高效熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

高效熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

分布式能源熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)三葉醇和寒冷能源系統(tǒng)是基于能量級(jí)利用的概念的系統(tǒng)。天然氣是一個(gè)次能源，產(chǎn)生了熱、電、冷的聯(lián)合供系統(tǒng)。它以天然氣為燃料,利用小型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)等設(shè)備將天然氣燃燒后獲得的高溫?zé)煔馐紫扔糜诎l(fā)電,然后利用余熱在冬季供暖;在夏季通過(guò)制冷機(jī)供冷;同時(shí)還可提供生活熱水,充分利用了排氣熱量。本文介紹的新型分布式能源熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng),充分考慮用電負(fù)荷及冷熱負(fù)荷,將溴化鋰機(jī)組和地源熱泵機(jī)組的冷熱負(fù)荷分配進(jìn)行了合理匹配優(yōu)化,確定最優(yōu)化的系統(tǒng)配置。與傳統(tǒng)的三聯(lián)供系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)集成了地源熱泵機(jī)組在本系統(tǒng)中,出于以下幾個(gè)方面的考慮:地源熱泵機(jī)組可以消耗發(fā)電機(jī)組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;天然氣停氣時(shí),地源熱泵機(jī)組可以應(yīng)急供暖制冷,提高系統(tǒng)穩(wěn)定和安全性;電價(jià)處于谷價(jià)時(shí)發(fā)電機(jī)組可以停機(jī),只運(yùn)行地源熱泵機(jī)組,提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)系統(tǒng)多機(jī)種、多單元、多回路、多工況的特點(diǎn),設(shè)計(jì)以熱定電的能源管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化、集散控制,凸顯分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。1新三氟乙醇系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例1.1冷聯(lián)供系統(tǒng)基本方案某廠區(qū)最高熱負(fù)荷為3000kW,用電最高負(fù)荷為2000kW,平均負(fù)荷為800kW,最高冷負(fù)荷為3500kW。由于冷熱負(fù)荷的變化是隨外界環(huán)境溫度而變化,具有很大隨機(jī)性,在一個(gè)制冷期120天和一個(gè)采暖期120天(24小時(shí)/天)內(nèi)的冷熱負(fù)荷分布見表1。按照以上的冷、熱、電負(fù)荷需求,初步考慮設(shè)計(jì)3500kW的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)。在系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃中,以滿足熱負(fù)荷為主,發(fā)電機(jī)組所發(fā)電能“自發(fā)自用,不足由電網(wǎng)補(bǔ)充”的基本原則。本著發(fā)電自用的原則制定以下四個(gè)方案:方案一:制冷量3500kW(制熱量2800kW)直燃型溴化鋰雙效機(jī)組;方案二:制冷量3500kW(制熱量2450kW)地源熱泵機(jī)組;方案三:2臺(tái)600kW天然氣發(fā)電機(jī)組+制冷量2330kW(制熱量1860kW)煙氣水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組+制冷量1287.4kW(制熱量1335kW)地源熱泵機(jī)組;方案四:2臺(tái)600kW天然氣發(fā)電機(jī)組+制冷量1400kW(制熱量1120kW)煙氣水型溴化鋰機(jī)組+制冷量2100kW(制熱量1470kW)地源熱泵機(jī)組。各方案投資和運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比表見表2。結(jié)論:方案一初期投資小,運(yùn)行費(fèi)用較高;方案二初期投資和運(yùn)行費(fèi)用均較高;方案三和方案四初期投資較大,運(yùn)行費(fèi)用較低。匹配地源熱泵可以消耗發(fā)電機(jī)組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;當(dāng)天然氣停氣時(shí),地源熱泵可以應(yīng)急供暖制冷;電價(jià)處于谷價(jià)時(shí)發(fā)電機(jī)組可以停機(jī),只運(yùn)行地源熱泵。綜合考慮選定方案三為廠區(qū)的最佳三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)施方案。1.2溴化鋰機(jī)組回水原理設(shè)計(jì)采用600GF1-PwT天然氣發(fā)電機(jī)組作為三聯(lián)供的核心動(dòng)力設(shè)備,發(fā)電機(jī)組發(fā)電一部分供應(yīng)地源熱泵機(jī)組、溴化鋰機(jī)組及空調(diào)終端用電,剩余部分供應(yīng)廠區(qū)用電,不向大網(wǎng)送電,電力不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充。發(fā)電機(jī)組排放的高溫?zé)煔饧案滋谉崴芍苯舆M(jìn)入溴化鋰機(jī)組,驅(qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組進(jìn)行制冷(制熱)運(yùn)行,對(duì)外提供空調(diào)冷(熱)水。煙氣通過(guò)溴冷機(jī)后溫度降到170℃,此時(shí)采用煙氣-水板式熱交換器對(duì)其熱量進(jìn)一步吸收,制取熱水,提高能源綜合利用率。機(jī)組高溫回水除了進(jìn)入溴冷機(jī)組外,另取一回路讓其通過(guò)水-水板式熱交換器,制取熱水。另外當(dāng)冷、熱負(fù)荷較大時(shí),還可直接對(duì)溴冷機(jī)通入天然氣進(jìn)行補(bǔ)燃以制冷(制熱),提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性及使用效果。地源熱泵機(jī)組通過(guò)輸入少量的高品位能源(消耗本系統(tǒng)所發(fā)的電能),即可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移,能效比較高,由地源熱泵制取的冷(熱)水并入到空調(diào)系統(tǒng)中。1.3空調(diào)末端冷媒循環(huán)時(shí)地源熱泵機(jī)組冷媒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在制冷狀態(tài)下,地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功,使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由空調(diào)末端高溫水(12℃)所攜帶的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過(guò)冷凝器內(nèi)冷媒的換熱,由埋管換熱器內(nèi)的冷水(25℃)將冷媒所攜帶的熱量吸收,最終由埋管換熱器內(nèi)的冷水(30℃)把熱量轉(zhuǎn)移至土壤里。流經(jīng)蒸發(fā)器的空調(diào)末端高溫水溫度降低至7℃,利用用戶端循環(huán)水泵將其送回空調(diào)末端,用于供冷。地源熱泵機(jī)組制冷時(shí)輸入功率222.9kW,產(chǎn)生的冷凍水流量為221.4m3/h。在制熱狀態(tài)下,地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功,并通過(guò)換向閥將冷媒流動(dòng)方向換向。由埋管換熱器內(nèi)的熱水(10℃)吸收土壤里的熱量,通過(guò)冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā),將埋管換熱器內(nèi)的熱水中的熱量吸收至冷媒中,流經(jīng)蒸發(fā)器的熱水溫度下降至5℃,在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的換熱,由空調(diào)末端低溫水(40℃)將冷媒所攜帶的熱量吸收,空調(diào)末端低溫水溫度上升至45℃,利用用戶端循環(huán)水泵將其送回空調(diào)末端,用于供熱。地源熱泵機(jī)組供熱時(shí)輸入功率294.9kW,產(chǎn)生熱水流量229.6m3/h。地源熱泵系統(tǒng)工藝流程圖詳見圖1。1.4剩余使用部分1.4.1采暖系統(tǒng)低熱回收利用夏季通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生7℃冷水與地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的7℃冷水通過(guò)集水器匯總后送至用冷區(qū)域,此時(shí)風(fēng)機(jī)盤管中的7℃冷水與廠房?jī)?nèi)的熱空氣換熱后溫度升高為12℃,通過(guò)空調(diào)循環(huán)水泵把各廠房產(chǎn)生的12℃冷水通過(guò)分水器的分水作用分別送至發(fā)電機(jī)組余熱利用系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng),在這兩個(gè)系統(tǒng)中12℃冷水放熱轉(zhuǎn)化為7℃冷水,以此完成夏季冷水的循環(huán)利用。冬季通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生45℃熱水與機(jī)組高、低溫內(nèi)循環(huán)余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生的45℃熱水通過(guò)集水器匯總后送至用熱區(qū)域,使采暖系統(tǒng)回水溫度降至40℃,利用采暖系統(tǒng)循環(huán)泵把各廠房產(chǎn)生的40℃熱水通過(guò)分水器的分水作用分別送至機(jī)組高、低溫內(nèi)循環(huán)余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng),在上述系統(tǒng)中40℃熱水充分吸收不同性質(zhì)的余熱轉(zhuǎn)為45℃熱水,以此完成冬季熱水的循環(huán)利用。1.4.2余熱利用煙氣熱水補(bǔ)燃余熱利用發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)夏季各廠房?jī)?nèi)需要的冷量超過(guò)直接利用發(fā)電機(jī)組排煙余熱通過(guò)熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組與地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的最大總制冷量時(shí)(冬季需要的熱量增加并超過(guò)直接利用發(fā)電機(jī)組排煙余熱通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組、機(jī)組高、低溫余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生的最大總制熱量時(shí)),適量的增加溴化鋰機(jī)組的燃?xì)夤?yīng)進(jìn)行補(bǔ)燃,實(shí)現(xiàn)用冷(熱)的需求。1.4.3鋰機(jī)組的回收利用夏季時(shí)將發(fā)電機(jī)組高溫內(nèi)循環(huán)水引入到煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組進(jìn)行回收利用,產(chǎn)生7℃的冷水并入到采制冷循環(huán)系統(tǒng)中;冬季時(shí)分別利用高、低溫內(nèi)循環(huán)水熱量通過(guò)板式換熱器進(jìn)行回收利用,產(chǎn)生45℃熱水并入到采暖總循環(huán)系統(tǒng)中。1.4.4煙氣水板式換熱器回收利用冬季將發(fā)電機(jī)組高溫尾氣引入溴化鋰機(jī)組進(jìn)行回收利用后排煙溫度為170℃,將這部分煙氣再引入煙氣水板式換熱器進(jìn)行二次回收利用,產(chǎn)生45℃熱水并入到采暖總循環(huán)系統(tǒng)中。2系統(tǒng)節(jié)能策略2.1煙氣水板式換熱器利用余熱通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組可利用排煙余熱為521.25kW,通過(guò)煙氣水板式換熱器可利用排煙余熱為141.47kW,高溫冷卻水散發(fā)熱量為514.62kW,低溫冷卻水散發(fā)熱量為289.47kW。2.2高溫冷卻水制冷量煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組制冷量為:QL1=1.4×521.25kW=729.75kW;高溫冷卻水制冷量為:QL2=0.76×514.62=391.11kW;地源熱泵機(jī)組制冷量為:1287.4kW;夏季總制冷量為:QLZ=729.75kW+391.11kW+1287.4kW=2408.26kW。2.3高溫冷卻水供熱量煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組供熱量為:QR1=0.9×521.25kW=469.125kW;煙氣水板式換熱器供熱量為:QR2=0.9×141.47kW=127.323kW;高溫冷卻水供熱量為:QR3=0.9×514.62kW=463.158kW;低溫冷卻水供熱量為:QR4=0.9×289.47kW=260.523kW;地源熱泵機(jī)組供熱量為:QR5=1335kW;冬季供暖總供熱量為:QRZ=0.95×(469.125kW+127.323kW+463.158kW+260.523kW+1335kW)=2522.37kW。2.4煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組夏季總制冷量為2408.26kW,缺口1091.74kW,此部分制冷量缺口可以通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組補(bǔ)燃熱量利用系統(tǒng)提供;冬季總供熱量為2522.37kW,缺口477.63kW,此部分供熱量缺口可以通過(guò)煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰機(jī)組補(bǔ)燃熱量利用系統(tǒng)提供。2.5廠區(qū)回水水質(zhì)啟動(dòng)時(shí),首先啟動(dòng)天然氣發(fā)電機(jī)組,然后開啟溴化鋰機(jī)組(此時(shí)只開啟煙氣工作模式:制冷時(shí)開啟熱水工作模式;溴化鋰機(jī)組補(bǔ)燃進(jìn)氣閥門關(guān)閉),開啟地源熱泵機(jī)組;啟動(dòng)完成后,控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)回水溫度、電負(fù)荷情況調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率、溴化鋰機(jī)組、地源熱泵機(jī)組的工作效率(P發(fā)—代表系統(tǒng)發(fā)電量;P用—代表廠區(qū)總用電量;T—代表系統(tǒng)回水溫度)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況:2.5.1b.t1.2調(diào)節(jié)機(jī)組2.5.1.1當(dāng)P發(fā)>P用時(shí),降低發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率,當(dāng)達(dá)到電平衡后,有以下幾種情況:a.T<12℃,若溴化鋰補(bǔ)燃已開啟,則首先逐步關(guān)閉天然氣進(jìn)氣閥門,若仍然是T<12℃,調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組(每次降低額定效率的10%,間隔5分鐘),同時(shí)降低發(fā)電機(jī)組功率(每次降低10kW,間隔5分鐘),直到T=12℃時(shí)為止。若地源熱泵降到最低負(fù)荷,仍然是T<12℃,開啟煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥,將部分煙氣排走。b.T>12℃時(shí),調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組(每次提高額定效率的10%,間隔5分鐘,同時(shí)提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率),直到T=12℃時(shí)為止;若地源熱泵機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行5分鐘,仍然是T>12℃時(shí),開啟溴化鋰機(jī)組天然氣進(jìn)氣閥門(每次開啟30度,間隔5分鐘),直到T=12℃時(shí)為止;2.5.1.2當(dāng)P發(fā)<P用時(shí),提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率,使P發(fā)=P用,若發(fā)電機(jī)組達(dá)到額定功率后仍然是P發(fā)<P用時(shí),則保持機(jī)組在額定狀態(tài)下運(yùn)行,不足的電能引自外網(wǎng),有以下幾種情況:a.T<12℃時(shí),若溴化鋰補(bǔ)燃已開啟則首先逐步關(guān)閉天然氣進(jìn)氣閥門,若仍然是T<12℃,調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組(每次降低額定效率的10%,間隔5分鐘),直到T=12℃時(shí)為止;若地源熱泵關(guān)閉后,仍然是T<12℃時(shí),開啟煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥,將部分燃?xì)馀抛摺.T>12℃時(shí),調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組(每次提高額定效率的10%,間隔5分鐘),直到T=12℃時(shí)為止;若地源熱泵機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行5分鐘,仍然是T>12℃時(shí),開啟溴化鋰機(jī)組天然氣進(jìn)氣閥門(每次開啟30度,間隔5分鐘),直到T=12℃時(shí)為止。2.5.2綜合節(jié)能運(yùn)行策略熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的核心目的是提供一次能源綜合利用率,在此前提下盡可能的降低運(yùn)行成本,本系統(tǒng)關(guān)鍵是綜合節(jié)能運(yùn)行策略,必須針對(duì)不同的電力、冷熱能源需求條件,提出并實(shí)施最佳運(yùn)行方案。3運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性3.1通過(guò)板式換熱器利用高溫水和尾部煙氣余熱加熱高溫?zé)崴?使排煙溫度進(jìn)一步降低,既降低熱污染,又提高系統(tǒng)熱效率。地源熱泵機(jī)組可以消耗發(fā)電機(jī)組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;天然氣停氣時(shí),地源熱泵機(jī)組可以應(yīng)急供