冷热电联产系统的两级调峰方案研究

郑莆燕, 王 伟, 杨 宇, 曹 玮, 史洪超

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.上海发电设备成套设计研究院, 上海 200240)

冷热电联产系统的两级调峰方案研究

郑莆燕1, 王 伟1, 杨 宇2, 曹 玮1, 史洪超1

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.上海发电设备成套设计研究院, 上海 200240)

当前冷热电联产系统多采用蓄能装置(如蓄能水箱)调节用户冷热日负荷的变化,但对于季节性负荷的峰谷差却没有很好的调节方法.针对这一问题,建立以燃气轮机为原动机的冷热电联产系统,利用回热器和蓄能水箱构建两级调峰系统,实现对日负荷和季节性负荷的同步调节.计算分析表明,在满足用户全年各时段冷热负荷的前提下,燃气轮机实现了全年满负荷发电,并且系统的节能效果也有所提高.

冷热电联产; 燃气轮机; 回热器; 水箱; 两级调峰系统

以天然气为一次能源的冷热电三联产系统是分布式供能系统的一种主要形式.它通过原动机(燃气轮机、内燃机等)发电,然后利用原动机排烟余热制冷供热,实现了能量的梯级利用,系统能源利用效率高、污染物排放量低,有广阔的应用前景,是国家重点推广的能源利用技术[1].但目前冷热电联产系统应用中的一个很大问题就是设备利用小时数低、全年运行效率低于设计工况.这主要是因为用户的冷/热负荷在每天的不同时间和每年的不同季节往往变化很大,为满足用户的最大冷/热需求,通常都按最大需求设计,造成运行时设备(尤其是原动机)低负荷运行或并列运行设备部分停运[2-3].

目前,分布式供能系统中适应用户冷/热负荷变化的调峰方法主要是利用蓄冷/热水箱[4-6],也有研究者考虑利用燃气轮机回热调节用户负荷[7-8],但大多考虑的是用户冷/热负荷日负荷调峰的需要.本文针对以燃气轮机为原动机的冷热电联产系统,以某用户为例,研究回热器和蓄热/蓄冷水箱并存时,日负荷和季节性负荷的两级调峰方法.

1 两级调峰冷热电联供系统

1.1 用户负荷

图1给出了北方某农村城镇化居民区在夏季、冬季和过渡季(春秋季)典型工作日24 h之内冷热负荷的变化情况.

从图1可以看出,生活热水的日负荷变化最大.由此可得该用户的各季节典型工作日的日均负荷如表1所示,3个典型季节的日均负荷变化均超过了50%.

1.2 系统方案

图2为以有回热的燃气轮机为原动机的冷热电联产系统.根据冷/热定电的原则,系统流程如下:空气进入压气机升压后进入回热装置进一步升温,然后进入燃烧室与天然气混合燃烧后成为高温燃气,进入燃气透平膨胀做功.燃气透平的输出功一部分输入压气机给空气升压,另一部分带动发电机发电;燃气透平的排烟送入回热装置,用于加热送入燃烧室的空气,通过旁路调节阀可以调节回热装置回收的烟气热量;从回热装置出来的烟气与通过旁路调节阀的烟气汇合后,送入烟气型双效溴冷机.夏季时烟气制冷模式向用户提供冷水,冬季时烟气制热模式向用户提供采暖热水.烟水换热器进一步利用烟气型双效溴冷机的排烟余热加热生活热水.蓄冷/热水箱,夏季蓄冷冬季蓄热,通过控制阀组1控制蓄冷/热、释冷/热;蓄热水箱可存储生活热水,通过控制阀组2可控制其蓄热、释热.

图1不同季节用户典型工作日负荷

表1用户在不同季节的日均冷热负荷kW

季节冷负荷热负荷生活热水夏季1360．35 1310．69冬季 839．31828．33过渡季 1355．47

在该系统中,通过回热器和旁路调节阀改变燃气轮机回热器关闭度,进而改变燃气轮机送入下游的余热,实现对用户冷热负荷的季节性调峰,即第1级调峰;通过蓄冷/热水箱和控制阀组1以及蓄热水箱和控制阀组2的运行控制,实现对用户冷热负荷和生活热水的日负荷调峰,即第2级调峰.有回热的燃气轮机BowmanTG80 型的基本参数[8]如表2所示.

图2 两级调峰冷热电联供系统示意

环境温度/℃环境压力/MPa压比燃气轮机输出功/kW燃气轮机效率/%尾气温度/℃燃料流量空气流量(kg·s-1)150．14．38024．282780．8450．8384

给上述用户配置时,冷热日负荷采用水箱调节,BowmanTG80 型燃气轮机需要配置5台.表3给出了该燃气轮机回热器关闭度X与燃气轮机排烟温度T4,燃气轮机发电效率ηg,单台燃气轮机提供的余热Qw之间的关系.

通过拟合公式可得:

Qw=326.39X+261.14

(1)

2 两级调峰方法

根据对用户和供能设备的分析,以用户所需日均负荷和燃气轮机余热与回热器关闭度之间的关系为核心,建立系统两级负荷调峰方法,如图3所示.

表3 有回热燃气轮机供热参数随回热器关闭度的变化情况

2.1 第1级调峰

第1级调峰是利用燃气轮机回热器,进行季节性的调峰.

根据用户冷热负荷的日均值和不同季节的需要,可得用户侧需要的上游余热为:

(2)

图3 两级调峰流程

烟气型双效溴冷机制冷系数ξCOP和制热系数ηh分别为1.312和0.93,烟水换热器的换热效率ηhw为0.95(排烟温度为90 ℃,此效率仅考虑散热损失),并假设这3个参数不随负荷变化而变化.

根据式(2)确定不同季节需要的上游余热平均值,结合式(1)可确定燃气轮机和回热器的运行模式如表3所示.为便于比较,表3中也列出了仅有蓄冷/热水箱调节日负荷的情况.

表3 各季节性负荷调峰运行模式

从表3可以看出,加入回热器调节季节性负荷形成两级调峰后,5台燃气轮机可以全年满负荷发电.而在回热器关闭仅用水箱调节日负荷的情况下,冬季需要停运1台燃气轮机,过渡季节需要停运2台燃气轮机,投运的燃气轮机均未满负荷发电.

因此,采用回热器和蓄冷/热水箱构成两级调峰后,可以明显提高设备的利用率以及系统的发电效率.

2.2 第2级调峰

根据第1级调峰确定燃气轮机运行模式后,进行第2级调峰.第2级调峰是利用蓄冷/热水箱,进行日负荷的调峰,根据用户每天每时的冷热负荷需求,确定蓄冷/热水箱的运行状态:当负荷大于日均负荷时,水箱释能;当负荷小于日均负荷时,水箱充能.据此,针对该用户的水箱运行模式如表4所示.

表4 蓄能水箱运行模式

3 节能分析

在满足用户全年冷热负荷的前提下,发现同一个用户的不同供能方案的全年发电量并不相同.为了便于分析,在节能比较时对同一个用户,以发电量最大的方案为基准,其他方案不足的电量则引入电网供电.

采用的节能指标选择相对节能率(ESR),即:

(3)

式中:Qc——集中式供能系统单位时间能量消耗量;

QD——分布式供能系统单位时间燃料消耗量.

分产时制冷和供热采用电制冷和电加热的方式,中央空调的能效比为6,电制热效率为1.电能则直接从电网引入,折算为标准煤耗时,以2016年中电联统计数据[9]供电煤耗率312 g/kWh计算,并考虑6.47%电网线损率的影响.表5给出了两种方案的能效比较结果.

表5 两种方案的系统能效比较

从表5可以看出,与目前仅采用水箱调节日负荷的情况相比,采用两级运行调峰方法时,系统全年总发电量增加了34.40%,相对节能率提高了5.64%.因此,本文提出的两级调峰方法在满足用户冷热需求的前提下,不仅提高了系统的发电量,也提高了系统的全年运行节能效果.而且两种情况下设备台套数相同,投资成本相同.运行时回热调峰联供系统全年发电量增加34.40%,天然气消耗仅增加4.92%,因此回热调峰联供系统(即两级调峰)发电成本低于仅有水箱调节的情况,经济性更好.

4 结 论

(1) 与仅采用水箱调节日负荷的情况相比,加入回热器调节季节性负荷形成两级调峰后,系统配置的所有燃气轮机可以全年满负荷发电,提高了设备的利用率和系统的发电效率.

(2) 在满足用户冷热需求的前提下,两级调峰不仅提高了系统的发电量,而且提高了系统的全年运行节能效果.

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[3] 范珑,诸群飞,李辉.五棵松文化体育中心冷热源方案比较[J].暖通空调,2008,38(9):140-144.

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[6] RAHMAN A,SMITH A D,FUMO N.Performance modeling and parametric study of a stratified water thermal storage tank[J].Applied Thermal Engineering,2016,100(5):668-679.

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[9] 中电联规划发展部.2016年全国电力工业统计快报数据一览表[EB/OL].[2017-01-20].http://www.cec.org.cn/guihuayutongji/tongjxinxi/niandushuju/2017-01-20/164007.html.

ResearchofTwoLevelsofPeakPlanforCombinedColdHeatandPowerSystem

ZHENG Puyan1, WANG Wei1, YANG Yu2, CAO Wei1, SHI Hongchao1

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.ShanghaiPowerEquipmentResearchInstitute,Shanghai200240,China)

At present,the storage device (such as the energy storage tank) is often used to adjust the change of the user’s heating and cooling daily load in Combined Cold Heat and Power System (CCHP),and there are no good methods to adjust the change of the seasonal load.In order to solve the problem,the two levels of peak system,which consists of a regenerator and a storage tank,are built for the CCHP based on the gas-turbin.Then the synchronous adjustment of daily load and seasonal load is achieved.The analysis results show that the gas-turbine generates electricity throughout the year and the energy saving effect of CCHP is improved considerably.

combined cold heat and power system; gas-turbin; recuperation; tank; two levels of peak system

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.003

2017-05-03

郑莆燕(1972-)，女，博士，副教授，福建莆田人.主要研究方向为热力系统的分析评价与优化.E-mail:tyy33@163.com.

上海市教育委员会科研创新资助项目(14YZ133).

TM61;TU995.7

A

1006-4729(2017)05-0425-05

(编辑 胡小萍)