分布式联产系统相关问题的研究

姚均天,郑莆燕,柴国旭

(上海电力学院能源与环境工程学院,上海 200090)

中国的能源目前主要依靠常规一次化石能源如煤、石油和天然气等获得,但利用这些化石能源引起的酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境污染问题已成为制约全球经济发展的重要因素,因此开发和利用新型高效、环保、清洁的能源利用技术已经成为各国政府、科技界和民众的普遍共识.

分布式联产是解决这一系列问题的有效措施之一.它是在能源梯级利用的基础上,将供热、发电及制冷过程一体化的多联产总能系统,具有靠近用户、能源利用率高、能源供应安全可靠等优点[1].目前,世界范围内有关分布式联产系统的研究与应用,美国、日本和欧洲等都起步较早且发展非常迅速,随着联产各子系统单元技术的日益完善,系统能量利用水平也不断得到提高.

1 联产系统的发展

“分布式能源系统”概念的提出已有 20多年了,但其快速发展还是近几年的事情.其早期的目的主要是为了增加用户电力供给的可靠性及降低能量传输成本和损失.但随着社会的发展,新型的分布式能源系统更加强调系统的综合性能,包括系统适应用户需求的能力、系统的热力学性能、环保特性等,主要立足于将用户的实际需求、现有的资源利用与成熟的技术相结合,追求能源、资源利用效率的最大化和最优化,以减少中间环节的损耗,降低对环境的污染和破坏[2].

到目前为止,基于不同的系统集成水平,联产系统可分为 3代,如表 1所示[2,3].

表1 分布式系统发展过程

由分布式联产系统的发展可知,分布式联产系统具有 3个多样化的特点:即采用的一次能源多样化;提供给用户的能源多样化;设备选择多样化.因此,除了设备方面的关键技术研究之外,针对不同要求,采用合理的评价方法,进行设计和运行方面的优化也是分布式联产系统应用的关键.

2 联产系统的性能研究及新能源技术的引入

2.1 设备选型

在对联产系统进行配置时,如何根据用户的不同负荷需求选择合适的发电与制冷设备,对于满足联产系统的经济性和环境保护的要求非常重要,也是决定联供系统成功与否的关键.设备选型不佳将直接导致联供系统经济性的下降,甚至出现经济性为负的情况.如上海黄浦区中心医院的冷热电联供系统[4],由于对实际应用场合的负荷情况没有作出准确的评估,致使设备选型容量过大,系统长期处于 40%负荷的运行状态,最高用电负荷也仅为额定发电量的 53%,系统运行费用巨大,目前已处于停用整改状态.

应用于联产系统的原动机主要有蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、斯特林机和燃料电池等.不少学者[3,5]都对这几种原动机的应用情况进行了研究.表 2在文献[3]和文献[5]的基础上对以上几种原动机在联供系统中的适用范围、优缺点,以及技术的发展趋势等方面进行了归纳总结,从中可以看出需要根据用户的需求从多个方面考虑实际选型.

表2 各种原动机的特点

表3给出了目前市场上小型或微型冷热电联供系统中原动机及试验阶段燃料电池的技术性能参数[6].需要指出的是,联产系统的热电总效率主要取决于系统的联产方案,原动机的影响较小.

表3 小型或微型冷热电联供系统不同发动机技术性能参数

2.2 新能源技术的引入

目前,节能与环保问题在世界范围内受到了前所未有的重视.因此,在传统能源供应的联产系统基础上,将以可再生能源如太阳能、生物质能、氢能为基础的能源利用新技术引入联产系统有着良好的应用前景.

蒋润花等人[7]将太阳能与冷热电联产系统集成,增加槽式太阳能集热器,利用中低温太阳能,提出了全年相对节能率的概念,并采用全年相对节能率评价新系统,确定了最佳太阳能集热器面积.

苏亚欣等人[8]以太阳能应用为背景,介绍了独立建筑冷热电联供的两种分布式能源系统:以太阳能作为唯一热源,用于加热气体工质,进行闭式 Brayton循环发电;其透平释放的余热通过余热制冷方式供冷或通过换热器直接供热,从而实现独立建筑的冷热电联供;若把燃料电池系统和该热动力系统组合起来,则可实现昼夜连续的独立建筑冷热电联供,如图 1和图 2所示.

图1 太阳能热动力电热冷联供系统

图2 太阳能燃料电池可再生电热冷联供系统

SONTAG等人[9]将联产系统与太阳能光伏发电、风能发电和太阳能供热系统相结合进行了研究,认为与可再生能源的结合将导致在所有情况下化石燃料的消耗量都有所减少,但是由于增加了大量的附加设备,而且这些设备的使用时间会受到限制,在目前的能源体系价格条件下,在没有特殊政策支持时,该联产系统的市场竞争力较弱.

MARBE等人[10]对几种生物质与联产系统结合方案的经济性进行了比较,认为生物质气化和燃气轮机联产系统的结合方案与生物质汽轮机系统的联产系统相比,前者的电力输出为后者的3.5～4.5倍,后者的电能成本较低,但前者可以获得更高的净回报.

解东来等人[11]针对小型天然气制氢技术及其与质子交换膜燃料电池集成进行热电联产的方法开展了研究,介绍了几种燃料电池热电联产装置的运行模式,突出其节能、环保及可随时启停的特点.日本和欧美国家在天然气制氢与 PEMFC集成热电联产方面居于世界领先地位.日本对燃料电池热电联产已经制定了商业化计划,在 2010年前 PEMFC热电联产电站达到 2.1×106kW,实现大规模产业化.1 kW级家庭 PEMFC热电联产电站每台的售价为 3.5×105日元[12].美国的InnovaTek公司和 H2Gen等公司有 PEMFC热电联产样机生产.我国在这方面的研究还处于起步阶段,研发单位主要集中在为数很少的几所高校和科研院所.

对于新能源技术的引入研究,大多仅处于实验性阶段,还存在技术不成熟、成本高、商业化程度低、工程风险高等缺点,将其应用于分布式联产系统中还有待于技术的突破和成本的降低.

3 联产系统的评价方法

分析能源系统时,需要通过一些指标对不同系统的性能进行评价,以此说明不同系统的优劣,而且这些指标还可为系统的优化设计提供参考.

目前国内外对联产系统所用的热力学分析方法主要有两种:一是基于能量平衡的热力学第一定律分析方法(简称热平衡法);二是基于热力学概念的热力学第二定律分析方法(简称火用方法).热平衡法的主要指标有系统热效率、一次能源利用率和一次能源节约率等;火用方法的主要指标有火用效率和系统火用效率.热平衡法简单易行,长期以来应用广泛,但它存在一定的弊端,即忽视了功与热在价值上的不等价,将联产系统中冷、热、电等能量等价看待,仅仅考虑能的数量而忽略了能量的品质利用.火用方法考虑了过程的不可逆性和品质的不等价性,将“质”和“量”相结合,较热平衡法更进了一步.

分布式联产系统与传统能源系统的集成程度不同,由于分布式联产系统存在多种能量输出,不能简单的只是利用热平衡指标或是火用指标.王志伟等结合某建筑负荷对联供系统的几种评价指标进行比较,如一次能源利用率、一次能源节约率、火用效率和火用经济成本等指标,认为各评价指标存在一定的局限性[13].吕静等人[14]对燃料消耗量、发电效率、总能利用效率、系统火用效率、经济火用效率等常用的联供系统经济性评价指标进行了评述,认为以燃料消耗量、系统火用效率和火用经济效率3个标准来综合评价比较适宜,3者的结合可以比较全面地反映冷热电联供的能量利用和经济性问题.冯志兵等人[15]对能量利用系数、火用效率、折合发电效率、节能率、经济火用效率等几种常用的评价准则进行比较,认为能量利用系数、火用效率、折合发电效率等均不适于冷热电联供系统的评价,而节能率反映输入能量的使用情况,经济火用效率在某种程度上是经济性的表现,比较适用于冷热电联供系统的评价.杨承等人[16]对小功率燃气轮机为核心的 CCHP系统基本元件的变工况进行了特性分析,对比分析了 CCHP系统当量火用效率、经济火用效率、总能利用率、节能系数等“效率”形式及其影响因素.分析表明,以上效率形式都不能给出完全合理的评价结果.

由于联产系统使用的是清洁能源,排放污染气体量少.目前,联产环境评价方法主要是通过与满足相同负荷要求的常规供能系统消耗能源及污染气体排放量相比较,来显示联产系统的环保优势,即联供系统的 CO2等其他污染气体的减排量.

从目前的研究成果来看,联产系统的评价准则和分析方法有很多,但仅反映联产系统运行过程中输入能量的利用情况(主要是热回收利用),而且大多针对设计工况进行分析,很少考虑实际运行状况.在环境评价方面,也只是简单地反映系统设计工况对环境的污染排放,很少考虑主要设备制造和一次能源生产等上游生产过程对环境的影响.这样就很难全面反映联产系统的实际能耗和环境影响,而且能量转换和利用的问题并不仅仅是单纯的热力学问题,还受制于经济性等众多因素.因此,必须寻找一种可以将热力学、经济与环保等多目标统一量化的评价指标.

4 联产系统的优化方法

与传统的简单热力循环系统相比,分布式联产系统主要应用于建筑能源领域,而建筑中的冷、热负荷通常与环境温度有很大关系.在不同的季节,甚至在一天的不同时段,由于外界季节、气温的变化,用户的需求可能会呈现出很大的不同,系统通常不会在设计负荷下运行,而是经常处于变工况条件下.变工况条件将使联产系统的性能降低,而偏离设计工况越远,联产系统性能下降越明显.为了缓解变工况运行对联产系统性能的负面影响,需要研究联产系统在各种运行工况下的最优化运行方案.国内外关于冷热电联产系统的优化控制方法很多,主要分为数学模型优化分析法和热力学分析法两种.

LAHDELMA和 HAKONEN[17]认为,采用最优化模型对联产系统进行优化指导是可行的,并提出了一种线性模型.该模型是在给定负荷的情况下优化热电联产机组的热电负荷,且可以计算出一定时间内每个机组(电站、水电、火电)所产生的热量和电量.RONG和 LAHDELMA[18]对该模型进行了发展,将其扩展到了三联产系统.文献[19]提出了一种基于整数线性程序和拉格朗日松弛的混合模型,并在冷热电联供系统中进行了测试.CHOHeejin等人[20]提出了一种基于能量网络流动模型的线性模型.该模型以系统能量流动为基础,保证模型在每个时间步长下使能源保持平衡,并可以计算出该步长时间内系统的能量损失.该模型算法已在密歇根州立大学的微型联供系统上进行了仿真试验.实验结果证明,在整个仿真过程中该算法提供了最佳的成本法案,表明通过冷热电联供系统的优化运行可以得到更大的潜在经济收益.

在国内,李贇等人[21]运用混合整型(0-1)多级目标规划方法,建立了联供系统的优化模型,得到了系统的最优配置和运行策略.岳永魁等人[22]采用热力学量火用作为能源—经济—环境间定量联系的纽带,并综合考虑了热力学、经济学,以及环境目标优化,开发建立了 DES的环境火用经济优化模型,将环境效应融入 DES的优化设计和运行中.结果表明,所提出的环境火用经济建模方法和优化策略能有效解决 DES系统的评价与设计运行的优化问题.周济波等人[23]采用热经济学代数模式分析方法确定三联产的分布式能源站 3种产品的成本,以火用流为计价对象,引入按能级分摊的原则建立成本方程和热经济学会计法通用的分析计算模式进行分析和计算.与传统的产品等价法进行比较,发现能级分摊方法可以作为冷热电三联产定价的基本依据.毕庆生等人[24]在 “单耗分析”的理论基础上,提出了以天然气为燃料的分布式冷、热、电三联产系统常见运行模式下的多热源、多冷源的燃料单耗模型和成本单耗模型,给出了系统各个环节燃料附加单耗的分布,为优化运行提供指导意见.

由此可知,现有的热力学分析能够快速地对系统进行初步热经济性分析,但大多只对设计工况进行计算,而对于非设计工况情况则需要利用动态模型软件包进行准确详细的运行计算,但目前的动态软件包价格比较昂贵.在联产系统优化上主要是采用线性规划或混合整数对联产系统进行建模.为了能更好地优化控制能源供需之间品位的匹配,学者们还进行了许多尝试,如引入模糊控制、神经网络等智能控制方法来实现热电冷联产系统中能量的最优分配[25].

5 结 语

分布式能源系统是直接面对用户、按用户需求提供各种形式能量的中小型多功能转换利用系统,以能源综合梯级利用模式来达到能源的更高利用率、更低成本、更高联产安全性,以及更好的环保性能等多联产目标.因此,研究分布式联产系统对我国的能源利用及环境保护意义重大.

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