燃气轮机冷热电联供系统优化与节能经济性研究

1、2005年第35卷第7期4专题研讨暖通空调HV&AC燃气轮机冷热电联供系统优化3与节能经济性研究山东科技大学孔祥强李瑛上海交通大学摘要以满足冷、热、,最优化模型。指出联供系统,分供系统运行更经济。分析了各性,、吸收式制冷机的制冷系数及烟气余。关键词冷热电联供燃气轮机系统优化节能经济性分析EnergyefficiencyandeconomicanalysisofCCHPdrivenbygasturbinebasedonoptimizationByKongXiangqiang,LiYing,WangRuzhuandHuangXinghuaAbstractTakingtheminimalop

2、erationcostmeetingtheloaddemandofcooling,heatingandpowerasoptimizingfunction,establishestheoptimizingeconomicalmodelofcombinedcooling,heatingandpowersystem(CCHP).Explorestheenergyefficiencyandeconomicsofthecombinedsystemwithrealprojects.Pointsoutthattheoptimaloperationmodeisassociatedwiththeelectric

3、2to2gascostratio.Whentheratioislower,theseparatesystemhashigherenergyefficiency.Analysestheeffectofthesevenperformanceparametersontheeconomicsofthecombinedsystem.Theresultsshowthattheeconomicsismoresensitivetotheelectricalefficiencyofgasturbine,refrigerationCOPofabsorptionchillerandexhaustheatrecove

4、ryefficiency.Keywordscombinedcoolingheatingandpower,gasturbine,systemoptimization,energyefficiency,economicanalysisShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,China0引言随着天然气进京、西气东输,天然气在城市能源系统中已显示出日益重要的作用。城市合理利用天然气的一个重要途径是发展冷热电联供系统,它将天然气利用、发电、制冷和供暖技术整合在一起,具有能源利用效率高、实现能源消耗季节平衡、环保以及保证城市能源安全等优点18。此系统目前在我国应用的主要问题

5、是天然气成本高,导致上海市科委重大科技攻关项目(编号:023012004),国家“973”资助项目(编号:G2000026309)系统经济性差。如何解决天然气冷热电联供系统这种先进、高效的能源系统的生存和发展是一个亟待研究的重要问题。本文研究了以燃气轮机为源动力的冷热电联供系统,以满足热、电、冷负荷需求时能源运行成本最低为优化目标,燃气轮机部分负孔祥强,男,1976年10月生,博士研究生266510山东科技大学机械电子工程学院(0532)6057912E2mail:kxqiang收稿日期:20050414修回日期:200505293暖通空调HV&AC2005年第35卷第7期专题研讨荷率

6、和烟气通入溴化锂吸收式机组和余热锅炉的流量比为优化变量,建立了系统最优化模型;并以上海地区某应用场合作为计算模型,比较了联供系统和分供系统的年净收益、投资回收期以及一次能耗率,并分析了运行设备性能参数对系统经济性的影响。1数学模型的建立1.1燃气轮机冷热电联供系统的描述5分负荷率LF和烟气通入溴化锂吸收式机组和余热锅炉的流量比x为优化变量。LF=1时燃气轮机满负荷运行,LF=0时燃气轮机停止工作;x=1时燃气轮机烟气全部通入吸收式制冷机,x=0时烟气全部通入预热锅炉。燃气轮机消耗天然气量可由下式计算得到:Vt=t(1)燃气轮机冷热电联供系统主要由燃气轮机、余热补燃型吸收式制冷机和余热锅炉组成,

7、如图3Vt,m/h;Wt为;g,取为9.78kWh/m。3燃气轮机高温烟气余热量可以表示为LFWt(1-t-l)Qe=t(2)式中Qe为燃气轮机烟气余热量,kW;l为燃气轮机热损失效率。联供系统中燃气轮机烟气余热提供冷负荷和热负荷、吸收式制冷机补燃天然气量和余热锅炉补燃天然气量可以分别表示为(3)Qec=QexhaCOPa(4)Qeh=Qe(1-x)hbVrc=Vrh=COPacaHVgbHVgTb1-Tw(5)(6)(7)图1燃气轮机冷热电联供系统示意图示。系统利用天然气驱动燃气轮机发电,提供电负荷;燃气轮机高温烟气送入吸收式制冷机和余热锅炉,分别提供冷负荷和热负荷;不足冷、热负荷由天然气补

8、燃获得,不足电负荷从公共电网获得。图ha=hb=Ta1-Tw式(3)(7)中Qec为燃气轮机烟气余热提供冷负荷,kW;ha为吸收式制冷机发生器余热回收效率;COPa为吸收式制冷机制冷系数;Qeh为燃气轮机烟气余热提供热负荷,kW;hb为余热锅炉热回收效率;Vrc,Vrh分别为吸收式制冷机和余热锅炉需补图2传统冷热电分供系统示意图所示为传统冷热电分供系统,电负荷从公共电网购得,冷负荷由电制冷机承担,热负荷由燃气锅炉提供。1.2数学模型的建立燃天然气量,m3/h;Qc,Qh分别为系统应用场合冷负荷和热负荷,kW;ca为吸收式制冷机发生器燃烧效率;b为燃气余热锅炉燃烧效率;Ta1,Ta2分别为吸收式

9、制冷机发生器烟气进出口温度,K;Tb1,Tb2分别为余热锅炉烟气进出口温度,K;Tw为环境温度,K。燃气轮机、吸收式制冷机和余热锅炉消耗的天然气总费用为(8)Cg=Pg(Vt+Vrc+Vrh)t式中Cg为系统运行天然气成本,元;Pg为天然气价格,元/m3;t为系统运行时间,h。为了建立数学模型,作如下假设:a)燃气轮机、余热锅炉和吸收式制冷机排烟温度始终保持不变;b)系统运行时设备效率稳定不变。联供系统经济最优化模型中选取燃气轮机部2005年第35卷第7期6专题研讨暖通空调HV&AC联供系统需购买电量总费用为Ce=PgReg(Eeq+Ep-LFWt)t(9)参数按照国内某公司提供数据选

10、取:制冷系数为1.2,发生器燃烧效率为85%,出口烟气温度为17012;余热锅炉出口烟气温度为130。取环境温度为20,由式(7)可得余热锅炉和吸收式制冷机烟气余热回收效率分别为77.6%和69.5%。燃气锅炉燃烧效率取为85%;电制冷机制冷系数取式中Ce为系统运行购电成本,元;Reg为电气价格比(电价格与天然气价格比),(元/kWh)/(元/m3);Eeq为联供系统应用场合照明设备等的用电负荷,kW;Ep为联供系统中水泵用电负荷,kW。联供系统运行总费用为CCCHP=Ce+Cg(10)5.8;公共电网发电效率为30%:余式中CCCHP为系统运行总能源成本,元。式(10)标函数。优化条件,(1

11、1)0L1,0x1(12)Vt0,Vrc0,Vrh0(13)Ce0约束条件(11)是为了保证求解的合理性,约束条件(12)是为了保证燃气轮机、余热锅炉以及吸收式制冷机消耗天然气而非产气,约束条件(13)保证整个系统没有电剩余。在给定电气价格比、天然气价格、负荷需求以及燃气轮机功率情况下,联供系统肯定有最优的燃气轮机部分负荷率和烟气流量分配率,使得系统能源运行成本最低。优化过程中采取两种方法:惩罚函数法和模式搜索法910,用FORTRAN语言编制完成。2计算结果与分析2.1计算参数选择029计算,电制冷机,533元/kW/kW取值,余热锅炉按(均依据厂家提供数据)。天然气热值为10kWh/m3。

12、上海地区某居民小区负荷情况:夏季运行3672h,冷、热、电负荷分别为3200,960和1400kW;冬季运行2640h,冷、热、电负荷分别为0,2960和1400kW;春秋季运行2448h,冷、热、电负荷分别为0,960和1400kW。计算结果表明,当电气价格比小于0.19(元/kWh)/(元/m3)时,燃气轮机不工作为联供系统最优运行方式;当电气价格比大于0.19(元/kWh)/(元/m3)时,系统优化燃气轮机部分负荷率和优化烟气分配率与能源价格无关。下面讨论均是基于电气价格比大于0.19(元/kWh)/(元/m3)基础上的。2.2联供系统节能性分析联供系统相对分供系统的节能性时选用的参数为

13、一次能源消耗量,即将系统各种设备所消耗不同品位和来源的能量折合为一次能源消耗13。表1为部分计算结果,从中可以看出,随着燃气轮机功率增加,相对于分供系统,联供系统的一次能源节约百分率也增加,当燃气轮机功率大于2.0MW时,节约百分率随燃气轮机功率增加趋于定值19.1%。燃气轮机额定功率/MW燃气轮机计算参数按照美国某公司提供数据选取:天然气发电效率为24%,热损失为8%,排烟11温度为512;余热补燃型吸收式制冷机计算表1联供系统与传统分供系统一次能源利用比较0.51.068632592761564011.11.5686325921194179217.42.068632592131226641

14、9.12.5686325921312266419.1传统分供系统一次能源消耗/(kWh)联供系统相对传统分供系统一次能源节约量/(kWh)节约百分率/%6863259225778403.762.3联供系统经济性分析联供系统相对分供系统的节能性选用的参数为年运行费用节约率和差价投资回收期。年运行费用节约百分率是指联供系统年运行费用节约与分供系统年运行费用的比值。差价投资回收期是指联供系统初投资增加与年节约运行费用的比值。表2和表3为部分计算结果。在电气价格比为0.2(元/kWh)/(元/m3)时,联供系统年运行费用高于分供系统,故年节约运行费用和差价投资回收期均为负值,此时应用场合不适于采用联供

15、系统。同样电气价格比,燃气轮机额定功率从0.5MW升至2.5MW时,年运行费用节约和节约百分暖通空调HV&AC2005年第35卷第7期专题研讨表2联供系统和传统分供系统年运行费用比较电气价格比/(元/kWh)/(元/m3)7天然气价/(元/m3)电价/(元/(kWh)分供系统年运行费用/元联供系统相对传统分供系统年节约运行费用/元燃气轮机额定功率/MW0.56923201.04791840-640476-886812-10.358240780628917.555473934757929233.3191425781265895640.491.58891360-554762-768131-

16、8.961025145360836225.3373472361017309644.71120884341673783253.542.012990880-539238-746637-1441584892828540391644027.4978801781091105247.95129318701790566857.272.517090400-539238-746637-8.711144644158490313.892828540391644027.4978801781091105247.95129318701790566857.27联供系统相对分供系统增加初投资/元0.260.

17、360.390.540.520.721.31.86190824857191082393841140837810287944846227542482257930431263652-748349-1036174-12.164255889680.7812143314667458951220.175752476796494425.48年运行费用节约百分率/%年运行费用节约百分率/%年运行费用节约百分率/%0.71.8/%1.01.31.8年运行费用节约百分率/%表3联供系统相对传统分散系统差价投资回收期编号电气价格比/(元/kWh)/(元/m123456789103

18、)天然气价/(元/m1.83)电价/(元/(kWh)0.50.260.360.390.540.520.720.911.261.31.8-0.93-0.6710.777.780.790.520.09差价投资回收期/a燃气轮机额定功率/MW1.01.5-7.48-5.408.235.942.651.920.880.630.520.38-16.03-11.608.676.263.412.461.210.870.740.532.0-24.09-17.4011.358.204.593.321.651.191.000.732.5

19、-31.69-22.9014.9310.786.044.362.171.571.320.91.0率逐渐增加并趋于定值,并且后者与天然气价格无关。在电气价格比为0.4和0.7(元/kWh)/(元/m3)时,对应的年运行费用节约百分率约为27.5%性可接受上限,编号14对应的能源价格不利于在相应场合应用联供系统。综合以上计算结果及分析,对于本文分析的应用场合,选择燃气轮机额定功率2.0MW较为合适,当天然气价格为1.8元/m3,电气价格比为0.4(元/kWh)/(元/m3)时,联供系统年运行费用节约百分率约为27.5%,差价投资回收期3.32

20、年。2.4灵敏度分析和48%。同样燃气轮机额定功率,年运行费用节约和节约百分率随电气价格比增大而增加。同样天然气价格和电气价格比时,差价投资回收期随燃气轮机额定功率增加而增加。表2中电气价格比为0.3(元/kWh)/(元/m3),燃气轮机额定功率从0.5MW升至1.5MW时,差价投资回收期有一分别将燃气轮机发电效率吸收式制冷机制t、冷系数COPa、吸收式制冷机烟气余热回收效率ha及燃烧效率余热锅炉回收效率燃气锅炉ca、hb、燃烧效率b和电制冷机制冷系数COPe7个参数之一的数值减少7.5%,15%和增加7.5%,15%,其他参数数值保持不便,改变结果对联供系统年运个先降低再升高的过程,这是由于

21、在电气价格比为0.3(元/kWh)/(元/m3),燃气轮机额定功率低于0.5MW时,在某一功率下,差价投资回收期因为年运行费用节约为0而出现不连续点造成的。如果以差价投资回收期为5年或以下作为系统经济2005年第35卷第7期8专题研讨暖通空调HV&AC行费用节约百分率的影响如图3所示。andpowerinsupermarkets.AppliedThermalEngineering,2002,22(6):6536656HendriksC,BlokK.RegulationforcombinedheatandpowerintheEuropeanUnion.EnergyConversionan

22、dManagement,1996,37(68):7297347MaidmentGG,ProsserG.TheuseofCHPandabsorptioncoolingincoldstorage.AppliedThermalEngineer,2000,8(20):10598G,S,etal.Applicationofheat22coolingina,1999,7(63):169图39施光燕,董加礼.最优化方法.北京:高等教育出版由图3,而随着其他5()数值的增加,节约百分率逐渐升高。在联供系统各设备中,节约百分率受燃气轮机发电效率的影响最大,发电效率从减少15%到增加15%的变化过程中,对应的运行

23、费用节约百分率从20.3%增加到28.7%;其次是吸收式制冷机制冷系数,对应的运行费用节约百分率从22.7%升高至27.2%;然后是吸收式制冷机烟气余热回收效率和余热锅炉回收效率;吸收式制冷机燃烧效率的影响最小。3结论3.1联供系统最优化运行模式与电气价格比有社,1999.782000.39780403http:/www.10陈宝林.最优化理论与算法.北京:清华大学出版社,11SolarTurbinesCducts/solar_turbines12BroadAirConditioningCompany.13王如竹,丁国良.最新制冷空调技术.北京:科学出版社,2002.129132简讯居住建筑节能检验标准征求意见途径新尝试(JG根据编制计划居住建筑节能检验标准,J132)征关。当电气价格比低于0.19(元/kWh)/(元/m3)时,最优化运行模式是燃气轮机停止工作。3.2燃气轮机的额定功率及能源价格对联供系统求意见稿将于2005年10月完成。本标准是在采暖居住建筑节能检验标准的基础