基于建筑負(fù)荷的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能分析

李巖學(xué)，阮應(yīng)君，劉青榮

（1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092；2上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海201300）

引言

分布式供能系統(tǒng)作為一種新型的能源系統(tǒng)，主要是通過建立在用戶附近減少輸配系統(tǒng)投資和能量損失，實(shí)現(xiàn)更加靈活、可靠、高效的能源利用方式。目前，世界上許多發(fā)達(dá)國家紛紛研究和開發(fā)以天然氣為燃料的小型或微型的能源技術(shù)，高效的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)成為分布式能源系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。微型燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率為25～1000 kW［1-2］，多采用回?zé)嵫h(huán)，發(fā)電效率在30%左右，雖然單純發(fā)電效率不高，但在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)較高的能源利用率，另外因其尺寸小、質(zhì)輕、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、污染排放低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用到微小型的分布式發(fā)電系統(tǒng)［3-4］。

根據(jù)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行模式及特點(diǎn)的不同，聯(lián)供系統(tǒng)供能形式主要分為以下幾種［5-6］：基于滿足用戶熱負(fù)荷運(yùn)行，不足電量通過電網(wǎng)購電補(bǔ)充，即 “以熱定電”的模式；基于滿足用戶電負(fù)荷運(yùn)行，不足熱量由分產(chǎn)子系統(tǒng)提供，即 “以電定熱”的模式；基于用戶熱電負(fù)荷選取合理的微燃機(jī)容量，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不向外輸出電量與熱量，不足電量及熱量通過電網(wǎng)和供熱子系統(tǒng)補(bǔ)充。目前國內(nèi)一般主要通過 “以熱定電”的模式來對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，但是其前提一般需要 “并網(wǎng)且上網(wǎng)”的模式來運(yùn)行，會(huì)對(duì)公共輸配電網(wǎng)的供電穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。微型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率相對(duì)較低，采用 “以電定熱”模式運(yùn)行可能會(huì)造成冗余熱量的浪費(fèi)，影響聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性［7-8］。與傳統(tǒng)的分產(chǎn)供能方式相比，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電由原動(dòng)機(jī)同時(shí)產(chǎn)生，熱電輸出比值恒定，而用戶需求端的熱電負(fù)荷及熱電比值具有很強(qiáng)的逐時(shí)波動(dòng)性，用戶峰值負(fù)荷往往需要結(jié)合購電電網(wǎng)及分產(chǎn)系統(tǒng)共同承擔(dān)［9］。然而，目前很多研究主要集中于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)自身能耗特性［9］或大型的熱（冷）電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案［10］。微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)選取及性能往往需要結(jié)合用戶具體的熱電動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性來分析。本研究主要結(jié)合實(shí)測建筑物的用能負(fù)荷特性及原動(dòng)機(jī) （微燃機(jī)C60）熱電輸出特性，導(dǎo)入微型熱電聯(lián)產(chǎn)合理的配置方案，在用戶熱電比及購電量變化條件下從一次能源利用率、熱力學(xué)第二定律及相對(duì)節(jié)能率角度來分析評(píng)價(jià)微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的用能效果。

1 微燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 模型建立

微燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要是利用燃燒天然氣發(fā)電，提供用戶電負(fù)荷，同時(shí)對(duì)發(fā)電后高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收，承擔(dān)部分熱負(fù)荷。由于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不可能提供用戶所有熱與電負(fù)荷，目前微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由原動(dòng)機(jī)、分產(chǎn)鍋爐組成，設(shè)置鍋爐作為補(bǔ)充熱源，系統(tǒng)在 “并網(wǎng)不上網(wǎng)”的原則下運(yùn)行。為分析熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用效率及 效率，選取參照對(duì)象為傳統(tǒng)電廠供電及熱水鍋爐供暖形式，如圖1所示。

原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率、余熱回收效率、一次能源利用率及熱電比輸出可由式 （1）～式 （4）計(jì)算

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)Fig.1 CHP system

1.2 模型分析

本研究主要通過分析滿足用戶動(dòng)態(tài)熱電負(fù)荷需求，在 “并網(wǎng)不上網(wǎng)”模式下選取原動(dòng)機(jī)合理容量及運(yùn)行模式，分析微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在用戶具體熱電負(fù)荷需求下運(yùn)行的性能。

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能率可以通過下面的公式計(jì)算［11-13］

計(jì)算微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率，需要確定參照對(duì)象：目前傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率33.3%［7］；熱水鍋爐效率一般在85%～90%，選取鍋爐熱效率為88%。目前微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率集中在25%～30%，選取微燃機(jī)發(fā)電效率為27%，機(jī)組熱電比 （1／σc）為2.0 （熱效率ηth，CHP=54%），計(jì)算在用戶端不同熱電負(fù)荷比及電網(wǎng)購電比下聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率，如圖2所示。

圖2 聯(lián)產(chǎn)供能與傳統(tǒng)供能系統(tǒng)能源消耗比Fig.2 Primary energy consumption ratio for CHP in comparison with conventional system

從圖2可以看出熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能率主要與用戶熱電負(fù)荷比及電網(wǎng)購電量有關(guān)。當(dāng)用戶熱電需求比不變時(shí)，隨著電網(wǎng)購電比例的增加，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能率降低；當(dāng)用戶熱電需求比大于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中原動(dòng)機(jī)熱電產(chǎn)出比時(shí)，在一定的電網(wǎng)購電比例的條件下，隨著用戶熱電需求比的增加，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能效果隨之降低。理想工況條件下，即當(dāng)原動(dòng)機(jī)發(fā)電恰好滿足用戶電負(fù)荷需求且用戶熱電負(fù)荷比等于原動(dòng)機(jī)熱電產(chǎn)出比時(shí)，用戶導(dǎo)入微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

從圖2觀察發(fā)現(xiàn)，在極限情況下，當(dāng)用戶用電全部來自電網(wǎng) （ΔPel／Pel=1）或用戶熱電需求比趨向于無窮大 （1／σ=∞）時(shí)，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能耗與傳統(tǒng)分產(chǎn)供能系統(tǒng)一次能耗相當(dāng) （PE／PE＊=1）。從圖2可以看出，對(duì)于微燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)用戶熱電需求比 （1／σ）接近原動(dòng)機(jī)熱電產(chǎn)出比 （1／σc）且購電量相對(duì)用戶電負(fù)荷需求比例較小時(shí)，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)供能方式可體現(xiàn)出較好的節(jié)能潛力。

2 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案

2.1 建筑熱電負(fù)荷分析

為分析微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)帶來的效益，本研究選取山東地區(qū)某辦公建筑樓作為實(shí)際案例。該辦公樓高度為47.5m，建筑面積為11880m2，工作人員上下班時(shí)間為9：00～17：30，每周工作5d。供熱季為11月17日～次年4月5日。建筑能耗信息采集通過GPRS無線數(shù)據(jù)采集器記錄，監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集頻率為3～5min。用戶整個(gè)供熱季逐時(shí)熱電負(fù)荷如圖3所示。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案

圖3 實(shí)測建筑供熱季逐時(shí)熱電負(fù)荷Fig.3 Hourly measured heat and power load of building

微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)供能方式比較，原動(dòng)機(jī)工作發(fā)電的同時(shí)輸出熱量，系統(tǒng)發(fā)電量與余熱利用之間存在一定的約束關(guān)系，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合人員作息情況考慮建筑熱電逐時(shí)負(fù)荷波動(dòng)性影響。本研究分別對(duì)辦公樓供熱季工作日與非工作日逐時(shí)平均熱電負(fù)荷進(jìn)行分析，確定原動(dòng)機(jī)容量，同時(shí)結(jié)合分產(chǎn)熱水鍋爐及電網(wǎng)購電共同滿足用戶熱電負(fù)荷需求。

結(jié)合圖4和圖5反映的用戶工作日及非工作日逐時(shí)熱電負(fù)荷特性，工作日熱電負(fù)荷變化較為明顯，8：00～16：00為用戶熱電負(fù)荷需求峰值段，非工作日熱電逐時(shí)負(fù)荷需求則相對(duì)平緩。本研究選用2臺(tái)C60微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，原動(dòng)機(jī)組性能參數(shù)見表1。

圖4 工作日平均逐時(shí)熱電負(fù)荷Fig.4 Hourly average heat and power load for working days

在一定的逐時(shí)熱電需求比條件下，盡量保證電網(wǎng)購電量相對(duì)用戶電負(fù)荷需求比例較小時(shí)，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能效果較為明顯。同時(shí)考慮燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行性能較差，低負(fù)荷運(yùn)行發(fā)電效率較低，結(jié)合建筑日均逐時(shí)用能負(fù)荷，維持原動(dòng)機(jī)額定工況出力，同時(shí)保證原動(dòng)機(jī)發(fā)電及回收余熱在用戶需求端完全消耗，最終確定原動(dòng)機(jī)運(yùn)行方案如下：工作日8：00～16：00用能高峰時(shí)段兩臺(tái)原動(dòng)機(jī)同時(shí)開啟，16：00～次日8：00開啟單臺(tái)原動(dòng)機(jī)組，不足電量及熱量分別通過電網(wǎng)購電及鍋爐提供；非工作日全天只開啟單臺(tái)原動(dòng)機(jī)組，結(jié)合電網(wǎng)購電及熱水鍋爐滿足用戶的熱電需求。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)日熱電負(fù)荷構(gòu)成如圖6～圖9所示。

圖5 非工作日平均逐時(shí)熱電負(fù)荷Fig.5 Hourly average heat and power load for weekends

表1 Capstone C60技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of Capstone C60

圖6 工作日逐時(shí)電負(fù)荷構(gòu)成Fig.6 Power load composition on working day

圖7 工作日熱負(fù)荷構(gòu)成Fig.7 Heating load composition on working day

圖8 非工作日電負(fù)荷構(gòu)成Fig.8 Power load composition on weekends

圖9 非工作日熱負(fù)荷構(gòu)成Fig.9 Heating load composition on weekends

3 微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)評(píng)價(jià)

3.1 能源利用效率分析

依據(jù)式 （6）～式 （9），結(jié)合建筑供暖季日逐時(shí)熱電負(fù)荷及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行方式計(jì)算供暖季聯(lián)產(chǎn)供能方式與傳統(tǒng)供能方式的日逐時(shí)一次能源消耗比，其分布如圖10所示。其中工作日8：00～16：00時(shí)刻能耗比相對(duì)增加，主要因?yàn)橛脩魺犭娯?fù)荷比（1／σ）增加及為保證用戶電負(fù)荷需求從電網(wǎng)補(bǔ)充電量的比例有所增加。

圖10 供熱季日逐時(shí)能耗比Fig.10 Hourly primary energy consumption ratio during heating season day

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，工作日7：00時(shí)刻用戶從電網(wǎng)購電量占用戶需求比例較大，部分熱量通過分產(chǎn)鍋爐提供，用戶熱電需求比偏離原動(dòng)機(jī)熱電產(chǎn)出比例較大，聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能效果較差；非工作日8：00～20：00時(shí)段，聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能效果相對(duì)較差，主要是因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)發(fā)電所占用戶電需求比例較小，同時(shí)需鍋爐產(chǎn)熱的提供余熱量較大。

從圖11和圖12可以看出，用戶熱電負(fù)荷比主要集中在2.0～3.0之間，大于原動(dòng)機(jī)額定工況下的熱電輸出比 （1.92）。結(jié)合用戶熱電負(fù)荷構(gòu)成圖，當(dāng)用戶熱電需求比接近原動(dòng)機(jī)的熱電產(chǎn)出且從電網(wǎng)購電比例較小時(shí)，微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)體現(xiàn)出較好的節(jié)能特性，一次能源消耗約為分產(chǎn)供能能耗的0.7～0.75；用戶熱電負(fù)荷峰值時(shí)段，隨著用戶熱電需求比及電網(wǎng)購電比例的增加，聯(lián)產(chǎn)供能方式相對(duì)節(jié)能效果減弱。

由式 （6）～式 （8）分別計(jì)算供熱季工作日和非工作日傳統(tǒng)供能方式及聯(lián)產(chǎn)供能方式一次能耗，能耗信息見表2。

圖11 工作日能耗比散點(diǎn)圖Fig.11 Scatter diagram of energy consumption ratio on working day

圖12 非工作日能耗比散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter diagram of energy consumption ratio on weekends

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)同時(shí)輸出熱量與電量不同質(zhì)的能量，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，但從一次能源利用率角度分析存在一定的局限性，例如現(xiàn)代化電站鍋爐能量按熱效率計(jì)算高達(dá)90%，而 效率約為40%。微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電效率相對(duì)較低，但對(duì)輸出的低位煙氣余熱實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步利用，通過 分析可進(jìn)一步體現(xiàn)聯(lián)供系統(tǒng)的特性。

氣態(tài)燃料CaHb的化學(xué)ε可用式 （10）計(jì)算［2］

表2 供熱季日均能耗信息Table 2 Daily average energy consumption during heating season

4 結(jié) 論

通過熱力學(xué)模型對(duì)微型熱電聯(lián)產(chǎn) （micro-CHP）進(jìn)行了分析，根據(jù)目前技術(shù)水平確定微型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在 “并網(wǎng)不上網(wǎng)”條件下運(yùn)行，不向外界輸出熱量與電量，選取參照對(duì)象分析微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的供能特性，并在用戶具體用能條件下通過向建筑辦公樓導(dǎo)入微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析其熱力性能，得到以下結(jié)論。

（1）微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能潛力主要與微燃機(jī)的熱電輸出特性及用戶熱電需求有關(guān)，在原動(dòng)機(jī)熱電產(chǎn)出比接近用戶熱電負(fù)荷比及電網(wǎng)購電比例較小的情況下微型熱電聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)體現(xiàn)出較好的節(jié)能潛力。

（2）結(jié)合辦公建筑的實(shí)測供熱季度負(fù)荷，通過分析其日逐時(shí)用能情況導(dǎo)入微型熱電聯(lián)產(chǎn)方案，計(jì)算日逐時(shí)一次能耗為傳統(tǒng)供能能耗的0.720～0.825，供熱季工作日、非工作日聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)日均節(jié)能率分別為23.16%、22.76%。

（3）微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)同時(shí)不同質(zhì)的電能與熱能，通過原動(dòng)機(jī)組低品位煙氣余熱的回收再利用，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，計(jì)算C60原動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的 效率可達(dá)48.06%。

符號(hào)說明

cp——煙氣比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1

Eex1——煙氣通過換熱器前的 ，kW

Eex2——煙氣通過換熱器后的 ，kW

m——煙氣質(zhì)量流量，kg·s-1

mfuel——燃料質(zhì)量流量，kg·s-1

Pc——原動(dòng)機(jī)一次能源消耗，kW

Pel——用戶側(cè)電負(fù)荷，kW

Pel，CHP——聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量，kW

ΔPel——用戶從電網(wǎng)購得電量，kW

PE——聯(lián)供系統(tǒng)總能耗，kW·h

PEB——分產(chǎn)鍋爐一次能耗，kW·h

PEc——聯(lián)產(chǎn)原動(dòng)機(jī)一次能耗，kW·h

PEp——聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中購電能耗，kW·h

PE＊——分產(chǎn)系統(tǒng)總能耗，kW·h

QB——用戶側(cè)熱負(fù)荷，kW

Qex——熱量 ，kW

Qth，CHP——聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)熱量，kW

Tg——煙氣溫度，℃

T0——環(huán)境溫度，℃ε——化學(xué) ，kW

ηB——熱水鍋爐效率，%

ηc——聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一次能源利用率，%

ηel——傳統(tǒng)電廠發(fā)電效率，%

ηel，CHP——原動(dòng)機(jī)發(fā)電效率，%

ηth，CHP——原動(dòng)機(jī)熱效率，%

σ——用戶電負(fù)荷與熱負(fù)荷比值

σ

c——機(jī)組發(fā)電量與產(chǎn)熱量比值

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