天然氣分布式能源站蓄冷方案研究及應(yīng)用

王學(xué)勤，江婷，徐靜靜，鄧亞男，胡永鋒

(1.中國華電集團(tuán)有限公司上海公司，上海 200126； 2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貼近用戶、溫度對口、梯級利用的天然氣分布式能源系統(tǒng)得到大力發(fā)展。天然氣分布式能源系統(tǒng)按類型可分為樓宇型分布式能源系統(tǒng)與區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)，典型用戶包括工業(yè)園區(qū)、酒店、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)綜合區(qū)等。由于主機(jī)類型及系統(tǒng)配置不同，樓宇型與區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用效率有所不同。目前，樓宇型分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用效率最高可達(dá)88%左右，區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)最高可達(dá)85%左右。然而，由于天然氣分布式能源系統(tǒng)用戶復(fù)雜，負(fù)荷波動(dòng)大，設(shè)計(jì)階段對冷熱電負(fù)荷預(yù)測分析偏理想化，系統(tǒng)裝機(jī)配置普遍偏大，從而導(dǎo)致天然氣分布式項(xiàng)目投產(chǎn)后的運(yùn)行效率低于設(shè)計(jì)效率，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較難達(dá)到設(shè)計(jì)水平[1]，因此關(guān)于天然氣分布式能源裝機(jī)配置以及運(yùn)行模式的探討則顯得至關(guān)重要。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組大多數(shù)工況下高負(fù)荷運(yùn)行，天然氣分布式能源系統(tǒng)一般遵循“以冷(熱)定電，欠匹配”的設(shè)計(jì)原則，冷(熱)負(fù)荷由基本負(fù)荷和峰值負(fù)荷組成。為了提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，基本負(fù)荷由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)(內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))的余熱利用設(shè)備供給，余熱設(shè)備通常為溴化鋰機(jī)組或余熱鍋爐。峰值負(fù)荷由調(diào)峰設(shè)備供給，通常為離心式制冷機(jī)組、燃?xì)忮仩t或蓄能(蓄冷、蓄熱)裝置[2-3]。由于蓄能系統(tǒng)具有很好的削峰填谷、平衡負(fù)荷的作用，在分布式能源站中配置一定規(guī)模的蓄能系統(tǒng)，不僅能夠優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行策略，還可提高能源站的經(jīng)濟(jì)性[4]。本文以上海某樓宇型分布式能源站為例，對比分析了采用冰蓄冷系統(tǒng)和水蓄冷系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行模式的差別，并進(jìn)行了2種蓄冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的對比。

1 蓄冷技術(shù)介紹

蓄冷技術(shù)在天然氣分布式能源站的應(yīng)用，可充分利用電網(wǎng)低谷時(shí)段的低價(jià)電能，在夜間電網(wǎng)低谷及空調(diào)負(fù)荷低谷時(shí)間，制冷主機(jī)開機(jī)制冷并由蓄冷設(shè)備將冷量儲存起來。待白天電網(wǎng)高峰用電及空調(diào)負(fù)荷高峰時(shí)，再將冷量釋放出來滿足高峰空調(diào)負(fù)荷的需要。這樣不僅有利于平衡電網(wǎng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)移峰填谷，緩解電力的供需矛盾，而且節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。在主機(jī)出現(xiàn)故障或系統(tǒng)斷電的情況下，蓄冷系統(tǒng)作為備用應(yīng)急恒定冷源，提高了供能可靠性，既獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，又提高了供能的安全性。

常用蓄冷系統(tǒng)一般有冰蓄冷和水蓄冷2種，水蓄冷系統(tǒng)指利用水的顯熱實(shí)現(xiàn)冷量的儲存，冰蓄冷系統(tǒng)指利用冰的融化潛熱儲存冷量。

冰蓄冷空調(diào)是利用夜間低谷負(fù)荷電力制冰儲存在蓄冰裝置中，白天融冰將所儲存冷量釋放出來，減少電網(wǎng)高峰時(shí)段空調(diào)用電負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量。由于冰蓄冷主要利用冰的相變潛熱進(jìn)行冷量的儲存，冰的溶解潛熱為335 kJ/kg，在常規(guī)空調(diào)7～12 ℃的水溫使用范圍，其蓄冷量可達(dá)386 kJ/kg，是利用水的顯熱蓄冷的17倍。因此，與水蓄冷相比，儲存同樣多的冷量，冰蓄冷所需的體積將比水蓄冷所需的體積小得多。近年來，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)低溫送風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了冰蓄冷技術(shù)的發(fā)展。

冰蓄冷系統(tǒng)制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷計(jì)算公式為[5]

式中：φ為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，kW；i為時(shí)間變量；φi為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的逐時(shí)冷負(fù)荷，kW；c為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)蓄冰時(shí)制冷能力的變化率；t1為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在蓄冰模式下的運(yùn)行時(shí)間，h；t2為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在供冷模式下的運(yùn)行時(shí)間，h。

水蓄冷技術(shù)利用水的顯熱變化，隨著水溫的升高，其密度在不斷減小，如果不受外力擾動(dòng)，一般容易形成冷水在下熱水在上的自然分層狀態(tài)，但水在4 ℃以下時(shí)，隨著水溫的降低，其密度卻在不斷減小。因而水蓄冷水溫可利用的下限為≥4 ℃，在4～14 ℃溫度段內(nèi)為宜。一般的水蓄冷技術(shù)是在電力負(fù)荷低的夜間，用電冷機(jī)制冷將冷量以冷水的形式儲存起來。在電力高峰期的白天，不開或少開冷機(jī)，充分利用夜間儲存的冷量進(jìn)行供冷，從而達(dá)到電力移峰填谷的目的。應(yīng)用在分布式能源領(lǐng)域的水蓄冷技術(shù)則是在冷量負(fù)荷低的時(shí)段將溴化鋰吸收式制冷機(jī)制取的多余的冷量存儲起來，在冷量負(fù)荷高的時(shí)段將蓄冷罐中的冷量釋放出來，這樣做一方面起到冷量削峰填谷的目的，減少了電力高峰時(shí)段電制冷機(jī)耗電量，節(jié)約運(yùn)行成本。另一方面保證各個(gè)時(shí)間段主機(jī)的高負(fù)荷運(yùn)行，提高整個(gè)系統(tǒng)能源利用效率。因此，分布式能源結(jié)合水蓄冷系統(tǒng)能大大提高系統(tǒng)的綜合利用效率，更容易適應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)。

蓄冷水箱的容積按如下公式[6]計(jì)算

式中：Qc為蓄冷量，kW·h；Δt為釋能回水溫度與蓄能進(jìn)水溫度間的溫差，℃；ρ為水的密度，取值為1 000 kg/m3；cp為水的比熱容，取值為4.187 kJ/(kg·℃)；δT為蓄能水箱的完善度，考慮混合和斜溫層等因素的影響，一般取值為85%～90%；δv為蓄能水箱的體積利用率，考慮布水器的布置和蓄能水箱內(nèi)其他不可用空間等的影響，一般取值為95%。

2 蓄冷方案介紹

本文以上海某樓宇型分布式能源站為依托，結(jié)合設(shè)計(jì)日冷負(fù)荷逐時(shí)曲線，對冰蓄冷系統(tǒng)與水蓄冷系統(tǒng)2種不同的蓄冷方式進(jìn)行了分析。上海某樓宇型分布式能源站8月設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷如圖1所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)日負(fù)荷波動(dòng)較大，在供冷工況下，以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)及余熱溴化鋰機(jī)組滿足基本冷負(fù)荷為原則，機(jī)組數(shù)量保持不變，若以滿足最大時(shí)刻的冷負(fù)荷配置制冷機(jī)組，則制冷機(jī)組大部分時(shí)間將處于閑置或低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，不利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，若考慮加入蓄能系統(tǒng)，則可以有效減少離心式電制冷機(jī)組的配置容量，進(jìn)而可以降低投資，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)負(fù)荷情況，在滿足用戶最大冷負(fù)荷的前提下，結(jié)合不同的調(diào)峰和蓄冷設(shè)備提出了2種調(diào)峰系統(tǒng)配置方案，分別為冰蓄冷方案(方案1)和水蓄冷方案(方案2)，2種方案系統(tǒng)配置見表1。

圖1 8月設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷

方案設(shè)備臺數(shù)規(guī)格方案1燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)84035kW吸收式溴化鋰吸收式冷水機(jī)組8制冷量:3490kW,冷卻水溫度:32/38℃,冷凍水溫度:6/15.6℃小離心式冷水機(jī)組2制冷量:3164kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃大離心式冷水機(jī)組4制冷量:6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃離心式雙工況冷水機(jī)組4空調(diào)工況:制冷量6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,乙二醇溫度:8/13.5℃制冰工況:制冷量4115kW,冷卻水溫度:30.5/35.5℃,乙二醇溫度:-5.6/-2.1℃方案2燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)84035吸收式溴化鋰吸收式冷水機(jī)組8制冷量:3490kW,冷卻水溫度:32/38℃,冷凍水溫度:6/15.6℃小離心式冷水機(jī)組2制冷量:3164kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃大離心式冷水機(jī)組6制冷量:6328kW,冷卻水溫度:32/37℃,冷凍水溫度:6/15.6℃蓄冷水罐2凈空:直徑20m,高19m蓄冷量:64MW·h

注：表內(nèi)只給出了系統(tǒng)配置的主要設(shè)備，泵等輔助設(shè)備并未列入其中。

由表1可以看出，冰蓄冷系統(tǒng)配置了2臺制冷量為3 164 kW的小離心式冷水機(jī)組、6臺制冷量為6 328 kW的大離心式冷水機(jī)組和4臺離心式雙工況冷水機(jī)組。水蓄冷系統(tǒng)則配置了2臺制冷量為3 164 kW的小離心式冷水機(jī)組、6臺制冷量為6 328 kW的大離心式冷水機(jī)組和2個(gè)蓄冷水罐，蓄冷體積共計(jì)12 000 m3左右。2種方案的供冷總裝機(jī)容量均為84 MW。

采用冰蓄冷方案時(shí)，離心式雙工況冷水機(jī)組在低谷電期間內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行制冰，制取的冷量儲存在蓄冰裝置中，白天峰電期間，采用外融冰串聯(lián)回路聯(lián)合供冷的工況下，開啟制冷機(jī)組供冷，不足部分由融冰供冷來滿足，通過各自板式換熱器和冷凍水進(jìn)行熱交換，串聯(lián)降溫，滿足供冷需求，蓄冰最大供冷量根據(jù)白天對負(fù)荷的需求與離心式冷水機(jī)組、雙工況冷水機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)供給。

采用水蓄冷方案時(shí)，在冷負(fù)荷低的夜間，將溴化鋰吸收式制冷機(jī)制取的冷水存儲在蓄水罐中，在白天峰電期間，聯(lián)合溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組與離心式冷水機(jī)組協(xié)調(diào)供冷，滿足供冷的需求。

3 方案運(yùn)行模式分析

本文根據(jù)上海某樓宇式分布式能源站所需求的負(fù)荷總量及負(fù)荷逐時(shí)變化情況，結(jié)合不同的調(diào)峰和蓄冷設(shè)備設(shè)計(jì)2種機(jī)組配置方案。這2種方案均能滿足園區(qū)內(nèi)的負(fù)荷要求，為保證最大限度的利用余熱，則通過調(diào)整運(yùn)行方式來達(dá)到不同的負(fù)荷需求。通常在能源站裝機(jī)選型時(shí)，根據(jù)全年12個(gè)月的冷熱負(fù)荷逐時(shí)曲線進(jìn)行配置和分析，最終匯總得出機(jī)組的運(yùn)行模式。本文重點(diǎn)針對不同蓄冷系統(tǒng)的應(yīng)用分析，文章僅選擇夏季8月份和過渡季4月份的運(yùn)行模式進(jìn)行介紹分析。

3.1 夏季8月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式分析

冰蓄冷方案夏季8月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式如圖2所示，從圖中可以看出24:00—6:00，由離心式雙工況冷水機(jī)組開啟蓄冷模式，此時(shí)屬于低谷電時(shí)期，供冷負(fù)荷由離心式冷水機(jī)組供冷。07:00—22:00，開啟內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰主機(jī)，07:00—10:00，由溴化鋰主機(jī)和蓄冰槽協(xié)同供冷，隨著冷負(fù)荷需求加大，10:00—22:00，由溴化鋰主機(jī)、離心式冷水機(jī)組、雙工況冷水機(jī)組以及蓄冰槽融冰協(xié)同供冷。

圖2 冰蓄冷方案夏季8月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式

水蓄冷方案夏季8月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式如圖3所示，從圖中可以看出與冰蓄冷系統(tǒng)不同的是，內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰主機(jī)在01:00—24:00均開啟， 24:00—06:00，溴化鋰主機(jī)供冷之余，同時(shí)將溴化鋰主機(jī)產(chǎn)生的部分冷水儲存到蓄冷罐中，同時(shí)開啟1臺小離心式冷水機(jī)組調(diào)節(jié)供冷。10:00—22:00，由溴化鋰主機(jī)，離心式冷水機(jī)組、蓄冷罐協(xié)同供冷。水蓄冷方案較冰蓄冷方案溴化鋰主機(jī)開啟時(shí)間長，最大開啟臺數(shù)均為8臺，因此內(nèi)燃機(jī)開啟時(shí)間相應(yīng)較長，系統(tǒng)發(fā)電小時(shí)數(shù)提高。

圖3 水蓄冷方案夏季8月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式

3.2 過渡季4月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式分析

上海某樓宇型分布式能源站過渡季4月設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷如圖4所示，可以看出負(fù)荷在1 d之內(nèi)變化較大。

圖4 4月設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷

表2 2種方案指標(biāo)

冰蓄冷方案過渡季4月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式如圖5所示，在過渡季，23:00—5:00系統(tǒng)開啟蓄冰模式，此時(shí)間段內(nèi)的冷負(fù)荷由離心式冷水機(jī)組提供，07:00—22:00，開啟融冰供冷模式，09:00—22:00，開啟溴化鋰主機(jī)供能模式，13:00—19:00，同時(shí)開啟4臺溴化鋰機(jī)組。

圖5 冰蓄冷方案過渡季4月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式

水蓄冷方案過渡季4月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式如圖6所示，從圖中可以看出，與冰蓄冷工況不同，09:00—24:00，01:00—05:00，溴化鋰主機(jī)均開啟，23:00—05:00，將溴化鋰主機(jī)制取的冷水存儲在蓄冷罐中，07:00—22:00釋放出來。01:00—05:00冷負(fù)荷則開啟1臺小離心式冷水機(jī)組利用廠用電供冷。對比2種方案過渡季設(shè)計(jì)日供冷模式可知，水蓄冷方案采用余熱蓄冷，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電小時(shí)數(shù)較高。具體2種方案的經(jīng)濟(jì)性還得看下述經(jīng)濟(jì)性分析。

圖6 水蓄冷方案過渡季4月設(shè)計(jì)日運(yùn)行模式

4 方案經(jīng)濟(jì)性分析

冰蓄冷方案和水蓄冷方案的可行性需要綜合分析方案的經(jīng)濟(jì)性。表2給出了2種方案指標(biāo)，從表中可以看出，在裝機(jī)容量相同的情況下，水蓄冷方案比冰蓄冷方案工程動(dòng)態(tài)投資低1 273萬元。同時(shí)，由于水蓄冷方案采用的是余熱蓄冷的方式，水蓄冷方案比冰蓄冷方案每年多用775×104 m3天然氣，水蓄冷方案的年發(fā)電量和發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)比冰蓄冷方案分別高37.126 GW·h和1 090 h。不考慮調(diào)峰設(shè)備的情況下，水蓄能方案比冰蓄能方案年平均綜合利用率和節(jié)能率分別高1.93%和1.06%。在工程動(dòng)態(tài)投資方面，兩方案的投資回收期均為15年左右，相差不大。在內(nèi)部收益率相同的情況下，反算上網(wǎng)電價(jià)，水蓄冷方案比冰蓄冷方案低0.032 元/(kW·h)。綜合考慮，水蓄冷方案利用余熱蓄冷的經(jīng)濟(jì)性更好，運(yùn)行方式靈活，調(diào)節(jié)性能較好。

5 結(jié)論

本文以上海某樓宇式分布式能源站為依托，從系統(tǒng)配置、運(yùn)行模式及方案經(jīng)濟(jì)性等角度對冰蓄冷方案和水蓄冷方案進(jìn)行了對比分析。兩種蓄冷方案均能滿足用戶的負(fù)荷，投資回收期均為15年左右，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。但水蓄冷系統(tǒng)較冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)備簡單，投資造價(jià)低，同時(shí)可利用余熱型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生的多余冷量，年平均綜合利用率和節(jié)能率高，反算上網(wǎng)電價(jià)低。綜合考慮，水蓄冷方案利用余熱蓄冷的經(jīng)濟(jì)性更好，運(yùn)行方式靈活，調(diào)節(jié)性能較好。