分布式供能系統(tǒng)負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的研究

李晉超，鄭莆燕，王建剛，周志云，甘志超，盧冬冬，王喬良

(上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090)

分布式供能系統(tǒng)布置在用戶端，直接面向用戶傳輸冷、熱、電能，是小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的能源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能源的梯級綜合利用，具有能源利用率高、能源成本低、供能安全性高以及環(huán)保型好的優(yōu)點.21世紀以來，國家出臺了各種政策扶持分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展，并促進分布式供能系統(tǒng)并入國家電網(wǎng)，使其逐漸得到廣泛應(yīng)用.[1-3]

分布式供能系統(tǒng)在應(yīng)用中遇到了很多問題，實際運行情況并不是十分理想.例如，上海黃浦區(qū)中心醫(yī)院系統(tǒng)為醫(yī)院提供所需的電、冷、熱負荷，系統(tǒng)的發(fā)電能力遠高于醫(yī)院的用電負荷，而多余電力又不能上網(wǎng)，目前該系統(tǒng)已停產(chǎn)，重新使用電網(wǎng)的電力;[4]2000年建成的浦東國際機場中心系統(tǒng)在實際運行中，航飛站用戶負荷較低，機組無法長時間高負荷運行，系統(tǒng)經(jīng)濟性較差.[5]

出現(xiàn)以上問題的首要原因是用戶的需求與系統(tǒng)供能不匹配.系統(tǒng)設(shè)計是以滿足用戶的最大負荷為基本要求，而負荷是實時變化的，這就造成了供能系統(tǒng)長期處于低負荷運行的情況.因此，應(yīng)采用合理的負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，使系統(tǒng)設(shè)備或系統(tǒng)主要設(shè)備長時間維持設(shè)計工況或高負荷工況運行，才能保證實際運行中能源的高效利用.

1 靠近用戶側(cè)的負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法

目前，分布式供能系統(tǒng)中負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法應(yīng)用最多的是蓄能，根據(jù)能源種類的不同，可以有多種蓄能方式.

1.1 化學電池蓄能

蓄電池將電能轉(zhuǎn)換為正負電極的化學能存儲起來，在用電低谷時，蓄電池充電;在用電高峰時，蓄電池放電，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性.

目前，全球電池儲能總裝機容量為451 MW，占全球電力儲能總裝機容量的3.6%.德國建有8.5 MW/h的鉛酸電池系統(tǒng)，美國建有10 MW/4 h的鉛酸電池、46 MW 的鎳鎘電池和32 MW鋰電池系統(tǒng)，英國在北約新型潛艇救援系統(tǒng)中使用鎳氯電池.[6]我國在河北、上海和深圳等地也有蓄電池的項目.

1.2 物理蓄能

1.2.1 顯熱蓄能

以熱水和冷水作為蓄熱體的顯熱蓄能方式在分布式供能系統(tǒng)中應(yīng)用較多.[7-8]它是通過對蓄熱介質(zhì)加熱，使其溫度升高，內(nèi)能增加，從而將熱能儲存起來.在儲存和釋放熱能的過程中，材料只能發(fā)生溫度的變化，而不發(fā)生其他任何變化.

1.2.2 相變蓄能

物質(zhì)在相變過程中吸收或釋放熱量，該熱量被稱為相變熱或潛熱，因此相變蓄熱又稱為潛熱蓄熱.冰蓄冷是目前應(yīng)用及研究較為廣泛的一項相變蓄冷技術(shù)，在日本、美國和四大洲區(qū)域被普遍采用.僅1998年一年中，我國建成和使用冰蓄冷技術(shù)的項目就有50項.[9]

1.2.3 機械能蓄能

(1)微小型抽水蓄電 微小型抽水蓄電系統(tǒng)是利用微小型水輪機、水泵或可逆式水泵水輪機，在用電低谷時將水從低位水庫送到高位水庫，從而將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能存儲起來;在用電高峰時，水從高位水庫排放至低位水庫驅(qū)動水輪機發(fā)電，將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能.微小型抽水蓄電應(yīng)用較少，目前國內(nèi)還未有相關(guān)的示范系統(tǒng)在運行，僅中國科學院工程熱物理研究所獲得了相關(guān)的專利.[10]

(2)微小型壓縮空氣蓄電 微小型壓縮空氣蓄電的規(guī)模一般是幾千瓦到幾十千瓦級，它是利用地上高壓容器儲存和壓縮空氣的，利用低谷電將空氣壓縮存于儲氣裝置中，將電能轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能存儲;在用電高峰，高壓空氣從儲氣裝置中釋出，并驅(qū)動動力機械做功，將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能.[11]目前，德、美兩國已擁有兩座大型的壓縮空氣儲能電站，日本、瑞士、俄羅斯、法國、意大利等國家也在開展微型壓縮空氣儲能技術(shù)的相關(guān)研發(fā)工作.[12-13]國內(nèi)的中國科學院、華北電力大學等研究單位對微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱經(jīng)濟型及關(guān)鍵設(shè)備進行了深入研究，[14]中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心還搭建完成了微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范平臺.[15]

(3)飛輪蓄電 飛輪蓄能是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，在電力富裕的條件下，將電力系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換成飛輪運動的動能;而當電力系統(tǒng)電能不足時，再將飛輪運動的動能轉(zhuǎn)換成電能，供電力用戶使用.[16]飛輪蓄能技術(shù)具有很大的發(fā)展與應(yīng)用前景，荷蘭、德國和英國開展政府間合作，利用新技術(shù)開發(fā)了新式的飛輪蓄能系統(tǒng)，用于彌補傳統(tǒng)飛輪蓄能轉(zhuǎn)速緩慢、蓄能效率低的缺點.[17]通過蓄能設(shè)備的應(yīng)用，可以在用戶和供能設(shè)備之間建立緩沖系統(tǒng)，進而有效緩解二者不匹配所帶來的沖突，使供能設(shè)備盡可能工作在滿負荷或高負荷工況，提高供能設(shè)備的運行效率.

表1給出了主要蓄能技術(shù)的特點和使用情況.

表1 主要蓄能技術(shù)情況匯總

2 供能端的負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法

在簡單燃氣輪機中，在透平后布置一個回熱器，用透平排煙加熱燃燒室進口空氣，就構(gòu)成燃氣輪機回熱循環(huán)，如圖1所示.通過調(diào)節(jié)燃氣輪機出口燃氣在回熱器中被利用的程度，就可以改變微型燃氣輪機提供給下游的余熱量.以英國某公司生產(chǎn)的TG80微型燃氣輪機為例，在保持80 kW出力的前提下，通過調(diào)節(jié)回熱，可以將排煙溫度從275℃提高到615℃，供熱量從155 kW 增加到425 kW.[25]

因此，當用戶側(cè)需求負荷變化時，可以通過調(diào)節(jié)回熱器的燃氣比例，調(diào)節(jié)分布式供能系統(tǒng)的供熱量，以此來響應(yīng)用戶負荷需求變化，保證系統(tǒng)的高效運行.[26]

圖1 有回熱器的燃氣輪機

3 對多種負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法綜合利用的討論

原動機側(cè)加入回熱器對機組的整體效率影響不大，增加回熱器中用于加熱空氣的煙氣量，可以提高機組的發(fā)電效率，但用于下游的煙氣量減少，所以降低了余熱利用的效率.例如，某80 kW的機組調(diào)節(jié)回熱，發(fā)電效率從14.10%提高到了24.28%，而熱電效率從 89.01% 降低到了71.34%.[27]若在系統(tǒng)下游加入蓄能設(shè)備，則保證了原動機出力和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定高效.而蓄能方式的選擇取決于用戶類型、用戶負荷和地理條件等實際情況.

在實際運行中，回熱器通過調(diào)節(jié)末端的排煙量和排煙溫度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)下游的余熱量，這種負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法對于負荷變化的響應(yīng)速度較慢，多用于一個較長的時間段內(nèi)，例如不同季度內(nèi)回熱的程度不同;而蓄能處于系統(tǒng)下游，用戶負荷的變化直接影響了蓄能量的大小.這種方法對于負荷變化的響應(yīng)速度較快，常常用于24 h內(nèi)即時調(diào)節(jié)系統(tǒng)適應(yīng)負荷.

目前在使用分布式供能系統(tǒng)負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法時，大都是在回熱措施和蓄能措施中選擇一種.但實際系統(tǒng)中往往不只一種負荷調(diào)節(jié)方法.以上海某大型娛樂園區(qū)的分布式供能系統(tǒng)為例，由于園區(qū)內(nèi)用戶需要冷負荷和生活熱水，且園區(qū)運行還需要壓縮空氣，因此系統(tǒng)中同時具有蓄熱、蓄冷和壓縮空氣蓄能設(shè)備.

在實際運行中，系統(tǒng)就要考慮這幾種蓄能方法同時使用的情況，如圖2所示.如果原動機有回熱器，那么還可以考慮使用回熱調(diào)節(jié)負荷的方法.這樣在整個系統(tǒng)中多種負荷調(diào)節(jié)方法同時存在，如果要實現(xiàn)負荷的有效調(diào)節(jié)和系統(tǒng)的高效運行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、參數(shù)選擇會更為復雜，上下游設(shè)備之間的運行耦合也會給優(yōu)化運行帶來更大的難度.因此，對于這樣的復雜系統(tǒng)需要深入研究，從設(shè)計到運行進行整體優(yōu)化.

圖2 多種負荷調(diào)節(jié)方法并存的系統(tǒng)示意

4 結(jié)語

分布式供能系統(tǒng)實際運行效果不理想是由于用戶需求與供能系統(tǒng)不匹配，在系統(tǒng)中使用適當?shù)呢摵蛇m應(yīng)調(diào)節(jié)方法會大大改善這種情況.本文對現(xiàn)有的幾種解決方案進行了分析，指出回熱也具有調(diào)節(jié)和適應(yīng)負荷的能力，系統(tǒng)中使用哪種方法取決于用戶需求和系統(tǒng)實際運行情況.從分布式供能系統(tǒng)的用戶負荷需求日益多樣化的情況來看，有可能多種負荷適應(yīng)調(diào)節(jié)方法共存，此時，系統(tǒng)的設(shè)計和運行狀況都很復雜，仍需要進一步的探討和研究.

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