三联供单机调试问题分析

叶增增 张树理

上海建科工程咨询有限公司

随着分布式能源系统日益受到重视， 冷热电三联供 （Combined Cooling Heating and Power,CCHP） 系统应用越来越多， 其优越性受到世界各国的关注。燃料首先通过内燃机等动力装置发电， 而后回收其排放的余热用于供热， 除湿或制冷， 在建筑物中同时解决电能， 热能和冷能需要的能源供应系统 [1] 。本文围绕上海虹桥能源中心冷热电三联供分布式供能系统， 展开对三联供单机运行调试的问题研究。

1 虹桥能源站三联供系统方案设计

虹桥能源站三联供遵循以热 （冷） 定电、 热 （冷） 电平衡的原则设计，区域用户全年运行时间在3000～4000 h的冷，热负荷和电力负荷作为基本负荷，结合三联供系统运行方式和运行时间， 确定分布式供能系统容量三联供系统发电优先满足能源中心自用，多余电力向区域用户供电， 不足部分向市电购电。系统的余热向用户供冷或供热， 见图 1。

图1 燃气三联供系统工作原理示意图

根据区域冷， 热负荷预测分析， 能源站电力并网方式， 年满负荷运行时间等对能源站经济性和节能特性的影响，确定分布式供能系统发电量。在 6:00～22:00分布式供能系统运行时段， 按区域用户冷、 热、 电负荷均能同时满足、 分布式供能系统每天开停机一次、 全年累计运行大于3000～4000 h选择分布式供能系统的原动机与余热利用设备。

综合比较， 南、 北区能源站各采用四台1.5 MW燃气内燃机作为分布式供能系统的原动机， 额定发电量1409 kW的燃气内燃发电机组，系统总发电量约占区域最大用电负荷的 21%。选用 4 台额定制冷量为1454 kW的烟气热水型吸收式溴化锂冷水机组，冷水供、 回水温度为6/13℃。余热包括发电机组高温热水余热和高温烟气余热，选用水 -水板式热交换器和烟气热交换器作为余热利用设备。每套联供单元采用燃气内燃发电机组和烟气热水型吸收式溴化锂机组及辅助系统设备按一对一的原则配置组成。

南、 北站三联供系统的硬件配置保持一致， 每个能源站配置了4套三联供单元系统，主要参数如表1所示。

表1 南（北）区三联供系统主要参数

能源中心内每台燃气内燃发电机与板式热交换器、 烟气热交换器采用一一对应的配置原则， 组成联供单元，烟气热交换器与水 -水板式热交换器串联的布置。

2 三联供单机调试

每个能源站三联供系统由4 套并联的系统组成，先对每套系统进行制冷和制热调试， 以期单机调试达到设计要求。冷热电三联供系统的主要评价指标包括电能质量， 一次能源利用率PER， 发电效率hc， 热电比等。调试在手动控制柜， 数据采集显示柜和三联供控制总屏的基础上， 对 CCHP 进行了系统实验， 将重点进行发电机运行特性分析， 溴化锂机组运行特性分析和系统运行性能分析。

2.1 三联供单机调试步骤

调试步骤：

1） 发电机组单机辅助系统检查， 包含： 天然气进气系统管路检查、 燃气调压阀整定。排烟管道检查， 冷却液循环系统的检查和调节阀的整定， 电气系统的高压绝缘测试。

2） 发电机组单机不带载手动盘车和机组自动预润滑后的点火盘车， 怠速暖机后达到额定转速空载运行。

3） 发电机组空载额定转速下测试各项发电机组参数和发动机参数， 并进行调整， 输入最新机组配置文件。发电机组孤岛单机带载试运行，接近满载后调整烟气氮氧化物 （NO x ） 排放量。

4） 溴化锂空调冷态开机整定， 并抽真空。制冷模式下发电机组烟气通过电动蝶阀进入烟气型溴化锂机组作为机组高发热源， 缸套水进入溴化锂机组作为低发热源。制热模式下发电机通过烟气—水换热板交直接换热， 缸套水则给热水预热。

5） 发电机组孤岛稳定带载后进行溴化锂空调的制冷调试， 测量和记录冷冻水的流量和温差。

2.2 内燃机的运行特性调试

内燃机的发电效率和功率输出随燃气热值的不同而不同， 需要对内燃机的运行特性进行试验测量， 用以计算内燃机的实际发电效率及排出尾气所含的热量。 内燃机实际达到输出功率最大值为1400 kW。 测量试验中， 每隔5分钟记录一次数据， 同一功率下记录 5组数据取其平均值， 测量参数包括： 燃气消耗量、 燃气流量、 排烟温度。表2为不同出力下内燃机相关参数。

表2 内燃机运行特性参数

发电效率hc指系统获得单位电能所消耗的燃气耗量：

式中：8100 为天然气的低位热值，单 位 kcal/Nm3， 4.1868/3600为单位kcal等价的kJ热量。

图2表示内燃机输出功率与发电效率的关系。由图2可知，输 出功率越大，内 燃机的发电效率越高。故在有冷热负荷的条件下， 发电机输出功率越大越好。

图2 内燃机输出功率与发电效率关系

2.3 发电机运行性能调试

电能质量[2]是发电机的一个重要评价指标， 电能质量指标主要包括： 频率偏差， 电压偏差， 电压波动与闪变， 三相不平衡， 暂时或瞬态过电压， 波形畸变， 电压暂降与短时间中断， 供电连续性等。

1） 电压偏差： 电压偏差定义为供电系统在正常运行方式下， 某一节点的实际电压与系统的标准电压之差对系统标称电压的百分数。其数学表达式：

式中：δU为电压偏差；Ure为实际电压，kV；UN为系统标称电压，k V。

GB12325-90《 电能质量 -供电电压允许偏差》[3]中规定：35 kV 及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。10 kV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7 %。220 kV单相供电电压允许偏差为额定电压的＋7%，-10%。

图3为实测的电压偏差图。从图3中可以看出最大电压偏差为 B相电压，偏 差率 2.53%，低 于规定 7%的允许偏差额度。

图3 电压偏差图

2） 电压波动： 电压波动定义为电压均方根一系列相对快速变动或连续改变的现象， 其变化周期大于工频周期。电压波动值为相邻最大与最小电压方均根的两个极限值之差， 常以其标称电压的百分数表示其相对百分值：

GB12326-2000《 电能质量-电压允许波动和闪变》中规定[4]： 在 公共供电点的电压波动允许值如下：10 kV 以下为 2.5%，35～110 kV 为 2%，220 kV 以上为1.6%。

图4为实测的电压波动图。从 图5中可以看出，随着发电功率的增加，电压波动值震荡上升，最高到2.45%，低 于规范要求2.5%。

图4 电压波动百分率

3） 电网谐波： 电网谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波的一个重要指标就是总谐波畸变率 （THD）， 定义为畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。

式中：THDh为电压总谐波畸变率，Uh为各次谐波均方根值，U1为基波均方根值，M为所开率的谐波最高次数，由 波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定，通 常取≤50。

GB/T14549-93《电能质量-公用电网频率谐波》[5]中规定：6～220 kV各级公用电网电压（ 相电压）总 谐波畸变率是：0 .38 kV 为 5.0%，6～10 kV 为 4.0%，35～66 kV为3.0%，110 kV为2.0%。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，国家规定各级电网谐波产生的电压总畸变率是：0.38 kV 为 2.6%，6～10 kV为 2.2%，35～66 kV 为 1.9%，110 kV 为 1.5%。

4）三 相电压不平衡度：三 相电压不平衡度是指电力系统在正常运行方式下，电 量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比。

式中：U1为三相电压正序分量的均方根值，U2为三相电压负序分量的均方根值。

表 3为内燃发电机不同负荷下发电参数测量值，根据表三可计算出电压偏差， 电压波动， 总谐波畸变率和三相电压不平衡度。

表3 电能参数测量值

2.4 吸收式溴化锂机组运行调试

溴化锂机组制冷效率受高温发生器（简称高发）内温度的影响， 高发温度越高， 制冷效率越大。反之，则越小。高发内的温度主要取决于进入溴化锂机组的烟气温度， 高发的温度随着烟气入口温度的升高而升高， 实测的两者之间的关系如图5所示。

图5 高发温度与烟气入口温度的关系

溴化锂机组的制冷功率计算如下：

式中：ρ为 水密度，k g/m3；v为冷冻水流量，m3/ h；c为水的比热容，4.1868×103J/kg；ΔT为进出口水温差,℃。

当流量一定时，温 差的大小决定了制冷功率的大小。当冷冻出口温度和水流量一定时，冷 冻水回水温度的大小就决定了制冷功率的大小，回 水温度越低即温差越小，制 冷功率就越小。

3 CCHP系统运行分析

为了评价系统性能，需要计算一次能源利用率（PER） 和热电比 （q）。 一次能源利用率定义为获得单位有效能量与所消耗的一次能源 （即燃料耗量） 能量的比值一般来说， 分布式供能系统中获得的有效能量有冷、热和电三种不同的形式， 其一次能源利用率为：

式中：Qcold为制冷量，Qhot为制热量，Pele为发电量，Qfuel为消耗的一次能源量。

影响三联供系统PER的因素主要有， 发电机效率hc， 余热回收率α， 热量分配系数θ， 制冷机COP值。

在各影响因素中， 对提高系统PER值影响程度从大到小依次为h c，α， COP，θ。其中， 提高系统的发电效率对PER值影响最大。

热电比q为系统所供冷量与电量的比值，则定义如下：

本文以 CCHP系统蓄热工况试验为例， 分析系统的一次能源利用率PER及热电比q。表4为CCHP系统性能参数表。

表4 CCHP系统性能参数表

需要指出的是， 溴化锂机组缸套水阀门只有在高发温度超过100 ℃时才会打开，机组才会开始正常运行， 前面机组进出口温度相同， 没有负荷， 故没有制冷量。内燃机NOX排放量对发电效率有很大影响， 降低NOX会减少发电量， 但会增加烟气量， 这会提高吸收式溴化锂机组的制冷效率。

4 问题及解决方案

在调试过程中， 发现一些问题， 这里将分析几个重要问题并提出解决方案。

1） 问题1： 未设置烟气流量计， 只能推算烟气量及发电机组输出烟气热量。

建议： 应完善图纸， 设计阶段设置烟气流量计。

2） 问题2： 缸套水换热器换热量不满足要求。

设计缸套水循环的热侧部分是以水作为介质， 实际现场为50%水和 50%乙二醇溶液。导致流体比热、粘度、 密度等物理性质发生改变， 水—水板换实际换热量低于设计值。

采取方法： 对于原水—水板换重新设计， 改变换热器内部换热模块板型， 增加换热面积， 从而提高设计温差。

3） 问题3： 烟气管路电动阀门内漏， 导致余热流失现场电动阀阀门垂直安装， 会导致阀板的下垂， 关闭时不能完全到位， 以至泄露。

采取方法： 在阀体下部， 下阀杆位置增加阀门限位调整装置， 该装置能有效限制阀杆轴向移动， 也可便利调整上下高度， 并内置润滑轴承， 以免转动过程中阻力过大。

4） 问题 4： 烟气 - 热水热交换器水侧阻力远远大于设计值， 烟气-热水热交换器的换热量不足。

采取方法： 拆卸烟气-水换热器， 重新返厂做水压试验和冷态的水流试验， 进行阻力验证， 改造换热器内部结构， 将阻力降低到设计水平。

5） 问题5： 溴化锂出口处烟气倒灌， 增加了制冷模式下烟气—水板换温度及制热模式下溴化锂机组内高发温度。

采取方法： 现场在溴化锂出口处加装烟气蝶阀。

建议： 设计时未考虑此类因素， 导致在制冷模式下烟气倒灌进烟气 -热水换热器，在制热模式下烟气倒灌如溴化锂机组。应在烟气管路加装止回阀。

6） 问题6： 发电机烟气量不足， 导致溴化锂机组高发温度不满足设计要求， 制冷量不满足设计要求。

采取方法：现场降低发电机氮氧化合物排放量，但同时发电机出力有一定程度降低。

建议： 采用补燃式溴化锂机组， 在高负荷的夏季采用直燃补燃[6]， 既能满足设计烟气量要求， 也可降低溴化锂机组的制冷量， 节约成本。在过渡季节可直接使用， 满足部分冷热负荷。

5 总结

根据评价三联供性能的各种指标包括系统中单个设备的评价指标， 进行了三联供系统各主要设备的单机调试。针对调试过程中的问题， 提出了针对性的解决办法和建议， 对以后三联供系统的设计， 施工和调试过程具有指导性的重要价值。

三联供系统比传统的方式更具有技术、经济、 节能等方面的优势， 但冷热电三联供的系统设计有一定复杂性， 需要考虑好多方面的因素， 有很多大量细致的工作， 要重视系统容量的选择， 不同使用阶段的实现方法， 这样既可以达到实际应用过程中系统配置和运行方式选择的最优化， 又可以节约成本， 实现较好的经济效益。

参考文献

[1] 付林,李辉. 天然气热电冷联供技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[2] 冯宇,唐轶. 电能质量分析与参数估计的研究方法综述电力系统及其自动化学报[J].2010,(6):78-85

[3] GB12325-90电能质量 -供电电压允许偏差[S].1990

[4] GB12326-2000电能质量-电压允许波动和闪变[S].2000

[5] GB/T14549-93电能质量-公用电网频率谐波[S].1993

[6] 糜华,岳永亮.热电冷联供系统设计应用中的问题探讨[J].制冷技术,2005,(4):150-155