多能源互補的分布式供能系統(tǒng)

發(fā)布于：02-11

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（以下稱CCHP系統(tǒng)）作為一種由動力、余熱利用及蓄能等多個子系統(tǒng)集成構成的復雜系統(tǒng)，目前尚處于快速發(fā)展的階段，正在得到逐步深入的研究。CCHP系統(tǒng)的構成特點是輸入與輸出的能源形式以及內部的構成形式均具有顯著的多樣性。它是由多種形式的熱力過程和多個供能系統(tǒng)所集成的總能系統(tǒng)，其內部相對獨立的各個熱力子系統(tǒng)之間存在大量的能量、物質傳遞和交換過程。它的總體性能不僅與各子系統(tǒng)的具體形式和性能參數(shù)有關，更為重要的是還取決于系統(tǒng)構成流程形式以及各子系統(tǒng)間的熱力參數(shù)匹配情況。在CCHP系統(tǒng)的設計、優(yōu)化和運行過程中涉及到兩種類型工況，即設計工況和變工況，且兩者存在本質差異。在聯(lián)產系統(tǒng)的配置和優(yōu)化過程中，對兩種工況都需要關注。CCHP系統(tǒng)集成要綜合考慮上述諸多復雜因素，不斷豐富和完善，形成系統(tǒng)集成優(yōu)化的理論體系?；谀艿奶菁壚?、不同形式能量間的互補和全工況運行等原理，本文介紹CCHP系統(tǒng)集成優(yōu)化的理論框架，其中包括能的綜合梯級利用，能源、資源與環(huán)境的綜合互補，以及基于全工況特性的系統(tǒng)集成等CCHP系統(tǒng)的集成優(yōu)化思路及措施。?



1．基于能的綜合梯級利用的系統(tǒng)集成??



（1）熱能品位對口，梯級利用??



CCHP系統(tǒng)中，通常高品位的熱能多來自于化石燃料燃燒。而中、低品位的熱能主要來自于聯(lián)產系統(tǒng)上游某熱力子系統(tǒng)的輸出，但有時也可能來自于聯(lián)產系統(tǒng)相關外界的可再生能源系統(tǒng)或外界環(huán)境。因此，在利用中溫和低溫熱能時，需要對用戶的需求以及各個熱力子系統(tǒng)的功能進行仔細分析。動力子系統(tǒng)的輸出為高品位的電，因而對輸入熱能的品位要求很高。對于吸收式制冷機和吸收式熱泵而言，需要的熱源溫度則更低一些，如雙效溴化鋰吸收式制冷機要求熱源溫度在120℃左右。而用戶需要的生活熱水和供暖所需熱量的溫度只需60℃左右。由此可見，燃料燃燒產生的高熱量應優(yōu)先用于提供給動力子系統(tǒng)，做功發(fā)電，經過這一級利用后，再為吸收循環(huán)提供熱源，驅動制冷或熱泵，溫度進一步降低后，再通過簡單換熱生產熱水。經過上述若干級熱能利用后，動力子系統(tǒng)排氣中余熱的品位大幅度降低，可利用的數(shù)量也大幅度減少，利用價值顯著下降，無利用意義的余熱最后將被直接排向環(huán)境。??



（2）正循環(huán)與逆循環(huán)耦合??



分布式聯(lián)產系統(tǒng)常常是由多個循環(huán)集成得到的總能系統(tǒng)。聯(lián)產系統(tǒng)所采用的循環(huán)基本上可分為兩大類，即正循環(huán)和逆循環(huán)。動力子系統(tǒng)的功能在于輸出電，目前普遍采用的傳統(tǒng)熱轉功系統(tǒng)屬于正循環(huán)。制冷子系統(tǒng)通常利用動力子系統(tǒng)的余熱驅動的吸收式制冷循環(huán)，輸出低于環(huán)境溫度的冷量，屬于逆循環(huán)。在CCHP系統(tǒng)中，正是通過正循環(huán)和逆循環(huán)的耦合來實現(xiàn)冷熱電的多能源供應。正逆循環(huán)耦合的關鍵在于兩循環(huán)之間能量傳遞與轉換利用時，量與質同時優(yōu)化匹配，以最大程度降低能量轉換利用過程的損失。通常，動力正循環(huán)和制冷逆循環(huán)運行的溫度區(qū)間分別位于環(huán)境狀態(tài)以上和以下，兩者具有多方面的互補性。在此基礎上，將動力系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成，構成正逆耦合循環(huán)，即制冷系統(tǒng)的高溫換熱器充當動力系統(tǒng)的低溫熱源，而動力系統(tǒng)的排熱充當制冷系統(tǒng)的高溫驅動熱源，兩種系統(tǒng)的有效整合可大幅度提高聯(lián)產系統(tǒng)的性能。??



（3）熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合??



高溫燃料電池
等新型動力系統(tǒng)，采用的不是傳統(tǒng)意義上的熱力循環(huán)。若把它們和傳統(tǒng)熱力循環(huán)耦合，則可以充分體現(xiàn)燃料的化學能與物理能綜合梯級利用，將可以達到更高的能源利用率。燃料電池
可以單獨作為聯(lián)產系統(tǒng)的動力子系統(tǒng)，也可以與傳統(tǒng)熱機（如燃氣輪機、內燃機等）共同構成復合動力子系統(tǒng)。單獨作為動力子系統(tǒng)時，燃料的化學能在燃料電池
中直接轉換為電，未轉化部分可在余熱鍋爐、余熱型機組等熱量回收裝置中通過二次燃燒轉化為熱能，然后與來自燃料電池的高溫熱能混合，再到制冷子系統(tǒng)、供熱子系統(tǒng)對其進行梯級利用。在由復合動力子系統(tǒng)驅動的聯(lián)產系統(tǒng)中，未被燃料電池有效利用的化學能在后面流程的熱機中燃燒轉化為熱能，再與上游的高溫熱能混合共同進行熱功轉換，最后用于制冷、供熱。與傳統(tǒng)熱機構成的聯(lián)產系統(tǒng)相比，這種熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合的聯(lián)產系統(tǒng)增加了對化學能的直接利用，降低了燃料利用過程中的品位損失。??



（4）中低溫熱能與燃料轉換反應集成??



在CCHP系統(tǒng)集成時，可利用合適的熱化學反應（例如重整或熱解）對燃料進行預處理，而且該過程可與尾部的熱力系統(tǒng)整合在一起。對燃料進行的熱化學預處理，可將較低品位的熱能轉化為合成氣燃料的化學能，以合成氣燃料的形式儲存，然后通過合適的熱機實現(xiàn)其熱轉功。燃料化學能，如甲烷或甲醇
的化學能可以通過水蒸氣重整反應轉化為氫氣的化學能，將反應吸收的熱能轉變?yōu)楹铣蓺馊剂系幕瘜W能。上述過程在使熱能品位得到大幅提升的同時，還使燃料更清潔、更易于利用，同時熱值也得到增加。這種集成方式顯著提高了整個聯(lián)產系統(tǒng)的熱力學性能，同時為高效利用太陽能
或系統(tǒng)中的中溫和低溫余熱提供了新途徑。??



2.能源、資源與環(huán)境的綜合互補??



（1）多能源互補??



可再生能源具有分布廣、能量密度低、不穩(wěn)定、無污染等特點，而化石能源則具有分布不均勻、能的品位高、可連續(xù)供應、有污染等特點。因此，太陽能
、地熱能
、生物質能
等可再生能源與化石能源有很強的互補性，可再生能源在CCHP系統(tǒng)中有廣泛的應用前景，化石燃料與可再生能源形成互補的CCHP系統(tǒng)。通過太陽能
與化石燃料的互補，提供合適溫度的熱能，既可以減少化石能源的消耗量，又可以使集熱器具有較高的集熱效率。由于地質條件的差異，根據(jù)不同地區(qū)可以提供的地熱能
溫度，將地熱能
導入聯(lián)產系統(tǒng)。生物質能
與化石燃料也可一起構成雙燃料系統(tǒng)，通過生物質的氣化或直接燃燒利用，可以減少聯(lián)產系統(tǒng)對化石燃料的消耗。??



（2）燃料能源與環(huán)境能源整合??



CCHP系統(tǒng)與外界存在物質和能量的交換，而它的中溫和低溫熱能利用子系統(tǒng)與外界進行的交換主要是熱能交換。在進行系統(tǒng)設計配置時，應根據(jù)當?shù)鼐唧w的技術、經濟、環(huán)境條件，盡可能結合周圍的環(huán)境熱源進行統(tǒng)籌安排。環(huán)境熱源通常是指系統(tǒng)附近的環(huán)境水熱源和空氣熱源。用吸收式熱泵替代簡單的余熱鍋爐，使環(huán)境熱源的溫度提升到可以利用的水平，大幅度提高中品位熱能的利用效果。也可以有效利用環(huán)境作為冷阱，起到改善聯(lián)產系統(tǒng)效率的作用。城市中水和污水溫度相對空氣溫度較高，而且較地表水穩(wěn)定，具有比較好的可用性。??



3.基于全工況特性的聯(lián)產系統(tǒng)集成原則??



變工況一般會使聯(lián)產系統(tǒng)的性能降低，而偏離設計工況越遠，聯(lián)產系統(tǒng)性能下降得越明顯。為了緩解變工況運行對聯(lián)產系統(tǒng)性能的負面影響，應在聯(lián)產系統(tǒng)集成時考慮基于全工況特性的系統(tǒng)集成原則與必要的相應措施。??



（1）輸出能量比例可調的集成措施??



CCHP系統(tǒng)面向的是小范圍的用戶，其冷、熱、電負荷通常存在較強的動態(tài)性，相應聯(lián)產系統(tǒng)輸出需要進行調整?？梢愿鶕?jù)用戶能源需求的變化情況，采取措施調節(jié)不同子系統(tǒng)的能源輸入量，進而控制不同子系統(tǒng)的輸出，使系統(tǒng)的輸出可以滿足用戶的需求，則聯(lián)產系統(tǒng)的全工況性能將得到明顯改善。例如采用燃氣輪機注蒸汽（STIG）技術將余熱產生的蒸汽部分返回到燃氣輪機中做功，通過改變回注蒸汽量來調節(jié)系統(tǒng)冷熱負荷與電負荷之間的比例，進而改善聯(lián)產系統(tǒng)的全工況性能。也可以采用可調回熱循環(huán)的聯(lián)產系統(tǒng)集成措施。可調回熱循環(huán)燃氣輪機透平出口的高溫燃氣分成兩股，一股燃氣進入回熱器，回收熱能用于預熱壓氣機出口的空氣；另一股燃氣被直接引到回熱器的燃氣出口側，與回熱器出口的燃氣重新混合，然后共同進入余熱鍋爐。最后，系統(tǒng)尾部的余熱鍋爐回收排氣中的余熱，用于供熱或制冷。可根據(jù)用戶的需求對通過回熱器的煙氣量進行調整，能增強聯(lián)產系統(tǒng)的負荷應變能力，大大改善系統(tǒng)的全工況性能。?



（2）采用蓄能調節(jié)手段的聯(lián)產系統(tǒng)集成??



一般說來，小型供能系統(tǒng)在能量供應和需求之間通常存在差異。產生差異的情況可分為兩種，一種是由能量需求變化引起的，即存在高峰負荷問題，使用蓄能系統(tǒng)可以在負荷超出供應時，起到調節(jié)或者緩沖的作用；另一種是由供應側引起的，外界的供應量超過需求量時。蓄能系統(tǒng)就擔負著保持能量供應均衡的任務。蓄能不但可以削減能量輸出量的負荷高峰，還可以填補輸出量的負荷低谷。在CCHP系統(tǒng)中配置的蓄能系統(tǒng)的作用還可以強化。可以利用蓄能實現(xiàn)平衡峰谷和增效節(jié)能雙重目的。通常，應對用戶側的部分負荷需求時，供能設備效率會明顯下降。但是，機組若能與蓄能設備配合，可以確保機組始終在高效率的額定工況下運行，多出的輸出儲存于蓄能裝置中，而在用戶側的尖峰負荷時，蓄能裝置釋放出蓄存的能量。因此，集成蓄能的CCHP系統(tǒng)既能滿足負荷動態(tài)變化，又能保持聯(lián)產系統(tǒng)全工況高效運行，是一種“主動”型能源轉換與利用模式。??



（3）系統(tǒng)配置與運行優(yōu)化的系統(tǒng)集成??



為適應用戶負荷的變化，CCHP系統(tǒng)通常使用常規(guī)分產系統(tǒng)作為補充，合理整合兩種系統(tǒng)有利于提高用戶能量供應的可靠性，但需要仔細考慮系統(tǒng)的容量和運行方式。為此，可以采用多種系統(tǒng)配置與運行優(yōu)化模式。??



1）多個獨立小規(guī)模聯(lián)產系統(tǒng)的優(yōu)化組合??



當用戶的需求開始下降時，各個獨立的小系統(tǒng)可以依次降負荷，直至全部停運，也就是說，能夠始終保證同一時間內最多只有一個獨立系統(tǒng)處于部分負荷狀態(tài)，而其他投運的系統(tǒng)均處于滿負荷狀態(tài)，可以有效地改善整個能量供應系統(tǒng)的性能。??



2）部分常規(guī)系統(tǒng)與聯(lián)產系統(tǒng)的優(yōu)化整合??



當用戶負荷需求與聯(lián)產系統(tǒng)的設計工況偏差較小時，分產系統(tǒng)可以不運行；在偏差較大時，聯(lián)產系統(tǒng)單獨運行效率不高，則在滿足聯(lián)產系統(tǒng)高效運行前提下，采用分產系統(tǒng)或分產、聯(lián)產系統(tǒng)聯(lián)合運行，使整個能源供應系統(tǒng)的全工況性能盡可能達到最佳配置。??



3）與網電配合的優(yōu)化運行模式??



通過優(yōu)化配合，既可以降低聯(lián)產系統(tǒng)的容量，節(jié)省建設成本，也可以有效利用常規(guī)系統(tǒng)的資源，減少整個系統(tǒng)的運行成本，同時還可以通過聯(lián)產系統(tǒng)調峰作用，改善常規(guī)電力系統(tǒng)的性能。??



4.結語??



到目前為止，CCHP系統(tǒng)的集成水平可概括為三個層次：第一層次代表了聯(lián)產系統(tǒng)發(fā)展初期的水平，主要是實現(xiàn)了常規(guī)動力技術與余熱利用技術的簡單集成，但存在余熱利用不充分、吸收式制冷系統(tǒng)的補燃量過大、電壓縮式系統(tǒng)的份額過大等問題，相對節(jié)能率在5%～10%；第二個層次的相對節(jié)能率達到10%～20%，主要是由于動力與中溫余熱利用構成了較好的梯級利用，目前實施的多數(shù)CCHP系統(tǒng)可以達到這一水平；第三個層次仍處于發(fā)展中，它仔細考慮用戶不同冷、熱需求的具體要求，采用最佳的優(yōu)化控制方式使每種需求均得到滿足，用戶的需求與系統(tǒng)的供應緊密耦合，系統(tǒng)的集成程度顯著增加，能的梯級利用程度進一步深化。第三代系統(tǒng)的相對節(jié)能率將達到20%～30%，是CCHP系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，系統(tǒng)集成是新一代CCHP系統(tǒng)的關鍵技術。