新型分布式供能系统的特性分析

新型分布式供能系统的特性分析

0天然气回收利用北京的能源消耗逐年增加，屋顶和屋顶的面积也显著增加。单纯将天然气作为居民生活燃料,不仅严重浪费资源,同时造成燃气成本过高,而直接将燃气燃烧的高品位能直接供热,不仅效率低,更没有体现能源的梯级利用。因此以天然气为能源的分布式冷热电联供系统得到了广泛研究,但存在产品相互制约和余电上网等问题。针对以上分析,本文研究了以燃气为燃料的、能独立供暖/供冷的新型分布式供能系统(以下简称新型系统),在研究系统变工况特性的基础上结合北京地区的具体案例进行能耗分析,得出新型系统节能效果显著。1热型溴化锂冷热水机组的比较新型系统的原理如图1所示(图中是以内燃机为原动机表示的示意图)。在新型系统内设置热电联产发电机组,它由发电机和任一形式适合热电联产的热机构成。这一热电联产机组产出热能和电能。在冬季(或夏季),电能被用于驱动电动冷暖空调机组以热泵(或制冷)方式供热(或供冷),形成用户得到热量(或冷量)供应的一个“源”;热能则通过余热型溴化锂冷热水机组生产热水(或利用余热驱动吸收式制冷循环生产冷水)送给用户,形成用户得到热量(或冷量)供应的另一个“源”。这样,每个用户都同时拥有两个不同的供应热量(或冷量)的“源”,一个是电驱动的热(或冷)源,一个是余热热源(或热驱动的冷源)。对于不同原动机对应的余热型溴化锂冷热水机组会有所区别,例如:如图1,原动机为内燃机,因为内燃机的余热以烟气和冷却水两种方式存在,因此余热利用装置为热水烟气型溴化锂冷热水机组;如果原动机为燃气轮机,则余热利用装置为烟气型溴化锂吸收式冷热水机组。在新型系统中有电能产生,如果将电能直接用于建筑物,就是分布式(冷)热电联供系统,但对于分布式系统,其产品多样(有电和热或者冷),而热(或冷)与电相互制约,当电剩余时,为了调剂电量供需的平衡,必须把热电联产机组联到公共电网上购入或售出电量,存在所谓上网问题,对于远离大电网或规模很小的分布式热电联产,上网问题尤其困难。而另一方面,热电联产虽能大幅度降低供热/冷单耗,但由于兼有热(和/或冷)、电两或三种产品,加重了一次能源的消耗量,这一点对于我国贫气现象被视为缺陷。而本文讨论的新型系统,与热电联产方案相比,其避免了上网问题,同时由于终端产品单一,降低了天然气总耗量;与常规锅炉方案相比,其节能效果显著;与电驱动热泵供暖方案相比,其可靠性高,是一种非常值得关注的城市天然气消费方式。并且,新型空调系统采用以天然气作为一次能源输入的热电联产发电机组带动电动冷暖空调机组进行供热和制冷,可以更有效地配置资源,对于北京市这样采暖基于天然气的城市,它能有效缓解其普遍存在冬季用气高峰与夏季用气低谷对供气所造成的压力,并且能大大减少夏季空调用电,起到削峰作用的同时优化了用电结构,从而提高发电机组设备利用率、大幅度降低电力成本,保证了电网运行的安全性。本文分析的新型系统的热能动力装置采用内燃机,而余热利用装置是用热水烟气型溴化锂冷热水机组(以下简称溴化锂机组),在冬季时回收余热供热而在夏季时用回收的余热制冷。考虑到新型系统在冬季时的热泵运行模式,新型系统要有一个低温热源,电动冷暖空调机组若用空气源热泵冷暖机组,其受环境影响很大,需要备用尖峰锅炉,而用水源(这里的水源可以是地表水、地下水,也可以是中水)或土壤源热泵空调机组可以保证新型系统的稳定性,在此考虑的是土壤源热泵空调机组。因此,本文分析的是土壤源热泵-内燃机新型系统的供热/冷特性。2新系统的加热性能2.1余热利用性能系数及节能率用手表示土壤源热泵-内燃机新型系统的供热/冷指数(一次能源利用率)。供热/冷指数ξ大小取决于热能动力装置的发电效率ηe、热泵的性能系数COPe、回收的烟气余热量份额ηs、热水烟气型溴化锂机组中烟气余热利用的性能系数COPs、内燃机冷却水回收的余热量份额ηw和热水烟气型溴化锂机组中热水余热利用的性能系数COPw,则ξ可用公式(1)表示:为了更明确表征新型系统方案的优越性,在此引入节能率η概念进行评估。式中,qre、qnew—分别为参照系统和新型系统的燃料能耗的热量值。整个采暖季,只有少数时间是设计负荷,其他时间都只有部分负荷,随负荷的波动,各方案不会稳定在某个工况。为了对新型系统全工况进行评估,考虑到不同时间段负荷的不同,因此给出逐时节能率η1和总体节能率>ηtot,分别为:式中,qre(t)、qnew(t)——分别为参照系统和新型系统在时刻t时燃料能耗的热量值。2.2影响溴化锂机组性能的因素将新型系统应用于供热/冷时,热/冷负荷总是不断变化的,系统不可能稳定在某一状态点运行。因此,新型系统变工况的性能对整个采暖期至关重要。文献给出了内燃机变工况通用特性。对于内燃机发电效率,随着负荷的降低,发电效率先增后减,存在一个最大值,该点(比输出功率)为最佳发电效率,相对应内燃机的燃料消耗最小。对于新型系统中热水烟气型溴化锂机组的性能受许多因素的影响,如水(夏季包含溴机冷冻水、溴机冷却水;冬季是热水)流量和温度、烟气以及内燃机冷却水(对于溴化锂机组来说,相当于热源水)的温度和流量等。为了简化计算,假设其他条件不变,对于热水烟气型溴化锂机组在此只考虑烟气或内燃机冷却水的温度和流量对其性能的影响。对于土壤源热泵的制热/冷量,同样受多方面因素的影响(如冷冻水流量温度、冷却水流量温度,输入功率等)。在此也作简化,假设其他条件不变,只考虑输入功率对制热/冷量的影响。在以上简化的基础上,通过模拟计算可得到新型系统的变工况特性,具体特性通过以下案例分析给出。3单独供热/冷热水机组t现以北京地区某建筑面积为5万m2的建筑物为例对新型系统进行模拟分析,其中该建筑物的设计热负荷为3601kW,设计冷负荷为4478kW。因新型系统中的子系统(土壤源热泵机组和余热型溴化锂冷热水机组)均可单独供热/冷。在此给出方案1(新型系统方案)、方案2(直接从电网取电驱动的土壤源热泵机组方案)、方案3(直燃型溴化锂冷热水机组方案)的比较。需要说明的是,为了方便比较,方案2的土壤源热泵机组的供热/冷指数不是指机组效率COP值,而是指考虑了发电效率的一次能源利用率;对于方案3,一般情况下给出的机组效率就是一次能源利用率。3.1供热/冷指数的确定在方案1中,新型系统中内燃机设计工况下的发电功率为799kW,ηe=38.58%、ηs=24.42%、ηw=17.25%;新型系统土壤源热泵的COPe,h=3.4,COPe,c=4.5;余热的COPw,c=0.7、COPs,c=1.25;因溴化锂机组工质冷剂水特性因素的影响,进水温度不能低于5℃,而对于土壤源热泵在连续运行时地下埋管的出口温度很可能低于5℃,故在本文中,冬季运行时不考虑溴化锂机组的热泵运行模式,仅考虑利用余热溴化锂机组回收热量直接供热,即COPw,h=1、COPs,h=1。其中下标c、h分别代表供冷和供热。方案2中的土壤源热泵机组的装机容量为1059kW,其中COPe的取值与方案1中的新型热泵取值相同,另外电厂平均发电效率取值35.2%,即供电煤耗349g/kWh。通过设计(未考虑传输等损失),得到各方案设计工况下的供热/冷指数以及新型方案相对于其他两种方案的节能率列于表1中。从表1可以看出,新型系统在设计工况下其供热指数ξh=1.75,供冷指数ξc=2.16,远高于土壤源热泵机组和直燃型溴化锂机组两种方案,相对于这两种方案,新型系统冬季节能率分别为31.4%和48.6%;夏季分别为26.8%和42.3%。从机理上讲,新型系统供热指数高的主要原因是:一方面,能量能够合理的梯级利用,将能源品位高的热能先转化为电能,再通过性能好的热泵转化为更多的热量;另一方面,冬季作为终端产品的热量中除了有燃料热外,还有通过热泵得到的环境热,而在夏季也将利用余热来供冷。3.2变工况性能对比新型系统的变工况特性如图2所示。从图中可以看出,系统的最佳状态点不是设计工况(负荷100%),而是在负荷约80%时,这主要是由于对新型系统影响显著的内燃机发电效率、热泵的性能都是先增后减(余热所占比例相对较小,对系统变工况性能影响占次要因素),因此,新型系统性能也出现了这样的变化过程。之后性能有所下降,主要由于内燃机发电效率和热泵性能开始明显下降,烟气温度也较低,烟气中所含的热量也降低所致。所以基于土壤源热泵、内燃机的新型系统在负荷50%～100%之间的性能较好。图3给出了在不同负荷率下,新型系统相对于土壤源热泵机组、直燃溴化锂机组冬季和夏季的节能率。可以看到,新型系统相对于热泵几乎在整个负荷下具有节能性,而相对于直燃机供热时在负荷接近0.1,供冷负荷接近0.2时,新型系统无优势(这和新型系统中匹配的热泵机组有很大关系,热泵机组之间的变工况性能也有所不同)。而在新型性能较好的负荷大于50%时其节能性非常显著,相对于直燃和热泵的节能率分别在30%和20%以上。3.3能耗、平均供能指数以及新型系统方案的节能率根据该建筑物的特性,利用DeST软件模拟计算出商场的热/冷负荷如图4所示。由图4中北京地区采暖期的负荷特性,计算得总热负荷为7.61TJ,冷负荷18.10TJ。3个方案主要参数如燃料能耗、平均供能指数以及新型系统方案相对其他两个方案的节能率列于表2中。从表2可以看出,新型系统冬季平均供热指数为1.45,远高于土壤源热泵的1.09和直燃溴化锂机组的0.85,新型系统冬季燃料能耗热量为5.25TJ,相对于后两者,其节能率分别为24.7%和41.2%;新型系统夏季平均供冷指数为2.01,也远高于土壤源热泵的1.56和直燃溴化锂机组的1.32,新型系统夏季燃料能耗热量为8.98TJ,其节能率分别为22.2%和34.4%。新型系统一年中的总能耗为14.13TJ,节能率分别为23.1%和37.1%。可见新型系统具有较好的节能特性。4变工况能耗分析能独立供暖/供冷的新型空调系统与热电联产方案相比,避免了上网问题,同时由于终端产品单一,降低了天然气总耗量。而且新型系统能有效缓解其普遍存在冬季用气高峰与夏季用气低谷对供气所造