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,不僅嚴重浪費資源,同時造成燃氣成本過高,而直接將燃氣燃燒的高品位能直接供熱,不僅效率低,更沒有體現(xiàn)能源的梯級利用。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。針對以上分析,本文研究了以燃氣為燃料的、能獨立供暖/供冷的新型分布式供能系統(tǒng)(以下簡稱新型系統(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熱型溴化鋰冷熱水機組的比較新型系統(tǒng)的原理如圖1所示(圖中是以內(nèi)燃機為原動機表示的示意圖)。在新型系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機組,它由發(fā)電機和任一形式適合熱電聯(lián)產(chǎn)的熱機構(gòu)成。這一熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)出熱能和電能。在冬季(或夏季),電能被用于驅(qū)動電動冷暖空調(diào)機組以熱泵(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“源”;熱能則通過余熱型溴化鋰冷熱水機組生產(chǎn)熱水(或利用余熱驅(qū)動吸收式制冷循環(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“源”。這樣,每個用戶都同時擁有兩個不同的供應(yīng)熱量(或冷量)的“源”,一個是電驅(qū)動的熱(或冷)源,一個是余熱熱源(或熱驅(qū)動的冷源)。對于不同原動機對應(yīng)的余熱型溴化鋰冷熱水機組會有所區(qū)別,例如:如圖1,原動機為內(nèi)燃機,因為內(nèi)燃機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冷熱水機組;如果原動機為燃氣輪機,則余熱利用裝置為煙氣型溴化鋰吸收式冷熱水機組。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,當電剩余時,為了調(diào)劑電量供需的平衡,必須把熱電聯(lián)產(chǎn)機組聯(lián)到公共電網(wǎng)上購入或售出電量,存在所謂上網(wǎng)問題,對于遠離大電網(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,這一點對于我國貧氣現(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)電機組帶動電動冷暖空調(diào)機組進行供熱和制冷,可以更有效地配置資源,對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優(yōu)化了用電結(jié)構(gòu),從而提高發(fā)電機組設(shè)備利用率、大幅度降低電力成本,保證了電網(wǎng)運行的安全性。本文分析的新型系統(tǒng)的熱能動力裝置采用內(nèi)燃機,而余熱利用裝置是用熱水煙氣型溴化鋰冷熱水機組(以下簡稱溴化鋰機組),在冬季時回收余熱供熱而在夏季時用回收的余熱制冷。考慮到新型系統(tǒng)在冬季時的熱泵運行模式,新型系統(tǒng)要有一個低溫熱源,電動冷暖空調(diào)機組若用空氣源熱泵冷暖機組,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)機組。因此,本文分析的是土壤源熱泵-內(nèi)燃機新型系統(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組中煙氣余熱利用的性能系數(shù)COPs、內(nèi)燃機冷卻水回收的余熱量份額ηw和熱水煙氣型溴化鋰機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概念進行評估。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。整個采暖季,只有少數(shù)時間是設(shè)計負荷,其他時間都只有部分負荷,隨負荷的波動,各方案不會穩(wěn)定在某個工況。為了對新型系統(tǒng)全工況進行評估,考慮到不同時間段負荷的不同,因此給出逐時節(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)在時刻t時燃料能耗的熱量值。2.2影響溴化鋰機組性能的因素將新型系統(tǒng)應(yīng)用于供熱/冷時,熱/冷負荷總是不斷變化的,系統(tǒng)不可能穩(wěn)定在某一狀態(tài)點運行。因此,新型系統(tǒng)變工況的性能對整個采暖期至關(guān)重要。文獻給出了內(nèi)燃機變工況通用特性。對于內(nèi)燃機發(fā)電效率,隨著負荷的降低,發(fā)電效率先增后減,存在一個最大值,該點(比輸出功率)為最佳發(fā)電效率,相對應(yīng)內(nèi)燃機的燃料消耗最小。對于新型系統(tǒng)中熱水煙氣型溴化鋰機組的性能受許多因素的影響,如水(夏季包含溴機冷凍水、溴機冷卻水;冬季是熱水)流量和溫度、煙氣以及內(nèi)燃機冷卻水(對于溴化鋰機組來說,相當于熱源水)的溫度和流量等。為了簡化計算,假設(shè)其他條件不變,對于熱水煙氣型溴化鋰機組在此只考慮煙氣或內(nèi)燃機冷卻水的溫度和流量對其性能的影響。對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)。在此也作簡化,假設(shè)其他條件不變,只考慮輸入功率對制熱/冷量的影響。在以上簡化的基礎(chǔ)上,通過模擬計算可得到新型系統(tǒng)的變工況特性,具體特性通過以下案例分析給出。3單獨供熱/冷熱水機組t現(xiàn)以北京地區(qū)某建筑面積為5萬m2的建筑物為例對新型系統(tǒng)進行模擬分析,其中該建筑物的設(shè)計熱負荷為3601kW,設(shè)計冷負荷為4478kW。因新型系統(tǒng)中的子系統(tǒng)(土壤源熱泵機組和余熱型溴化鋰冷熱水機組)均可單獨供熱/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)動的土壤源熱泵機組方案)、方案3(直燃型溴化鋰冷熱水機組方案)的比較。需要說明的是,為了方便比較,方案2的土壤源熱泵機組的供熱/冷指數(shù)不是指機組效率COP值,而是指考慮了發(fā)電效率的一次能源利用率;對于方案3,一般情況下給出的機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)燃機設(shè)計工況下的發(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;因溴化鋰機組工質(zhì)冷劑水特性因素的影響,進水溫度不能低于5℃,而對于土壤源熱泵在連續(xù)運行時地下埋管的出口溫度很可能低于5℃,故在本文中,冬季運行時不考慮溴化鋰機組的熱泵運行模式,僅考慮利用余熱溴化鋰機組回收熱量直接供熱,即COPw,h=1、COPs,h=1。其中下標c、h分別代表供冷和供熱。方案2中的土壤源熱泵機組的裝機容量為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(未考慮傳輸?shù)葥p失),得到各方案設(shè)計工況下的供熱/冷指數(shù)以及新型方案相對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)計工況下其供熱指數(shù)ξh=1.75,供冷指數(shù)ξc=2.16,遠高于土壤源熱泵機組和直燃型溴化鋰機組兩種方案,相對于這兩種方案,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)點不是設(shè)計工況(負荷100%),而是在負荷約80%時,這主要是由于對新型系統(tǒng)影響顯著的內(nèi)燃機發(fā)電效率、熱泵的性能都是先增后減(余熱所占比例相對較小,對系統(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)燃機的新型系統(tǒng)在負荷50%～100%之間的性能較好。圖3給出了在不同負荷率下,新型系統(tǒng)相對于土壤源熱泵機組、直燃溴化鋰機組冬季和夏季的節(jié)能率?？梢钥吹?新型系統(tǒng)相對于熱泵幾乎在整個負荷下具有節(jié)能性,而相對于直燃機供熱時在負荷接近0.1,供冷負荷接近0.2時,新型系統(tǒng)無優(yōu)勢(這和新型系統(tǒng)中匹配的熱泵機組有很大關(guān)系,熱泵機組之間的變工況性能也有所不同)。而在新型性能較好的負荷大于50%時其節(jié)能性非常顯著,相對于直燃和熱泵的節(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軟件模擬計算出商場的熱/冷負荷如圖4所示。由圖4中北京地區(qū)采暖期的負荷特性,計算得總熱負荷為7.61TJ,冷負荷18.10TJ。3個方案主要參數(shù)如燃料能耗、平均供能指數(shù)以及新型系統(tǒng)方案相對其他兩個方案的節(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,遠高于土壤源熱泵的1.09和直燃溴化鋰機組的0.85,新型系統(tǒng)冬季燃料能耗熱量為5.25TJ,相對于后兩者,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,也遠高于土壤源熱泵的1.56和直燃溴化鋰機組的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供氣所造