)、外研究比較成熟的使用模式已經(jīng)很多,下面將介紹幾種常見(jiàn)模式。2循環(huán)余熱利用模式天然氣的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的模式主要取決于當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨蠼Y(jié)構(gòu)。無(wú)論那種模式都包括原動(dòng)、制冷及供熱等主要裝置。原動(dòng)裝置主要有燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)及燃料電池等,制冷裝置則是吸收式制冷機(jī),主要是溴化鋰制冷機(jī),又包括單效,雙效,直燃機(jī)等。總的來(lái)說(shuō),常用的有以下幾種典型模式:(1)燃?xì)廨啓C(jī)+余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)流程如圖1。這種模式的溴化鋰機(jī)組有單效和雙效兩種。把燃?xì)廨啓C(jī)尾氣直接導(dǎo)入余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組,可以直接進(jìn)行制冷、采暖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一次投資少,適合于余熱充足的場(chǎng)合或作為樓宇制冷、采暖的補(bǔ)充,如鋼廠、燃?xì)廨啓C(jī)電廠、焦化廠等。(2)燃?xì)廨啓C(jī)+排氣再燃型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組系統(tǒng)流程如圖2。如果燃?xì)廨啓C(jī)排氣含氧量較高,但其熱量不足時(shí),就可以把排氣作為助燃?xì)怏w,混合補(bǔ)燃燃料,導(dǎo)入再燃型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組的燃燒裝置進(jìn)行燃燒。該系統(tǒng)熱效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活,可以滿足樓宇在燃?xì)廨啓C(jī)任意工況下的制冷,采暖和衛(wèi)生熱水的需要。(3)燃?xì)廨啓C(jī)+雙能源雙效直燃式溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組系統(tǒng)流程如圖3。這種方式在氣輪機(jī)排放尾氣高于400℃時(shí)可以考慮使用。它結(jié)合了上述兩種模式的能源利用方式,先把尾氣導(dǎo)入余熱發(fā)生器,使尾氣余熱回收約70%,排出的低溫尾氣可直接排放,也可再次導(dǎo)入高溫燃燒機(jī)與補(bǔ)燃燃料混合燃燒。這種模式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高,能源利用效率高達(dá)85%以上,具備廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和很好的推廣價(jià)值。(4)燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)+蒸汽型吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)流程如圖4。用余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)排出的尾氣的余熱。余熱鍋爐產(chǎn)生的一部分蒸汽注入蒸汽輪機(jī)發(fā)電,發(fā)電后的乏汽或抽汽供蒸汽型吸收式制冷機(jī)制冷;蒸汽的其余部分可用于提供采暖或衛(wèi)生熱水。當(dāng)然,燃?xì)廨啓C(jī)或余熱鍋爐的排氣同樣可以驅(qū)動(dòng)排氣直燃型和排氣再燃型制冷機(jī)。(5)內(nèi)燃機(jī)前置循環(huán)余熱利用模式是以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)裝置的最常用模式,又稱為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)-余熱/直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組聯(lián)合循環(huán)模式。其系統(tǒng)流程如圖5。內(nèi)燃機(jī)排放的煙氣的余熱被余熱/直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組回收利用,冬季采暖,夏季制冷。內(nèi)燃機(jī)缸套的冷卻水中的余熱作為樓宇內(nèi)的生活熱水的熱源。3國(guó)內(nèi)和國(guó)外的應(yīng)用現(xiàn)狀3.1冷媒水處理系統(tǒng)東京煤氣公司于1991年初投運(yùn)了一座高效率、高性能的供熱制冷中心,其制冷總?cè)萘窟_(dá)到182.8MW。在1993年其制冷總?cè)萘繑U(kuò)充到207.4MW,成為世界最大的區(qū)域供熱和制冷中心。圖6是該工程第一階段時(shí)的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。采用城市煤氣(46000kJ/m3)作為一次能源,驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)和水管鍋爐(1臺(tái)30t/h,3臺(tái)60t/h,共210t/h)。區(qū)域電負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提供。冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)和離心式制冷機(jī)提供。吸收式制冷機(jī)為2臺(tái)容量3.5MW的雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī),其熱源是背壓式汽輪機(jī)提供的蒸汽。容量為7MW的離心式制冷機(jī)由背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng),另外6臺(tái)離心式制冷機(jī)(1臺(tái)14.1MW,2臺(tái)24.6MW,3臺(tái)35.2MW)則由抽汽凝氣式汽輪機(jī)推動(dòng)。圖6中所示冷媒水的流程為串聯(lián)流程,即先經(jīng)吸收式制冷機(jī),再進(jìn)入離心式制冷機(jī)降溫后流出。熱水負(fù)荷及采暖負(fù)荷則由余熱鍋爐、水管鍋爐和背壓式汽輪機(jī)排出的蒸汽提供。在第二階段又投入了一套燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置的熱電冷聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng),使得發(fā)電容量達(dá)到8MW,同時(shí)還投入了一套24.6MW的離心式制冷機(jī),總的制冷總?cè)萘繑U(kuò)充到207.4MW。雖然該熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)非常復(fù)雜,但仍可歸于第四種運(yùn)行模式,即燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)+蒸汽型吸收式制冷機(jī)模式。3.2熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)由于英國(guó)燃料供應(yīng)充足,價(jià)格低廉,所以在這方面比日本、美國(guó)等國(guó)顯得稍為落后。曼徹斯特機(jī)場(chǎng)是其比較有代表性的一個(gè)工程。該機(jī)場(chǎng)是世界最大的20個(gè)機(jī)場(chǎng)之一。1989年決定建設(shè)電功率6.4MW的三聯(lián)產(chǎn)裝置,向原有的兩個(gè)候機(jī)樓和1993年4月投入使用的新候機(jī)樓供電和熱水,冬天取暖,夏季則把多余的熱用于吸收式制冷。機(jī)場(chǎng)用電為7MW,新候機(jī)樓投運(yùn)后共需電約15～18MW,原來(lái)兩個(gè)候機(jī)樓的需求為2MW(夏季)和6MW(冬季)。由于熱電負(fù)荷之比約為1∶2,所以在眾多方案中,選用兩臺(tái)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī),燃料為重油或天然氣。整個(gè)三聯(lián)供工程合同額為690萬(wàn)英鎊,設(shè)備還包括5.9MW的兩臺(tái)余熱鍋爐(供應(yīng)140℃熱水)。2臺(tái)4MW的雙燃料常規(guī)鍋爐。設(shè)備使用壽命超過(guò)20年。兩臺(tái)內(nèi)燃機(jī)還可向外界提供2.6MW的低品位熱量。該三聯(lián)產(chǎn)裝置一年約發(fā)電72MkW·h,而供應(yīng)的熱量則相當(dāng)于購(gòu)置178.5TJ的天然氣。年總產(chǎn)值約180萬(wàn)英鎊(含吸收式制冷每年可節(jié)電價(jià)值5萬(wàn)英鎊)。實(shí)行熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)后,每年可減少CO2排放物50000t,SO2排放物1000t。所以經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益都十分顯著。3.3不同規(guī)模建筑的bchp規(guī)劃美國(guó)在此領(lǐng)域做了很多開(kāi)發(fā)工作和商業(yè)化研究,天然氣行業(yè)、電力行業(yè)和暖通空調(diào)行業(yè)的制造業(yè)廣泛而深入的參與該領(lǐng)域的合作。尤其是BCHP在美國(guó)發(fā)展迅速,采用BCHP的學(xué)校、大型超市、高層寫字樓等大型建筑越來(lái)越多,不勝枚舉。美國(guó)工業(yè)界已經(jīng)提出了非常具體的“BCHP”創(chuàng)意和“BCHP2020年綱領(lǐng)”以支持美國(guó)能源部總體商用建筑規(guī)劃及BCHP規(guī)劃。比如,到2010年,20%的新建商用、寫字樓類建筑使用BCHP系統(tǒng);5%的現(xiàn)有商用、寫字樓類建筑使用BCHP系統(tǒng);25%的美國(guó)能源部CHP(熱電聯(lián)產(chǎn))項(xiàng)目使用BCHP系統(tǒng);到了2020年,要有50%的新建商用、寫字樓建筑使用BCHP系統(tǒng);15%的現(xiàn)有商用、寫字樓類建筑采用BCHP系統(tǒng)等。3.4回收發(fā)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及能源效率分析由于各方面因素的限制,國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)的研究工作起步較晚,已經(jīng)投入的實(shí)際運(yùn)行也相對(duì)較少,而且應(yīng)用領(lǐng)域較窄,主要集中于樓宇等民用建筑中,也就是BCHP系統(tǒng)。目前清華大學(xué)在建的熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)工程采用的就是上述模式中的第四個(gè),即燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)+蒸汽型吸收式制冷機(jī)模式。該工程采用2臺(tái)5萬(wàn)kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī),聯(lián)合循環(huán)發(fā)電?？科啓C(jī)來(lái)供應(yīng)制冷與采暖,制冷面積70萬(wàn)m2,采暖面積200m2,制冷機(jī)選用蒸汽雙效溴化鋰制冷機(jī)作為冷源。圖7是我國(guó)遠(yuǎn)大公司與美國(guó)能源部合作研制的一個(gè)BCHP項(xiàng)目系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)采用的是上述模式中的第三個(gè),即燃?xì)廨啓C(jī)+雙能源雙效直燃式溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組模式。該系統(tǒng)額定制冷量為210kW,系統(tǒng)配置的渦輪發(fā)電機(jī)為75kW,系統(tǒng)總的能源效率可達(dá)70%以上。另外根據(jù)相關(guān)資料,目前國(guó)內(nèi)還有不少BCHP項(xiàng)目正處于投產(chǎn)建設(shè)階段,由于能源需求結(jié)構(gòu)的原因,采取的系統(tǒng)模式多是上面所述的第二個(gè)和第三個(gè)。比如北京燃?xì)饧瘓F(tuán)控制中心大樓熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)能源島技術(shù)方案中推薦的就是第三種模式。該工程熱、電、冷的負(fù)荷面積都是31800m2,預(yù)計(jì)適應(yīng)負(fù)荷分別為2226kW,1272kW,2544kW。另外還需要95.4kW的生活熱水。根據(jù)我國(guó)的“以電定冷”的原則,選取的燃?xì)廨啓C(jī)為1000kW級(jí)的SolarTurbines生產(chǎn)的Saturn20機(jī)組。制冷機(jī)采用的則是遠(yuǎn)大余熱型雙效吸收式冷溫水機(jī)BHRS250Ⅶ,其制冷量可達(dá)2500kW,供熱量可達(dá)2000kW左右。采取此方案該系統(tǒng)比起“購(gòu)電+直燃”的傳統(tǒng)模式,每一年可節(jié)約322.464萬(wàn)元的支出,回收年限約為3年。就目前來(lái)說(shuō),影響該系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用與發(fā)展的主要障礙是能量成本價(jià)格。如果把天然氣單純的用來(lái)發(fā)電,難以與燃煤電廠競(jìng)爭(zhēng),不具有經(jīng)濟(jì)合理性。另一方面天然氣價(jià)格按等熱值比較,要比煤炭高得多,也不具備替代煤炭的條件。所以慎重選擇天然氣的用途,明確應(yīng)用天然氣的發(fā)展方向,對(duì)天然氣工業(yè)本身意義重大。據(jù)有關(guān)資料,即使將天然氣供應(yīng)民用炊事、燒熱水等,也比用于發(fā)電效率高,而如果城市樓宇采用分散的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的BCHP模式,能源利用效率則比純發(fā)電的效率可提高40%～50%。另外,BCHP在降低二氧化碳等污染空氣的排放物方面也具有很大潛力:據(jù)專家估算,如果從2000年起每年有4%的現(xiàn)有建筑的供電、供暖和供冷采用樓宇熱電冷聯(lián)產(chǎn)BCHP,從2005年起25%的新建建筑及從2010年起50%的新建建筑均采用BCHP的話,到2020年的二氧化碳的排放量將減少19%