新型分布式供能系統(tǒng)的特性分析

新型分布式供能系統(tǒng)的特性分析

0天然氣回收利用北京的能源消耗逐年增加，屋頂和屋頂?shù)拿娣e也顯著增加。單純將天然氣作為居民生活燃料,不僅嚴(yán)重浪費(fèi)資源,同時(shí)造成燃?xì)獬杀具^高,而直接將燃?xì)馊紵母咂肺荒苤苯庸?不僅效率低,更沒有體現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。因此以天然氣為能源的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)得到了廣泛研究,但存在產(chǎn)品相互制約和余電上網(wǎng)等問題。針對(duì)以上分析,本文研究了以燃?xì)鉃槿剂系?、能?dú)立供暖/供冷的新型分布式供能系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱新型系統(tǒng)),在研究系統(tǒng)變工況特性的基礎(chǔ)上結(jié)合北京地區(qū)的具體案例進(jìn)行能耗分析,得出新型系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。1熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組的比較新型系統(tǒng)的原理如圖1所示(圖中是以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)表示的示意圖)。在新型系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組,它由發(fā)電機(jī)和任一形式適合熱電聯(lián)產(chǎn)的熱機(jī)構(gòu)成。這一熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)出熱能和電能。在冬季(或夏季),電能被用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)冷暖空調(diào)機(jī)組以熱泵(或制冷)方式供熱(或供冷),形成用戶得到熱量(或冷量)供應(yīng)的一個(gè)“源”;熱能則通過余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組生產(chǎn)熱水(或利用余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)生產(chǎn)冷水)送給用戶,形成用戶得到熱量(或冷量)供應(yīng)的另一個(gè)“源”。這樣,每個(gè)用戶都同時(shí)擁有兩個(gè)不同的供應(yīng)熱量(或冷量)的“源”,一個(gè)是電驅(qū)動(dòng)的熱(或冷)源,一個(gè)是余熱熱源(或熱驅(qū)動(dòng)的冷源)。對(duì)于不同原動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組會(huì)有所區(qū)別,例如:如圖1,原動(dòng)機(jī)為內(nèi)燃機(jī),因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的余熱以煙氣和冷卻水兩種方式存在,因此余熱利用裝置為熱水煙氣型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組;如果原動(dòng)機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī),則余熱利用裝置為煙氣型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組。在新型系統(tǒng)中有電能產(chǎn)生,如果將電能直接用于建筑物,就是分布式(冷)熱電聯(lián)供系統(tǒng),但對(duì)于分布式系統(tǒng),其產(chǎn)品多樣(有電和熱或者冷),而熱(或冷)與電相互制約,當(dāng)電剩余時(shí),為了調(diào)劑電量供需的平衡,必須把熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)到公共電網(wǎng)上購(gòu)入或售出電量,存在所謂上網(wǎng)問題,對(duì)于遠(yuǎn)離大電網(wǎng)或規(guī)模很小的分布式熱電聯(lián)產(chǎn),上網(wǎng)問題尤其困難。而另一方面,熱電聯(lián)產(chǎn)雖能大幅度降低供熱/冷單耗,但由于兼有熱(和/或冷)、電兩或三種產(chǎn)品,加重了一次能源的消耗量,這一點(diǎn)對(duì)于我國(guó)貧氣現(xiàn)象被視為缺陷。而本文討論的新型系統(tǒng),與熱電聯(lián)產(chǎn)方案相比,其避免了上網(wǎng)問題,同時(shí)由于終端產(chǎn)品單一,降低了天然氣總耗量;與常規(guī)鍋爐方案相比,其節(jié)能效果顯著;與電驅(qū)動(dòng)熱泵供暖方案相比,其可靠性高,是一種非常值得關(guān)注的城市天然氣消費(fèi)方式。并且,新型空調(diào)系統(tǒng)采用以天然氣作為一次能源輸入的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組帶動(dòng)電動(dòng)冷暖空調(diào)機(jī)組進(jìn)行供熱和制冷,可以更有效地配置資源,對(duì)于北京市這樣采暖基于天然氣的城市,它能有效緩解其普遍存在冬季用氣高峰與夏季用氣低谷對(duì)供氣所造成的壓力,并且能大大減少夏季空調(diào)用電,起到削峰作用的同時(shí)優(yōu)化了用電結(jié)構(gòu),從而提高發(fā)電機(jī)組設(shè)備利用率、大幅度降低電力成本,保證了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。本文分析的新型系統(tǒng)的熱能動(dòng)力裝置采用內(nèi)燃機(jī),而余熱利用裝置是用熱水煙氣型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組(以下簡(jiǎn)稱溴化鋰機(jī)組),在冬季時(shí)回收余熱供熱而在夏季時(shí)用回收的余熱制冷?？紤]到新型系統(tǒng)在冬季時(shí)的熱泵運(yùn)行模式,新型系統(tǒng)要有一個(gè)低溫?zé)嵩?電動(dòng)冷暖空調(diào)機(jī)組若用空氣源熱泵冷暖機(jī)組,其受環(huán)境影響很大,需要備用尖峰鍋爐,而用水源(這里的水源可以是地表水、地下水,也可以是中水)或土壤源熱泵空調(diào)機(jī)組可以保證新型系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在此考慮的是土壤源熱泵空調(diào)機(jī)組。因此,本文分析的是土壤源熱泵-內(nèi)燃機(jī)新型系統(tǒng)的供熱/冷特性。2新系統(tǒng)的加熱性能2.1余熱利用性能系數(shù)及節(jié)能率用手表示土壤源熱泵-內(nèi)燃機(jī)新型系統(tǒng)的供熱/冷指數(shù)(一次能源利用率)。供熱/冷指數(shù)ξ大小取決于熱能動(dòng)力裝置的發(fā)電效率ηe、熱泵的性能系數(shù)COPe、回收的煙氣余熱量份額ηs、熱水煙氣型溴化鋰機(jī)組中煙氣余熱利用的性能系數(shù)COPs、內(nèi)燃機(jī)冷卻水回收的余熱量份額ηw和熱水煙氣型溴化鋰機(jī)組中熱水余熱利用的性能系數(shù)COPw,則ξ可用公式(1)表示:為了更明確表征新型系統(tǒng)方案的優(yōu)越性,在此引入節(jié)能率η概念進(jìn)行評(píng)估。式中,qre、qnew—分別為參照系統(tǒng)和新型系統(tǒng)的燃料能耗的熱量值。整個(gè)采暖季,只有少數(shù)時(shí)間是設(shè)計(jì)負(fù)荷,其他時(shí)間都只有部分負(fù)荷,隨負(fù)荷的波動(dòng),各方案不會(huì)穩(wěn)定在某個(gè)工況。為了對(duì)新型系統(tǒng)全工況進(jìn)行評(píng)估,考慮到不同時(shí)間段負(fù)荷的不同,因此給出逐時(shí)節(jié)能率η1和總體節(jié)能率>ηtot,分別為:式中,qre(t)、qnew(t)——分別為參照系統(tǒng)和新型系統(tǒng)在時(shí)刻t時(shí)燃料能耗的熱量值。2.2影響溴化鋰機(jī)組性能的因素將新型系統(tǒng)應(yīng)用于供熱/冷時(shí),熱/冷負(fù)荷總是不斷變化的,系統(tǒng)不可能穩(wěn)定在某一狀態(tài)點(diǎn)運(yùn)行。因此,新型系統(tǒng)變工況的性能對(duì)整個(gè)采暖期至關(guān)重要。文獻(xiàn)給出了內(nèi)燃機(jī)變工況通用特性。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率,隨著負(fù)荷的降低,發(fā)電效率先增后減,存在一個(gè)最大值,該點(diǎn)(比輸出功率)為最佳發(fā)電效率,相對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗最小。對(duì)于新型系統(tǒng)中熱水煙氣型溴化鋰機(jī)組的性能受許多因素的影響,如水(夏季包含溴機(jī)冷凍水、溴機(jī)冷卻水;冬季是熱水)流量和溫度、煙氣以及內(nèi)燃機(jī)冷卻水(對(duì)于溴化鋰機(jī)組來說,相當(dāng)于熱源水)的溫度和流量等。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)其他條件不變,對(duì)于熱水煙氣型溴化鋰機(jī)組在此只考慮煙氣或內(nèi)燃機(jī)冷卻水的溫度和流量對(duì)其性能的影響。對(duì)于土壤源熱泵的制熱/冷量,同樣受多方面因素的影響(如冷凍水流量溫度、冷卻水流量溫度,輸入功率等)。在此也作簡(jiǎn)化,假設(shè)其他條件不變,只考慮輸入功率對(duì)制熱/冷量的影響。在以上簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,通過模擬計(jì)算可得到新型系統(tǒng)的變工況特性,具體特性通過以下案例分析給出。3單獨(dú)供熱/冷熱水機(jī)組t現(xiàn)以北京地區(qū)某建筑面積為5萬m2的建筑物為例對(duì)新型系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析,其中該建筑物的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3601kW,設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為4478kW。因新型系統(tǒng)中的子系統(tǒng)(土壤源熱泵機(jī)組和余熱型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組)均可單獨(dú)供熱/冷。在此給出方案1(新型系統(tǒng)方案)、方案2(直接從電網(wǎng)取電驅(qū)動(dòng)的土壤源熱泵機(jī)組方案)、方案3(直燃型溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)組方案)的比較。需要說明的是,為了方便比較,方案2的土壤源熱泵機(jī)組的供熱/冷指數(shù)不是指機(jī)組效率COP值,而是指考慮了發(fā)電效率的一次能源利用率;對(duì)于方案3,一般情況下給出的機(jī)組效率就是一次能源利用率。3.1供熱/冷指數(shù)的確定在方案1中,新型系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工況下的發(fā)電功率為799kW,ηe=38.58%、ηs=24.42%、ηw=17.25%;新型系統(tǒng)土壤源熱泵的COPe,h=3.4,COPe,c=4.5;余熱的COPw,c=0.7、COPs,c=1.25;因溴化鋰機(jī)組工質(zhì)冷劑水特性因素的影響,進(jìn)水溫度不能低于5℃,而對(duì)于土壤源熱泵在連續(xù)運(yùn)行時(shí)地下埋管的出口溫度很可能低于5℃,故在本文中,冬季運(yùn)行時(shí)不考慮溴化鋰機(jī)組的熱泵運(yùn)行模式,僅考慮利用余熱溴化鋰機(jī)組回收熱量直接供熱,即COPw,h=1、COPs,h=1。其中下標(biāo)c、h分別代表供冷和供熱。方案2中的土壤源熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量為1059kW,其中COPe的取值與方案1中的新型熱泵取值相同,另外電廠平均發(fā)電效率取值35.2%,即供電煤耗349g/kWh。通過設(shè)計(jì)(未考慮傳輸?shù)葥p失),得到各方案設(shè)計(jì)工況下的供熱/冷指數(shù)以及新型方案相對(duì)于其他兩種方案的節(jié)能率列于表1中。從表1可以看出,新型系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下其供熱指數(shù)ξh=1.75,供冷指數(shù)ξc=2.16,遠(yuǎn)高于土壤源熱泵機(jī)組和直燃型溴化鋰機(jī)組兩種方案,相對(duì)于這兩種方案,新型系統(tǒng)冬季節(jié)能率分別為31.4%和48.6%;夏季分別為26.8%和42.3%。從機(jī)理上講,新型系統(tǒng)供熱指數(shù)高的主要原因是:一方面,能量能夠合理的梯級(jí)利用,將能源品位高的熱能先轉(zhuǎn)化為電能,再通過性能好的熱泵轉(zhuǎn)化為更多的熱量;另一方面,冬季作為終端產(chǎn)品的熱量中除了有燃料熱外,還有通過熱泵得到的環(huán)境熱,而在夏季也將利用余熱來供冷。3.2變工況性能對(duì)比新型系統(tǒng)的變工況特性如圖2所示。從圖中可以看出,系統(tǒng)的最佳狀態(tài)點(diǎn)不是設(shè)計(jì)工況(負(fù)荷100%),而是在負(fù)荷約80%時(shí),這主要是由于對(duì)新型系統(tǒng)影響顯著的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率、熱泵的性能都是先增后減(余熱所占比例相對(duì)較小,對(duì)系統(tǒng)變工況性能影響占次要因素),因此,新型系統(tǒng)性能也出現(xiàn)了這樣的變化過程。之后性能有所下降,主要由于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率和熱泵性能開始明顯下降,煙氣溫度也較低,煙氣中所含的熱量也降低所致。所以基于土壤源熱泵、內(nèi)燃機(jī)的新型系統(tǒng)在負(fù)荷50%～100%之間的性能較好。圖3給出了在不同負(fù)荷率下,新型系統(tǒng)相對(duì)于土壤源熱泵機(jī)組、直燃溴化鋰機(jī)組冬季和夏季的節(jié)能率。可以看到,新型系統(tǒng)相對(duì)于熱泵幾乎在整個(gè)負(fù)荷下具有節(jié)能性,而相對(duì)于直燃機(jī)供熱時(shí)在負(fù)荷接近0.1,供冷負(fù)荷接近0.2時(shí),新型系統(tǒng)無優(yōu)勢(shì)(這和新型系統(tǒng)中匹配的熱泵機(jī)組有很大關(guān)系,熱泵機(jī)組之間的變工況性能也有所不同)。而在新型性能較好的負(fù)荷大于50%時(shí)其節(jié)能性非常顯著,相對(duì)于直燃和熱泵的節(jié)能率分別在30%和20%以上。3.3能耗、平均供能指數(shù)以及新型系統(tǒng)方案的節(jié)能率根據(jù)該建筑物的特性,利用DeST軟件模擬計(jì)算出商場(chǎng)的熱/冷負(fù)荷如圖4所示。由圖4中北京地區(qū)采暖期的負(fù)荷特性,計(jì)算得總熱負(fù)荷為7.61TJ,冷負(fù)荷18.10TJ。3個(gè)方案主要參數(shù)如燃料能耗、平均供能指數(shù)以及新型系統(tǒng)方案相對(duì)其他兩個(gè)方案的節(jié)能率列于表2中。從表2可以看出,新型系統(tǒng)冬季平均供熱指數(shù)為1.45,遠(yuǎn)高于土壤源熱泵的1.09和直燃溴化鋰機(jī)組的0.85,新型系統(tǒng)冬季燃料能耗熱量為5.25TJ,相對(duì)于后兩者,其節(jié)能率分別為24.7%和41.2%;新型系統(tǒng)夏季平均供冷指數(shù)為2.01,也遠(yuǎn)高于土壤源熱泵的1.56和直燃溴化鋰機(jī)組的1.32,新型系統(tǒng)夏季燃料能耗熱量為8.98TJ,其節(jié)能率分別為22.2%和34.4%。新型系統(tǒng)一年中的總能耗為14.13TJ,節(jié)能率分別為23.1%和37.1%?？梢娦滦拖到y(tǒng)具有較好的節(jié)能特性。4變工況能耗分析能獨(dú)立供暖/供冷的新型空調(diào)系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)方案相比,避免了上網(wǎng)問題,同時(shí)由于終端產(chǎn)品單一,降低了天然氣總耗量。而且新型系統(tǒng)能有效緩解其普遍存在冬季用氣高峰與夏季用氣低谷對(duì)供氣所造