燃气轮机耦合地源热泵联供系统瞬态模拟与运行模式评估

崔梦然，郭健翔，2，*，田雪沁，王 娜，孙晋飞，2(.青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 2660；2.山东省余热利用与节能装备技术重点实验室，青岛 2660；.国网经济技术研究院有限公司，北京 02209)

天然气冷热电三联供系统是分布式能源系统的典型代表，其综合能源利用效率可高达90%[1-4].但是单一的燃气冷热电联供系统的经济性受气价影响较大，且当冷热电负荷需求相差较大时系统将面临供需两侧热电平衡问题.高文忠等[5]构建了一种燃气轮机+电制冷+蓄冷装置系统，分析了设计日工况和过渡日工况下系统在不同运行模式下的性能，结果表明系统的经济性和节能性往往不能同时兼备；孟金英等[6]分别以系统的一次能源消耗量最小、运行成本最小和二氧化碳排放量最小为目标,对冷热电联供系统的运行模式进行了优化，研究发现不同目标函数下系统的最优运行模式不同；刘媛媛[7]根据满足用户冷(热)、电负荷的优先级不同,探讨了“以热定电”“以电定热”及“混合模式”这三种运行原则下系统设备的最优容量、冬夏及过渡季典型日的最优运行方案.

上述研究表明，不同的负荷条件和运行方式会对整个系统的性能产生重要影响，供需两侧热电不平衡是影响系统经济性的关键因素，多能耦合联供系统成为解决这一关键问题的有效途径.本文结合北京某商业综合体案例，构建了一种天然气冷热电联供系统耦合地源热泵系统，同时，考虑到负荷变化和气象条件的变化对机组性能的影响，提出基于供需动态平衡的多能联供系统计算模型，在TRNSYS平台上进行了瞬态模拟.通过设置不同的控制条件，分别分析了热跟随、电跟随和混合运行模式下系统的性能，为多能耦合联供系统的构建、瞬态模拟以及运行方式优化提供了理论分析基础.

1 系统构建

本文构建了一种天然气冷热电联供耦合土壤源热泵系统，系统包含燃气轮机、余热锅炉、蒸汽型吸收式溴化锂机组、烟气/热水换热器、热泵等设备.在热跟随模式下，燃气轮机烟气余热承担全部热负荷，夏季溴化锂制冷量不满足冷负荷需求时开启土壤源热泵补充，燃气轮机发电先供系统和用户使用，多余电量上网，不足时从网上取电；电跟随模式下，将用户的电负荷需求作为系统的输入，换热器换热量和溴化锂制冷

量不满足冷热负荷需求时开启土壤源热泵进行补充，多余热量则浪费；为了避免以热跟随运行模式下系统有电量剩余带来上网不便或者上网后对电网造成冲击以及以电跟随模式下造成的热量浪费问题，可以使系统在混合模式下运行，本文将混合模式定义为系统运行中不存在电量上网和热量浪费.为保证系统的供能与用户负荷需求逐时匹配，同时充分考虑气象参数对系统的影响，本文构建了瞬态仿真计算模型，在TRNYS平台上对耦合系统全年运行情况进行了逐时模拟.系统原理及由TRNSYS构建的燃气轮机耦合土壤源热泵CCHP系统如图1和图2所示

图1 系统原理

图2 燃气轮机耦合土壤源CCHP系统TRNSYS模型

2 系统关键设备数学模型

2.1 燃气轮机

任意时刻燃气轮机的发电量和排热量与输入燃料热量之间的关系式如下：

EGE，i=GGE，iηGE，i

(1)

(2)

根据某典型品牌的燃气轮机数据，拟合得到燃气轮机的发电量与室外空气温度和烟气余量之间的关系为

(3)

2.2 吸收式溴化锂机组

溴化锂吸收式制冷机消耗热能提供冷能，任意时刻消耗的热能与产生的冷能关系可由下式表示：

(4)

2.3 土壤源热泵机组

土壤源热泵机组在任意时刻消耗电能与产生的冷量/热量的关系由下式表示：

(5)

(6)

3 系统仿真模拟计算条件

3.1 建筑概况

北京某商业综合体面积9600 m2，其中空调面积9500 m2.该商业建筑综合体内部包括大堂、餐厅、客房、健身房等功能分区，各部分的参数见表1.计算得到的逐时电负荷和由DeST模拟得到的逐时冷热负荷如图3所示.

表1 某综合体各功能分区参数

由图3可以看出，该建筑的逐时热负荷峰值为753 kW,逐时冷负荷峰值为1744 kW.统计得到建筑全年累计热负荷为3863 GJ，全年累计冷负荷为7403 GJ.

3.2 能源价格

3.2.1 天然气

发电用天然气价格为2.39元/m3，制暖供冷价格用气价格为2.49元/m3[8].

3.2.2 电费

根据最新政策，北京地区非居民用电的分时电价见表2.

表2 分时电价

天然气发电上网电价为0.65元/(kW·h)[9].

3.3 设备选型及价格

以热定电模式下根据热负荷峰值和拟合公式反算出所需的燃气轮机容量，以电定热模式下根据电负荷峰值得到燃气轮机容量，混合运行模式下，要保证燃气轮机能满足峰值冷/热负荷和电负荷的需求，因此三种运行模式下设备的选型明细见表3.

由于冷热负荷相差较大，所以需要合理选择单台设备容量及在供暖季和制冷季的开启台数，根据表3中所选的设备，在以热定电模式下，冬季开启1台土壤源热泵即可满足热负荷需求，夏季3台土壤源热泵全部开启；混合模式下，冬季开启1台土壤源热泵，夏季开启3台土壤源热泵.

表3 设备选型

对本文所涉及到的设备，查得某典型品牌设备的单位热量的价格见表4.

表4 设备价格

4 系统仿真模拟结果与分析

为了更直观表现出不同运行模式下的系统性能，本文分别选取供暖季典型日和制冷季典型日进行能量平衡分析，并且根据全年的结果计算费用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.供暖季典型日和制冷季典型日的气象参数及逐时的冷热电负荷需求如图4所示.

4.1 系统能量流平衡

该系统的能量流平衡包括电量平衡、热量平衡和冷量平衡.

4.1.1 电量平衡

热跟随模式和混合运行模式:

(7)

电跟随模式：

(8)

式中：Ebuy，i为i时刻从电网的购电量，kJ/h；Euser,i为i时刻用户的电负荷，kJ/h.

热跟随和混合模式下在供暖季典型日和制冷季典型日的发电量、用电量与购电量之间的具体关系如图5—8所示.

4.1.2 热量平衡

任意时刻烟气/水换热器的制热量、土壤源热泵机组的制热量与热负荷的关系如下：

热跟随模式：

(9)

电跟随模式和混合模式：

(10)

电跟随模式和混合运行模式下具体的热量关系如图9、图10所示.

4.1.3 冷量平衡

任意时刻吸收式溴化锂机组制冷量、土壤源热泵机组的制冷量与用户冷负荷的关系如下：

(11)

三种运行模式下的冷量平衡如图11—13所示.燃气轮机在不同季节和运行模式下的负载率变化如图14所示.

根据全年运行结果得到的冷热负荷承担情况如图15所示.

由图5—15可以看出：

1) 在热跟随模式下，由于建筑的冷负荷比热负荷偏大，因此在制冷季典型日的燃气轮机负载率要高于供暖季典型日的燃气轮机负荷率，在13:00-22:00期间，燃气轮机负载率为90%以上，此时仍然无法满足用户冷负荷，此时间段内需要开启热泵进行冷量补充，但是发电量已有剩余，典型日全天内均有多余电量需要上网，上网电量约占全天发电量的41.4%；而在供暖季典型日，全天只有3 h的发电量多于需求电量，但是由于为匹配热负荷需求，燃气轮机一直处于负载率较低的工况下运行，多数情况下发电量不能满足电负荷，需要从电网购电，全天的购电量约占总电量需求的36.8%.

2) 在电跟随模式下，燃气轮机依据电负荷需求运行，在供暖季典型日，多数情况下燃气轮机的烟气余热大于用户热负荷，因此造成了一定的热量浪费，浪费热量约占热负荷的21.8%，在6:00-10:00期间，需要开启热泵进行热量补充，但补充热量较少，因此购电量也较少；在制冷季典型日，全天有18 h需要开启土壤源热泵进行冷量补充，补充部分占全天冷负荷的31.6%，此时从电网的购电量也较多，由于冷负荷较大，所以在制冷季典型日没有多余的热量产生.

3) 在混合运行模式下，整个系统运行过程中均无多余热量和电量产生，在供暖季典型日，燃气轮机的烟气余热能满足大部分时间的热负荷，热泵补充热量仅占全天热负荷的3.8%，但是由于燃气轮机负载率较小，发电量较少，所以多数时间需要从电网购电，购电量占电负荷的33.9%；在制冷季典型日，热泵的开启时间比供暖季多，其承担的负荷约占总负荷的33.9%，但是购电量有所减少，为10.4%.

4) 在三种运行模式下，燃气轮机的烟气余热都承担了大部分的冷热负荷，其中承担的热负荷分别占100%，95.8%和96.5%，溴化锂机组承担的冷负荷分别占总冷负荷的81.3%，66.8%和65.2%.

4.2 不同运行模式对比分析

为了更加直观表现出三种运行模式的优劣，将从经济、能源消耗量和环境三个方面进行对比.本文分别计算了系统的费用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量.

4.2.1 经济指标

费用年值的计算公式如下：

C=CC+Cf+Cm

(12)

4.2.2 能源消耗量指标

(13)

式中：E为一次能源消耗量，kJ；ηgrid为电厂平均供电效率，取0.92；ηe为电网输电效率，取0.35.

4.2.3 环境指标

系统产生的有害物的排放会对环境造成破坏，其中影响最大的两种气体是CO2,NOx，因此分别计算CO2和NOx排放量，作为评价该系统的环境指标.

系统的CO2年排放量(CDE)为[10]

(14)

式中：MCO2为系统二氧化碳的年排放量，t；VANG为年消耗的天然气热量，GJ/a ；CENG为天然气排放系数，kg/GJ，取58.5；CMEF为甲烷排放系数，kg/TJ，取1.4；EGWPCH4为甲烷的增温潜能，取21；CNEF为N2O排放系数，kg/TJ，取2.3；EGWPMN为N2O的全球增温潜能，取310；CMLR为甲烷泄漏率，kg/GJ，取0.3；θ为电力线损，取8%；Cefy为电力排放因子，t/(MV·h)，取0.902 55；Qmax为制冷机组承担的冷负荷峰值，kW；QFV0为制冷剂单位充注量，kg，取474.6；CER为制冷剂泄漏率，取5%.

系统的NOx排放量根据不同设备的排放因子计算，具体数据见表5.

表5 NOx排放因子[11-12]

计算得到的不同运行模式下的费用年值、一次能源消耗量和污染物排放量见表6.

表6 不同运行模式下参数对比

5 结论

1) 若采用电跟随模式，电负荷较大时会造成较多热量浪费；采用热跟随模式，热负荷较大时上网电量增多，系统收入增加；如果冷热负荷相差较大，则应该在冬夏季采取不同的运行模式以使系统达到较优的运行状态.

2) 通过计算系统的费用年值、一次能源消耗量、二氧化碳排放量和氮氧化物排放量发现，在本文所模拟的负荷条件下，电跟随模式均具有明显优势，热跟随模式次之，混合模式最差.