高效热电冷三联供系统在电气自动化中的应用

高效热电冷三联供系统在电气自动化中的应用

分布式能源热电冷联供系统三叶醇和寒冷能源系统是基于能量级利用的概念的系统。天然气是一个次能源，产生了热、电、冷的联合供系统。它以天然气为燃料,利用小型燃气轮机、燃气内燃机、微燃机等设备将天然气燃烧后获得的高温烟气首先用于发电,然后利用余热在冬季供暖;在夏季通过制冷机供冷;同时还可提供生活热水,充分利用了排气热量。本文介绍的新型分布式能源热电冷三联供系统,充分考虑用电负荷及冷热负荷,将溴化锂机组和地源热泵机组的冷热负荷分配进行了合理匹配优化,确定最优化的系统配置。与传统的三联供系统相比,本系统集成了地源热泵机组在本系统中,出于以下几个方面的考虑:地源热泵机组可以消耗发电机组发电量,调节电力平衡;天然气停气时,地源热泵机组可以应急供暖制冷,提高系统稳定和安全性;电价处于谷价时发电机组可以停机,只运行地源热泵机组,提高系统运行经济性。针对系统多机种、多单元、多回路、多工况的特点,设计以热定电的能源管理系统,实现实时优化、集散控制,凸显分布式热电冷三联供系统节能、经济、环保的优势。1新三氟乙醇系统的应用实例1.1冷联供系统基本方案某厂区最高热负荷为3000kW,用电最高负荷为2000kW,平均负荷为800kW,最高冷负荷为3500kW。由于冷热负荷的变化是随外界环境温度而变化,具有很大随机性,在一个制冷期120天和一个采暖期120天(24小时/天)内的冷热负荷分布见表1。按照以上的冷、热、电负荷需求,初步考虑设计3500kW的热电冷三联供系统。在系统的建设规划中,以满足热负荷为主,发电机组所发电能“自发自用,不足由电网补充”的基本原则。本着发电自用的原则制定以下四个方案:方案一:制冷量3500kW(制热量2800kW)直燃型溴化锂双效机组;方案二:制冷量3500kW(制热量2450kW)地源热泵机组;方案三:2台600kW天然气发电机组+制冷量2330kW(制热量1860kW)烟气水补燃型溴化锂机组+制冷量1287.4kW(制热量1335kW)地源热泵机组;方案四:2台600kW天然气发电机组+制冷量1400kW(制热量1120kW)烟气水型溴化锂机组+制冷量2100kW(制热量1470kW)地源热泵机组。各方案投资和运行费用对比表见表2。结论:方案一初期投资小,运行费用较高;方案二初期投资和运行费用均较高;方案三和方案四初期投资较大,运行费用较低。匹配地源热泵可以消耗发电机组发电量,调节电力平衡;当天然气停气时,地源热泵可以应急供暖制冷;电价处于谷价时发电机组可以停机,只运行地源热泵。综合考虑选定方案三为厂区的最佳三联供系统实施方案。1.2溴化锂机组回水原理设计采用600GF1-PwT天然气发电机组作为三联供的核心动力设备,发电机组发电一部分供应地源热泵机组、溴化锂机组及空调终端用电,剩余部分供应厂区用电,不向大网送电,电力不足部分由电网补充。发电机组排放的高温烟气及缸套热水可直接进入溴化锂机组,驱动溴化锂机组进行制冷(制热)运行,对外提供空调冷(热)水。烟气通过溴冷机后温度降到170℃,此时采用烟气-水板式热交换器对其热量进一步吸收,制取热水,提高能源综合利用率。机组高温回水除了进入溴冷机组外,另取一回路让其通过水-水板式热交换器,制取热水。另外当冷、热负荷较大时,还可直接对溴冷机通入天然气进行补燃以制冷(制热),提高了整个系统的运行安全性及使用效果。地源热泵机组通过输入少量的高品位能源(消耗本系统所发的电能),即可实现能量从低温热源向高温热源的转移,能效比较高,由地源热泵制取的冷(热)水并入到空调系统中。1.3空调末端冷媒循环时地源热泵机组冷媒结构设计在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由空调末端高温水(12℃)所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的换热,由埋管换热器内的冷水(25℃)将冷媒所携带的热量吸收,最终由埋管换热器内的冷水(30℃)把热量转移至土壤里。流经蒸发器的空调末端高温水温度降低至7℃,利用用户端循环水泵将其送回空调末端,用于供冷。地源热泵机组制冷时输入功率222.9kW,产生的冷冻水流量为221.4m3/h。在制热状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由埋管换热器内的热水(10℃)吸收土壤里的热量,通过冷凝器内冷媒的蒸发,将埋管换热器内的热水中的热量吸收至冷媒中,流经蒸发器的热水温度下降至5℃,在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的换热,由空调末端低温水(40℃)将冷媒所携带的热量吸收,空调末端低温水温度上升至45℃,利用用户端循环水泵将其送回空调末端,用于供热。地源热泵机组供热时输入功率294.9kW,产生热水流量229.6m3/h。地源热泵系统工艺流程图详见图1。1.4剩余使用部分1.4.1采暖系统低热回收利用夏季通过烟气热水补燃型溴化锂机组产生7℃冷水与地源热泵系统产生的7℃冷水通过集水器汇总后送至用冷区域,此时风机盘管中的7℃冷水与厂房内的热空气换热后温度升高为12℃,通过空调循环水泵把各厂房产生的12℃冷水通过分水器的分水作用分别送至发电机组余热利用系统和地源热泵系统,在这两个系统中12℃冷水放热转化为7℃冷水,以此完成夏季冷水的循环利用。冬季通过烟气热水补燃型溴化锂机组产生45℃热水与机组高、低温内循环余热利用系统、地源热泵系统和烟气二次余热利用系统产生的45℃热水通过集水器汇总后送至用热区域,使采暖系统回水温度降至40℃,利用采暖系统循环泵把各厂房产生的40℃热水通过分水器的分水作用分别送至机组高、低温内循环余热利用系统、地源热泵系统和烟气二次余热利用系统,在上述系统中40℃热水充分吸收不同性质的余热转为45℃热水,以此完成冬季热水的循环利用。1.4.2余热利用烟气热水补燃余热利用发电系统当夏季各厂房内需要的冷量超过直接利用发电机组排烟余热通过热水补燃型溴化锂机组与地源热泵系统产生的最大总制冷量时(冬季需要的热量增加并超过直接利用发电机组排烟余热通过烟气热水补燃型溴化锂机组、机组高、低温余热利用系统、地源热泵系统和烟气二次余热利用系统产生的最大总制热量时),适量的增加溴化锂机组的燃气供应进行补燃,实现用冷(热)的需求。1.4.3锂机组的回收利用夏季时将发电机组高温内循环水引入到烟气热水补燃型溴化锂机组进行回收利用,产生7℃的冷水并入到采制冷循环系统中;冬季时分别利用高、低温内循环水热量通过板式换热器进行回收利用,产生45℃热水并入到采暖总循环系统中。1.4.4烟气水板式换热器回收利用冬季将发电机组高温尾气引入溴化锂机组进行回收利用后排烟温度为170℃,将这部分烟气再引入烟气水板式换热器进行二次回收利用,产生45℃热水并入到采暖总循环系统中。2系统节能策略2.1烟气水板式换热器利用余热通过烟气热水补燃型溴化锂机组可利用排烟余热为521.25kW,通过烟气水板式换热器可利用排烟余热为141.47kW,高温冷却水散发热量为514.62kW,低温冷却水散发热量为289.47kW。2.2高温冷却水制冷量烟气热水补燃型溴化锂机组制冷量为:QL1=1.4×521.25kW=729.75kW;高温冷却水制冷量为:QL2=0.76×514.62=391.11kW;地源热泵机组制冷量为:1287.4kW;夏季总制冷量为:QLZ=729.75kW+391.11kW+1287.4kW=2408.26kW。2.3高温冷却水供热量烟气热水补燃型溴化锂机组供热量为:QR1=0.9×521.25kW=469.125kW;烟气水板式换热器供热量为:QR2=0.9×141.47kW=127.323kW;高温冷却水供热量为:QR3=0.9×514.62kW=463.158kW;低温冷却水供热量为:QR4=0.9×289.47kW=260.523kW;地源热泵机组供热量为:QR5=1335kW;冬季供暖总供热量为:QRZ=0.95×(469.125kW+127.323kW+463.158kW+260.523kW+1335kW)=2522.37kW。2.4烟气热水补燃型溴化锂机组夏季总制冷量为2408.26kW,缺口1091.74kW,此部分制冷量缺口可以通过烟气热水补燃型溴化锂机组补燃热量利用系统提供;冬季总供热量为2522.37kW,缺口477.63kW,此部分供热量缺口可以通过烟气热水补燃型溴化锂机组补燃热量利用系统提供。2.5厂区回水水质启动时,首先启动天然气发电机组,然后开启溴化锂机组(此时只开启烟气工作模式:制冷时开启热水工作模式;溴化锂机组补燃进气阀门关闭),开启地源热泵机组;启动完成后,控制系统根据系统回水温度、电负荷情况调节发电机组的运行功率、溴化锂机组、地源热泵机组的工作效率(P发—代表系统发电量;P用—代表厂区总用电量;T—代表系统回水温度)。系统运行时,会出现以下几种情况:2.5.1b.t1.2调节机组2.5.1.1当P发>P用时,降低发电机组运行功率,当达到电平衡后,有以下几种情况:a.T<12℃,若溴化锂补燃已开启,则首先逐步关闭天然气进气阀门,若仍然是T<12℃,调节地源热泵机组(每次降低额定效率的10%,间隔5分钟),同时降低发电机组功率(每次降低10kW,间隔5分钟),直到T=12℃时为止。若地源热泵降到最低负荷,仍然是T<12℃,开启烟道上装设三通调节阀,将部分烟气排走。b.T>12℃时,调节地源热泵机组(每次提高额定效率的10%,间隔5分钟,同时提高发电机组运行功率),直到T=12℃时为止;若地源热泵机满负荷运行5分钟,仍然是T>12℃时,开启溴化锂机组天然气进气阀门(每次开启30度,间隔5分钟),直到T=12℃时为止;2.5.1.2当P发<P用时,提高发电机组运行功率,使P发=P用,若发电机组达到额定功率后仍然是P发<P用时,则保持机组在额定状态下运行,不足的电能引自外网,有以下几种情况:a.T<12℃时,若溴化锂补燃已开启则首先逐步关闭天然气进气阀门,若仍然是T<12℃,调节地源热泵机组(每次降低额定效率的10%,间隔5分钟),直到T=12℃时为止;若地源热泵关闭后,仍然是T<12℃时,开启烟道上装设三通调节阀,将部分燃气排走。b.T>12℃时,调节地源热泵机组(每次提高额定效率的10%,间隔5分钟),直到T=12℃时为止;若地源热泵机满负荷运行5分钟,仍然是T>12℃时,开启溴化锂机组天然气进气阀门(每次开启30度,间隔5分钟),直到T=12℃时为止。2.5.2综合节能运行策略热电冷三联供系统应用的核心目的是提供一次能源综合利用率,在此前提下尽可能的降低运行成本,本系统关键是综合节能运行策略,必须针对不同的电力、冷热能源需求条件,提出并实施最佳运行方案。3运行经济性3.1通过板式换热器利用高温水和尾部烟气余热加热高温热水,使排烟温度进一步降低,既降低热污染,又提高系统热效率。地源热泵机组可以消耗发电机组发电量,调节电力平衡;天然气停气时,地源热泵机组可以应急供