天然气热电冷联产系统运行模式

天然气热电冷联产系统运行模式

1天然气热、电、冷联产系统天然气热、电、冷联合系统是以天然气为一次性能源，同时产生热、电、冷三个二次能的联合供应系统。该系统以小型燃气发电设备为核心,以燃气发电设备排放出来的高温尾气或以该尾气通过余热锅炉产生的蒸汽或热水供热,并以此热量驱动吸收式制冷机,从而满足用户对热电冷的各种需求。该系统基本上可以摆脱对外部电网的依赖,具有相对的独立性和灵活性。该系统的能源效率高、可靠性强及污染物的低排放具有相当的竞争优势;近10多年来在国外取得了迅速发展,国内也已经开始起步。其涉及的应用领域主要有3类:(1)工业领域中的热、电、冷三联产;(2)城市建设和改造中的热、电、冷三联产;(3)高层建筑等民用应用场合。要特别说明的是,天然气热、电、冷联产系统在不同应用领域的配置模式也有很大不同。虽然该系统的发展时间很短,但国内、外研究比较成熟的使用模式已经很多,下面将介绍几种常见模式。2循环余热利用模式天然气的热、电、冷联产系统的模式主要取决于当地的能源需求结构。无论那种模式都包括原动、制冷及供热等主要装置。原动装置主要有燃气轮机、内燃机及燃料电池等,制冷装置则是吸收式制冷机,主要是溴化锂制冷机,又包括单效,双效,直燃机等。总的来说,常用的有以下几种典型模式:(1)燃气轮机+余热型溴化锂冷热水机组系统流程如图1。这种模式的溴化锂机组有单效和双效两种。把燃气轮机尾气直接导入余热型溴化锂冷热水机组,可以直接进行制冷、采暖。该系统结构简单,一次投资少,适合于余热充足的场合或作为楼宇制冷、采暖的补充,如钢厂、燃气轮机电厂、焦化厂等。(2)燃气轮机+排气再燃型溴化锂冷热水机组系统流程如图2。如果燃气轮机排气含氧量较高,但其热量不足时,就可以把排气作为助燃气体,混合补燃燃料,导入再燃型溴化锂冷热水机组的燃烧装置进行燃烧。该系统热效率高、负荷调节灵活,可以满足楼宇在燃气轮机任意工况下的制冷,采暖和卫生热水的需要。(3)燃气轮机+双能源双效直燃式溴化锂吸收式冷热水机组系统流程如图3。这种方式在气轮机排放尾气高于400℃时可以考虑使用。它结合了上述两种模式的能源利用方式,先把尾气导入余热发生器,使尾气余热回收约70%,排出的低温尾气可直接排放,也可再次导入高温燃烧机与补燃燃料混合燃烧。这种模式结构简单、可靠性高,能源利用效率高达85%以上,具备广泛的应用领域和很好的推广价值。(4)燃气-蒸汽轮机联合循环+蒸汽型吸收式制冷机系统流程如图4。用余热锅炉回收燃气轮机排出的尾气的余热。余热锅炉产生的一部分蒸汽注入蒸汽轮机发电,发电后的乏汽或抽汽供蒸汽型吸收式制冷机制冷;蒸汽的其余部分可用于提供采暖或卫生热水。当然,燃气轮机或余热锅炉的排气同样可以驱动排气直燃型和排气再燃型制冷机。(5)内燃机前置循环余热利用模式是以内燃机为原动装置的最常用模式,又称为燃气内燃机-余热/直燃型溴化锂吸收式冷热水机组联合循环模式。其系统流程如图5。内燃机排放的烟气的余热被余热/直燃型溴化锂吸收式冷热水机组回收利用,冬季采暖,夏季制冷。内燃机缸套的冷却水中的余热作为楼宇内的生活热水的热源。3国内和国外的应用现状3.1冷媒水处理系统东京煤气公司于1991年初投运了一座高效率、高性能的供热制冷中心,其制冷总容量达到182.8MW。在1993年其制冷总容量扩充到207.4MW,成为世界最大的区域供热和制冷中心。图6是该工程第一阶段时的联产系统简图。采用城市煤气(46000kJ/m3)作为一次能源,驱动燃气轮机和水管锅炉(1台30t/h,3台60t/h,共210t/h)。区域电负荷由燃气轮机带动发电机提供。冷负荷由吸收式制冷机和离心式制冷机提供。吸收式制冷机为2台容量3.5MW的双级溴化锂吸收式制冷机,其热源是背压式汽轮机提供的蒸汽。容量为7MW的离心式制冷机由背压式汽轮机驱动,另外6台离心式制冷机(1台14.1MW,2台24.6MW,3台35.2MW)则由抽汽凝气式汽轮机推动。图6中所示冷媒水的流程为串联流程,即先经吸收式制冷机,再进入离心式制冷机降温后流出。热水负荷及采暖负荷则由余热锅炉、水管锅炉和背压式汽轮机排出的蒸汽提供。在第二阶段又投入了一套燃气轮机发电装置的热电冷联产子系统,使得发电容量达到8MW,同时还投入了一套24.6MW的离心式制冷机,总的制冷总容量扩充到207.4MW。虽然该热电冷联产系统非常复杂,但仍可归于第四种运行模式,即燃气-蒸汽轮机联合循环+蒸汽型吸收式制冷机模式。3.2热、电、冷联产由于英国燃料供应充足,价格低廉,所以在这方面比日本、美国等国显得稍为落后。曼彻斯特机场是其比较有代表性的一个工程。该机场是世界最大的20个机场之一。1989年决定建设电功率6.4MW的三联产装置,向原有的两个候机楼和1993年4月投入使用的新候机楼供电和热水,冬天取暖,夏季则把多余的热用于吸收式制冷。机场用电为7MW,新候机楼投运后共需电约15～18MW,原来两个候机楼的需求为2MW(夏季)和6MW(冬季)。由于热电负荷之比约为1∶2,所以在众多方案中,选用两台往复式内燃机,燃料为重油或天然气。整个三联供工程合同额为690万英镑,设备还包括5.9MW的两台余热锅炉(供应140℃热水)。2台4MW的双燃料常规锅炉。设备使用寿命超过20年。两台内燃机还可向外界提供2.6MW的低品位热量。该三联产装置一年约发电72MkW·h,而供应的热量则相当于购置178.5TJ的天然气。年总产值约180万英镑(含吸收式制冷每年可节电价值5万英镑)。实行热、电、冷联产后,每年可减少CO2排放物50000t,SO2排放物1000t。所以经济效益和环保效益都十分显著。3.3不同规模建筑的bchp规划美国在此领域做了很多开发工作和商业化研究,天然气行业、电力行业和暖通空调行业的制造业广泛而深入的参与该领域的合作。尤其是BCHP在美国发展迅速,采用BCHP的学校、大型超市、高层写字楼等大型建筑越来越多,不胜枚举。美国工业界已经提出了非常具体的“BCHP”创意和“BCHP2020年纲领”以支持美国能源部总体商用建筑规划及BCHP规划。比如,到2010年,20%的新建商用、写字楼类建筑使用BCHP系统;5%的现有商用、写字楼类建筑使用BCHP系统;25%的美国能源部CHP(热电联产)项目使用BCHP系统;到了2020年,要有50%的新建商用、写字楼建筑使用BCHP系统;15%的现有商用、写字楼类建筑采用BCHP系统等。3.4回收发电网络结构及能源效率分析由于各方面因素的限制,国内对天然气热电冷联产的研究工作起步较晚,已经投入的实际运行也相对较少,而且应用领域较窄,主要集中于楼宇等民用建筑中,也就是BCHP系统。目前清华大学在建的热、电、冷三联产工程采用的就是上述模式中的第四个,即燃气-蒸汽轮机联合循环+蒸汽型吸收式制冷机模式。该工程采用2台5万kW的燃气轮机发电机,联合循环发电。靠汽轮机来供应制冷与采暖,制冷面积70万m2,采暖面积200m2,制冷机选用蒸汽双效溴化锂制冷机作为冷源。图7是我国远大公司与美国能源部合作研制的一个BCHP项目系统图。该系统采用的是上述模式中的第三个,即燃气轮机+双能源双效直燃式溴化锂吸收式冷热水机组模式。该系统额定制冷量为210kW,系统配置的涡轮发电机为75kW,系统总的能源效率可达70%以上。另外根据相关资料,目前国内还有不少BCHP项目正处于投产建设阶段,由于能源需求结构的原因,采取的系统模式多是上面所述的第二个和第三个。比如北京燃气集团控制中心大楼热、电、冷联产能源岛技术方案中推荐的就是第三种模式。该工程热、电、冷的负荷面积都是31800m2,预计适应负荷分别为2226kW,1272kW,2544kW。另外还需要95.4kW的生活热水。根据我国的“以电定冷”的原则,选取的燃气轮机为1000kW级的SolarTurbines生产的Saturn20机组。制冷机采用的则是远大余热型双效吸收式冷温水机BHRS250Ⅶ,其制冷量可达2500kW,供热量可达2000kW左右。采取此方案该系统比起“购电+直燃”的传统模式,每一年可节约322.464万元的支出,回收年限约为3年。就目前来说,影响该系统在我国应用与发展的主要障碍是能量成本价格。如果把天然气单纯的用来发电,难以与燃煤电厂竞争,不具有经济合理性。另一方面天然气价格按等热值比较,要比煤炭高得多,也不具备替代煤炭的条件。所以慎重选择天然气的用途,明确应用天然气的发展方向,对天然气工业本身意义重大。据有关资料,即使将天然气供应民用炊事、烧热水等,也比用于发电效率高,而如果城市楼宇采用分散的冷、热、电联产的BCHP模式,能源利用效率则比纯发电的效率可提高40%～50%。另外,BCHP在降低二氧化碳等污染空气的排放物方面也具有很大潜力:据专家估算,如果从2000年起每年有4%的现有建筑的供电、供暖和供冷采用楼宇热电冷联产BCHP,从2005年起25%的新建建筑及从2010年起50%的新建建筑均采用BCHP的话,到2020年的二氧化碳的排放量将减少19%