基于中小型工廠能耗需求的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

基于中小型工廠能耗需求的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

陳凱亮，鄭啟朋，黃徐康，黃思雨

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

基于現(xiàn)有的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，以節(jié)能減排為理念，綜合分析中小型工廠的動(dòng)態(tài)能耗需求與其所在地的工業(yè)能源供應(yīng)情況之后，設(shè)計(jì)了一套動(dòng)態(tài)可調(diào)的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行前，根據(jù)不同的工況給系統(tǒng)預(yù)設(shè)不同的控制量；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)PLC接收和處理各傳感器的反饋信息，控制各預(yù)設(shè)輸入穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工廠能耗需求的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)控制燃料的供給量，使得系統(tǒng)設(shè)備的能耗最低。

冷熱電三聯(lián)供；多級(jí)利用；動(dòng)態(tài)可調(diào)；節(jié)能減排

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)得到迅速發(fā)展，化石能源消耗量急速攀升。2015年，我國(guó)能源消耗占全球總量23%，是世界上最大的能源消耗國(guó)。其中，煤炭消耗量為39.65億噸，占世界煤炭消耗量的一半，在我國(guó)能源消耗結(jié)構(gòu)的比重達(dá)到64%，遠(yuǎn)高于世界煤炭平均水平30%。另外，近年來(lái)我國(guó)霧霾頻發(fā)，根據(jù)環(huán)保部解析霧霾的根本原因是燃煤排放。因此，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排已成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。

1 冷熱電三聯(lián)供背景介紹

當(dāng)前絕大部分工廠的能耗主要是電、熱和冷三種形式，其中熱和電基本都是獨(dú)立供應(yīng)，冷一般也是用電制取。為了降低能耗成本，熱能（供暖、蒸汽和熱水）基本采用工業(yè)燃煤鍋爐制取，但是鍋爐在實(shí)際使用中排塵大，容易引起霧霾，且煤的含硫量高，對(duì)大氣污染嚴(yán)重。冷、熱和電采用上述利用方式，都屬于高品質(zhì)能源的一級(jí)利用，使能源總體使用效率低。為了提高能源的利用效率，發(fā)達(dá)國(guó)家大力推廣分布式能源，采用冷熱電三聯(lián)供技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能源的梯度、高效利用。我國(guó)也采用三聯(lián)供分布式能源可以將不同品質(zhì)的能源階梯利用，能源的使用效率得到大幅提高。

目前三聯(lián)供能源供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱效率較高，但能源需求側(cè)能耗時(shí)常變化，造成供需不匹配，其實(shí)際使用熱效率并不高。目前，三聯(lián)供系統(tǒng)在我國(guó)多用于大型能耗企業(yè)和工廠，而針對(duì)中小型工廠的三聯(lián)供系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用地較少。天然氣是清潔燃料，排放污染物少，可以有效地降低顆粒排放量，有助于減輕霧霾天氣。因此，近年來(lái)我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)并大力推廣“煤改氣”的相關(guān)政策，嚴(yán)格實(shí)行排放法規(guī)，使得中小工廠不得不接受“煤改氣”。如此，大幅增加了中小型工廠的能耗成本。本課題調(diào)研和分析了某粉條廠的工作情況及能耗需求，并以該廠為例研究設(shè)計(jì)一套高效率的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。通過(guò)使用設(shè)計(jì)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)來(lái)降低該工廠的能耗使用成本，同時(shí)達(dá)到環(huán)保要求。課題符合國(guó)家節(jié)能減排、煤改氣、分布式能源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展等政策導(dǎo)向。

2 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)介紹

2.1 三聯(lián)供系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，天然氣作為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃料，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能與外部電網(wǎng)配合供電。內(nèi)燃機(jī)的缸套水與蓄水池中輸送進(jìn)來(lái)的常溫水經(jīng)換熱器進(jìn)行熱交換可得到中溫?zé)崴?，中溫水可作為燃?xì)忮仩t的預(yù)熱水源制取蒸汽，也可供給生活熱水。中溫水與內(nèi)燃機(jī)排出的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)煙氣換熱器對(duì)預(yù)熱水源進(jìn)行二次預(yù)熱，之后再經(jīng)燃?xì)忮仩t加熱快速制取蒸汽。通過(guò)蒸汽發(fā)生器后，高溫?zé)煔庾優(yōu)橹袦責(zé)煔?，中溫?zé)煔獾牟糠譄崮苋钥杀讳寤囄帐街评錂C(jī)利用制取所需冷氣，若制冷量不足，則通過(guò)以電制冷滿足用戶冷氣需求。通過(guò)溴化鋰吸收式制冷機(jī)后的低溫?zé)煔庵饕煞譃樗投趸?，可直接排放到大氣中?/p>

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)組成及工作原理

2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可調(diào)性設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)控原理

（1）內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷可調(diào)。內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供應(yīng)生產(chǎn)用電；生產(chǎn)用電的負(fù)荷變化會(huì)引起干路電流變化，電流傳感器反饋電信號(hào)給PLC，PLC控制電子節(jié)氣門的開(kāi)度，來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入的空氣量，內(nèi)燃機(jī)排氣管中的氧傳感器則會(huì)探測(cè)出混合氣濃度變化，內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的ECU（控制單元）就會(huì)改變?nèi)細(xì)鈬娚淞浚M(jìn)而會(huì)改變內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率。功率的變化會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速傳感器感知內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速變化，將信號(hào)反饋給調(diào)速器保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定（即保證發(fā)電的頻率恒定），直到發(fā)電機(jī)功率與其負(fù)載功率持平，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）燃?xì)忮仩t所用燃?xì)饬髁靠烧{(diào)。流量計(jì)2與溫度傳感器將信號(hào)反饋到PLC，PLC結(jié)合溫度傳感器檢測(cè)的水溫與流量計(jì)2測(cè)定的供給水量，通過(guò)電動(dòng)閥門3控制通入燃?xì)忮仩t的天然氣流量，以保證制取足夠的蒸汽。

（3）燃?xì)忮仩t產(chǎn)生蒸汽量可調(diào)。熱水保溫箱中的中溫水通過(guò)煙氣換熱器吸收高溫?zé)煔獾牟糠譄崮埽唤?jīng)熱交換后的高溫水直接供給燃?xì)忮仩t制取蒸汽。針對(duì)不同工況下所需蒸汽量，可設(shè)定不同的供給水量。由流量計(jì)2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供給水量，反饋流量信號(hào)給PLC；PLC控制電動(dòng)閥門2保證所需水量充足、穩(wěn)定。

2.3 幾種基本能源配置及控制流程

配置1：電力、蒸汽、冷氣均需供應(yīng)。

內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t及制冷機(jī)組均開(kāi)機(jī)。電動(dòng)閥門3、4打開(kāi)，天然氣經(jīng)管道進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)及燃?xì)忮仩t。KM1打開(kāi)、KM2閉合、KM3閉合，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)供應(yīng)生產(chǎn)用電。水泵1工作，內(nèi)燃機(jī)的缸套水與從蓄水池中輸送進(jìn)來(lái)的常溫水進(jìn)行熱交換，流量計(jì)1與電動(dòng)閥門1控制水流量（根據(jù)生活用水量及蒸汽水量預(yù)先設(shè)定）穩(wěn)定輸入，加熱后常溫水變?yōu)橹袦厮斔椭翢崴叵洹Ｋ?工作，高溫?zé)煔饨?jīng)換向閥通入煙氣換熱器，中溫水通過(guò)煙氣換熱器二次預(yù)熱變?yōu)楦邷厮?，由流量?jì)2與電動(dòng)閥門2控制水流量（根據(jù)蒸汽水量預(yù)先設(shè)定）穩(wěn)定輸入，高溫水通入燃?xì)忮仩t，經(jīng)鍋爐加熱快速制取蒸汽。煙氣換熱器排出的中溫?zé)煔馔ㄈ脘寤囄帐街评錂C(jī)組中，制冷機(jī)組吸收中溫?zé)煔獾牟糠譄崮苤迫∷枥錃?，若冷氣量不足，則KM4閉合，由壓縮機(jī)制冷補(bǔ)充冷量。

配置2：不需蒸汽供應(yīng)而需要電力、冷氣供應(yīng)，則應(yīng)綜合考慮工業(yè)用電經(jīng)濟(jì)性選擇以下兩種方案之一。①內(nèi)燃機(jī)、制冷機(jī)組開(kāi)機(jī)，燃?xì)忮仩t停機(jī)。系統(tǒng)調(diào)控與配置1基本相同，由于不需要制取蒸汽，則高溫?zé)煔庵苯咏?jīng)換向閥通入溴化鋰吸收式制冷機(jī)組中，制冷機(jī)組吸收高溫?zé)煔獾臒崮苤迫∷枥淞?。②?nèi)燃機(jī)、燃?xì)忮仩t與溴化鋰制冷機(jī)均停機(jī)。KM1、KM4閉合，由電網(wǎng)直接供電，由壓縮機(jī)制冷。

配置3：不需冷氣供應(yīng)，而需要電力和蒸汽。

內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)忮仩t開(kāi)機(jī)，溴化鋰制冷機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)調(diào)控與配置1基本相同，由于不需要制取冷氣，則煙氣換熱器排出的中溫?zé)煔?，直接排放至大氣。其他中小型工廠應(yīng)綜合考慮工況后靈活控制使用以上幾種基本能源配置。

3 冷熱電三聯(lián)供開(kāi)發(fā)意義

通過(guò)試算，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)初投資小，回收年限短，可以節(jié)約大量的用電費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性可觀，且安裝方便，使用范圍較為廣泛。同時(shí)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)控能力，改善了能源利用情況，提高了能量利用效率，減少了碳排放和SO2、NOX等污染物的排放，充分響應(yīng)了當(dāng)下“節(jié)能減排”和“煤改氣”的政策，具有很大的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

［1］華賁.天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］李芳芹，魏敦崧.天然氣冷熱電聯(lián)供的熱經(jīng)濟(jì)性分析［J］.煤氣與熱力，2002，22（6）：494-496.

［3］付林，江億.熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能分析［J］.節(jié)能，1999，（9）：3-7.

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2016499）。

陳凱亮（1996-），福建福清人，大學(xué)本科。