小型燃气分布式能源系统的设计

吴 洁,奚玲玲,王福禄

上海电气输配电集团 上海 200042

1 概述

小型燃气分布式能源系统常称为冷热电三联供系统,以天然气清洁能源为燃料进行发电,利用余热满足单体或集群建筑的冷、热需求。与大电厂、大供热中心等规模化集中功能系统相比,小型燃气分布式能源系统具有能源利用效率高、品质高、节能、减排、可靠等优点。

小型燃气分布式能源系统的基本运行需遵循以下五个原则:提高能源综合利用率;保证较高满负荷小时数;实现余热梯级利用;最大限度提高发电效率;合理利用调峰设备。

小型燃气分布式能源系统主要由发电设备、余热利用设备及调峰设备等组成,常涉及的发电设备有燃气内燃机、燃气外燃机等。广义的燃气内燃机包含活塞式燃气内燃机、旋转叶轮式燃气轮机、微型燃气轮机等,但一般来说燃气内燃机是指活塞式燃气内燃机。目前,小型燃气分布式能源系统中应用较多的发电机有燃气轮机、燃气内燃机和微型燃气轮机。

余热利用设备主要包含烟气补燃型溴化锂吸收式制冷(热)机组、烟气换热器、余热锅炉等设备。

小型燃气分布式能源系统使用的范围包括医院、宾馆、公共交通枢纽、制冷/制热工厂及数据中心等,对热或者冷需求较大而且稳定的场所。

笔者介绍的小型燃气分布式能源系统选取微燃机为发电设备,烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组、烟气换热器为余热利用设备,补燃、电制冷及制热作为调峰设备[1]。图1所示为小型燃气分布式能源系统基本工艺流程示意图。

小型燃气分布式能源系统的工作流程为:一定压力的燃气与经压缩的空气在燃烧室燃烧后,驱动透平机发电并排出450～600 ℃高温烟气。夏季工况时,烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组利用高温烟气的余热进行吸收式制冷。当余热制冷不能满足用户的供冷需求时,由于选取带补燃工况类型的机组,可通过补燃增加直燃机制冷量,若仍不能满足供冷需求时,则启动调峰设备,如用电制冷机等制冷设备进行制冷。冬季工况时,如余热制热量不能满足供热需求,则以燃气补燃增加直燃机供热量,如仍不满足时,则直接启动电制热等调峰设备供热,满足用户的供热需求[2]。烟气换热器对从烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组排出的烟气进行再次利用,可以产生温度为65～95 ℃的生活热水,供用户使用。

图1 小型燃气分布式能源系统基本工艺流程

小型燃气分布式能源系统的适用条件及主要特点为:该系统采用微燃机作为原动机,功率小(30 kW～350 kW),质量小,维护成本低,适合用在建筑面积较小、功能单一的场合,也可以作为包含多种能源形式的微电网的一个单元,与其它分布式能源协同工作。其发电效率为20%～30%,能源利用率可达75%以上。该系统可以根据需求添加蓄热或者蓄冷装置来调节外部负荷的波动。

2 小型燃气分布式能源系统控制结构

小型燃气分布式能源系统为综合了新能源和传统能源利用技术的复合能源系统,其中许多独立设备和系统都有配套的控制器,并且种类不同。

根据小型燃气分布式能源系统涉及的不同层次的控制现状,其控制系统结构可分为三层:能量管理层、中央控制层、就地控制层[3],如图2所示。

能量管理层具有运行优化、能量调度,以及数据加工、管理与存储功能。

图2 小型燃气分布式能源控制系统结构

中央控制层一般配置中央控制器及人机操作界面,与燃气发电机组、余热利用设备、调峰设备等就地控制器通信,采集各个设备的运行数据(阀门状态、温度、压力、流量等),控制各个设备的启停、模式切换、故障报警,并执行能量管理层的调度指令,实现整个系统的正常运转。人机操作界面可以查看各个设备实时运行状况,查看故障信息,可对某些参数进行设定。在手动模式下,可以按照流程进行整个系统的启停操作。

就地控制层包含微燃机控制系统、烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机控制系统、烟气换热器控制系统、电制冷制热控制系统等。就地控制层接收中央控制器的指令,控制微燃机、烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组和外围设备(泵、风机、阀门等),实现过程控制、安全保护及数据采集等功能。

3 微燃机的控制

3.1 微燃机工作原理

微燃机是一种新型的小型热力发电机,它将燃气轮机和发电机设计成一体,采用一根轴连接压缩机、透平机和发电机,使机组尺寸明显减小,运动部件减少,可靠性加强。微燃机一般采用离心式的空气压缩机和向心式的透平机。先进的微燃机还采用了回热循环技术,即在微燃机内设置回热器,利用烟气的热量预热进入燃烧室的空气,该技术可减少燃料消耗,降低排烟温度,增加燃气轮机的效率。典型微燃机工作原理如图3所示,其工作原理为空气压缩机连续地从外部环境中吸入空气并将其压缩,被压缩后的空气先进入回热器与烟气换热,温度升高后的空气进入燃烧室,与喷入燃烧室的燃气混合燃烧,产生高温高压的烟气,烟气推动透平机的叶轮旋转从而带动压缩机和发电机的转子转动,发电机运转产生电能,做功后的烟气进入回热器加热空气,烟气温度降低,最后经排气管排出。微燃机可以燃烧多种燃料,余热形式只有烟气,排烟温度为200～300 ℃。微燃机的单机功率为30 kW～350 kW,易于实现多台机组的集成应用,满足不同用户的需求,是小型燃气分布式能源系统设备的理想选择[4-5]。

图3 典型微燃机工作原理

3.2 微燃机控制系统

微燃机发电机组控制系统如图4所示,主要由微型燃气轮机、中央控制器、蓄电池控制系统、油路系统、气路系统等组成[6]。微燃机发电的控制过程为当微燃机输出电功率或者排烟温度需求降低时,微燃机中央控制器给燃气调节阀指令减小开度,输入的燃气减少,转速下降,同时,中央控制器给变流器指令减小输出功率。功率或者排烟温度需求增大时,则增大燃气调节阀开度,增加燃气输入量,转速上升,同时,中央控制器发出指令,增大变流器输出功率。这一发电过程时间为3～15 s。微燃机控制系统通过设定的排气温度和发电机功率来控制发电机的转速和微燃机的进气流量。

图4 微燃机发电机组控制系统

小型燃气分布式能源系统启动时,无论是采用手动模式还是自动模式,在启动微燃机之前,必须保证烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组已经启动,烟气入口阀门必须开启,烟气旁通阀必须关闭。

4 烟气余热回收装置控制

小型燃气分布式能源系统采用烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组,可以制冷或制热。其排出烟气温度为160 ℃,进入烟气换热器可以提供生活热水,温度为60～95℃。

4.1 烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组工作原理

烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组以燃气发电机组的烟气为主要热源,同时设有补燃燃烧器,当烟气回收热量不能满足冷热负荷需求时,自动启动补燃燃烧器,使机组自动满足系统冷热负荷的需求。

4.1.1 烟气补燃型溴化锂吸收式制冷工作原理

众所周知,在标准大气压下水的沸点为100 ℃,水的沸点会随着压力下降而降低,当气压降到1/10大气压,约6 mmHg时,水的沸点只有4 ℃,这时继续蒸发水可以吸收大量的热量,如果保持蒸发器空间压力不变,温度也将维持在4 ℃,通过该空间的冷水管管内的温水将被冷却,达到空调集中供冷所使用的7 ℃的冷媒水。水在1/10大气压的环境下蒸发,蒸发的水蒸气导致该空间的压力升高,如果压力升高,那么沸点也随之升高。为了维持4 ℃的温度环境,需要将蒸发的水蒸气迅速吸收掉,维持近似真空的环境。溴化锂具有很强的吸水性,可以不断地吸收周围的水蒸气,维持该空间6 mmHg的压力。高浓度的溴化锂溶液在吸收器中吸收水之后成为溴化锂稀溶液。溴化锂稀溶液由溶液泵送到高压发生器,在这个过程中经过热交换器,吸收浓溶液的热量。在高温烟气的作用下,溴化锂稀溶液蒸发为高温浓溶液,蒸发的水蒸气在冷凝器被冷却水冷凝,进入蒸发器;高温浓溶液经过高低温热交换器降温,进入吸收器,如此循环,其工作原理如图5所示[7]。

作为吸收剂的溴化锂无毒无污染,但是会腐蚀金属,产生不凝性气体,影响真空环境,所以一般需加入无毒无害的缓蚀剂及活性剂[8]。

4.1.2 烟气补燃型溴化锂吸收式制热工作原理

图5 烟气补燃型溴化锂吸收式制冷原理

烟气补燃型溴化锂吸收式制热工作原理如图6所示,烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组在制热时,利用驱动热源加热发生器中溴化锂溶液,产生高温冷剂蒸气,同时溶液浓缩为浓溶液,高温冷剂蒸气进入蒸发器,在传热管表面冷凝释放热量,使管内的热水温度升高,冷剂蒸气进入吸收器,而浓溶液也进入吸收器,二者混合成稀溶液。稀溶液再由溶液泵送往发生器加热。蒸发器传热管内的热水吸收了冷剂蒸气凝结时释放出的热量而升温。这一过程不断循环进行,蒸发器就连续不断地制取热水。与制冷原理相比,制热省略了冷凝器抽真空这一步骤。

图6 溴化锂吸收式制热工作原理

4.2 烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热控制系统

烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热控制系统可以根据需求自动改变制冷和采暖的功率。以制冷为例,控制系统根据外界负荷的变化,自动调节机组的制冷量,使蒸发器的冷媒水出口温度保持恒定。调节制冷量的方式有烟气进气量调节(温度恒定)、冷却水量调节、溶液循环量调节、组合式调节[9]。

当其它参数不变时,外界负荷越大,冷媒水出口温度越高。一般来说,在额定负荷条件下,冷媒水出口温度为7 ℃。制冷量自动调节装置的最终控制对象就是冷媒水的温度,一般通过调节烟气进气量(温度恒定)与内部溶液循环量的方式来调节制冷量。

4.3 烟气换热器

烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组排出的烟气温度为160 ℃左右,通过烟气换热器可以提供温度为60～95 ℃左右的生活热水,实现了能源的梯次利用,提高了能源利用率[10]。

5 小型燃气分布式能源系统模式控制

小型燃气分布式能源系统主要有以下五种运行模式:待机模式、启动模式(手动、自动)、制冷运行模式、制热运行模式、停机模式,其中启动模式及停机模式有严格的操作流程。小型燃气分布式能源系统运行流程如图7所示。

图7 小型燃气分布式能源系统运行流程

5.1 启动模式

启动模式分为手动模式和自动模式,手动和自动模式需严格按照启动流程进行启动。若启动过程无法完成,可人为选择立即停机,或者计时结束自动转入停机程序。

在制冷模式时,烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组启动之前必须保证机组的冷却水泵及冷水泵为开启状态。在制冷运行模式停机时,如果未达到停止冷却水泵的条件即制冷机还在工作时是不能停止冷却水泵运行的。

5.2 停机模式

如果收到停机指令或者由于故障导致停机,此时执行停机流程。在停机过程不能进行启动操作,如果停机程序完成,则进入待机模式。

5.3 待机模式

按照停机程序要求,关闭所有设备,所有的阀门处于正确的位置,无故障报警信息,此时由停机模式转为待机模式。在待机模式下,可以进行启动(自动、手动)的操作。待机模式下,若有故障,可进入停机模式。

6 小型燃气分布式能源系统控制策略

小型燃气分布式能源系统的控制系统控制整个系统的启停及正常运行,协调各个设备正常运行,并满足用户及电网下达的冷热电需求,计算与控制各个设备启停及阀门的开度,故障情况下及时报警停机,并配有人机界面供参数及故障显示,也可以人为地操作控制设备。例如,要求其发电机组降20%功率运行,要求某个阀门旋转60°,要求制冷机的燃烧器增加50%输出功率等,这些指令被相关设备的控制器接收之后,再由每个设备的控制系统予以执行。

在小型燃气分布式能源系统中,常见的控制策略为以热/冷定电、以电定热/冷,以及经济运行。

微燃机的发电及余热利用效率分别为30%及52%,烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组中直燃与补燃的比例为1∶1,即在一套系统中,发电与制冷/制热比例在3∶10左右,一般建筑内发电与制冷/制热的比例远大于3∶10,故宜采用以热/冷定电。

6.1 以热/冷定电

以热/冷定电指按照供热/供冷需求由余热利用系统,即烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组来供热/供冷,从而确定发电机组的发电功率。若发电机组的余热不足,则增加补燃。若仍不足,则可以开启电制冷或制热设备。整个系统的控制目标为满足用户的冷热需求,所发的电量并入电网,用户用电直接从电网获取。

6.2 以电定热/冷

以电定热/冷指按照用电的需求决定微燃机发电机组的功率,余热用于制热或者制冷,制热/制冷不足开启补燃装置。整个系统的控制目标为满足用户需求的电功率。

当微燃机的烟气余热不能满足用户的制冷或制热负荷需求时,通过烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组的补燃提高系统的制冷或制热能力。当烟气余热增多时,通过旁路烟道,将部分烟气直排到大气中。

6.3 经济运行

经济运行指建立一个以经济最优为目标的数学模型,满足用户冷热电需求下,从微燃机发电量、补燃功率、燃气价格、峰谷电价等方面综合考虑,计算出经济最优值。

7 结束语

笔者设计了一种微型燃气轮机、烟气补燃型溴化锂吸收式制冷/制热机组、烟气换热器三联供控制系统,灵活性好,适应场合广泛,综合考虑建筑内对冷热电的需求,选择以热定电或以电定热的控制策略。小型燃气分布式能源系统是一种多联供能系统,可以有效地利用低品位热能,实现能源的梯次利用,其发电效率为20%～30%,能源利用率可达75%以上。