分布式供能系統(tǒng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚的研究

華北電力大學能源動力與機械工程學院 羅 寧 何 青

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚需要有完善的光照系統(tǒng)、溫濕度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、CO2濃度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、灌溉噴霧系統(tǒng)等。目前農(nóng)業(yè)大棚采用的系統(tǒng)包括：（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)與溫室大棚相結(jié)合；（2）太陽能光伏技術與地下水源熱泵相結(jié)合[1-4]。

天然氣分布式供能系統(tǒng)(CCHP)在我國得到了初步發(fā)展，達到了一定的節(jié)能減排效果，但通過實際運行得出的經(jīng)驗來看，存在一些政策和技術層面上的問題，這些問題從一定程度上影響了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的因素主要有：（1）負荷特點；（2）運行模式；（3）補貼及稅收政策；（4）并網(wǎng)成本[5-7]。

美國天然氣分布式供能得到了良好的發(fā)展。根據(jù)美國能源部規(guī)劃，到2020年，美國將新增各類熱電聯(lián)產(chǎn)機組9 500萬kW，屆時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組裝機容量將占全國發(fā)電總裝機容量的29%，其中天然氣分布式供能系統(tǒng)將占據(jù)增長的主要地位。同時，根據(jù)美國能源部預測，到2035年，天然氣在工業(yè)與商業(yè)領域的應用將進一步加強，應用于工業(yè)領域的天然氣量將在2009年的基礎上增長27%，主要來自于天然氣分布式能源在工業(yè)領域的應用。天然氣能源的特點非常適合分布式供能系統(tǒng)，并且天然氣作為清潔能源有很廣闊的發(fā)展市場，因此考慮設計一個以天然氣為核心的分布式供能系統(tǒng)為大棚提供冷、熱、電需求。該系統(tǒng)將考慮不同能量的品位，并且根據(jù)品位的高低逐級利用，從而做到冷、熱、電三種能量的有機統(tǒng)一，盡可能實現(xiàn)能量利用的最大化，提高系統(tǒng)能量的綜合利用率，將系統(tǒng)的效率最大化[8,9]。本系統(tǒng)是對原有供能方式的改進，不涉及系統(tǒng)其他部位的改造，并且持續(xù)穩(wěn)定，不受地區(qū)，天氣等外部條件的影響，應用范圍較廣。

在確定大棚一年內(nèi)的冷熱負荷的基礎上，通過分析大棚內(nèi)的負荷特點，選擇合適的設備為大棚供能。通過具體的負荷數(shù)值，根據(jù)以熱定電的原則，確定各設備的型號和參數(shù)，最終設計一套完整的分布式系統(tǒng)為大棚供能，并確定系統(tǒng)內(nèi)各設備在不同季節(jié)的運行狀態(tài)。在此基礎上，確定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的能量，并計算分產(chǎn)系統(tǒng)全年的能量消耗量，將兩者進行對比，得出量化的結(jié)果，以確定該分布式供能系統(tǒng)是否節(jié)能。由于論文涉及到CO2的減排量，因此需算出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于分產(chǎn)系統(tǒng)的CO2減排量。

此外由于本系統(tǒng)的燃料是天然氣，故系統(tǒng)排放的煙氣中含有CO2，因此可以考慮將系統(tǒng)排放的煙氣通入大棚內(nèi)滿足大棚的CO2需求。以天然氣為核心的新型供能大棚與傳統(tǒng)的供能大棚相比具有循環(huán)低碳，環(huán)境友好，持續(xù)穩(wěn)定的突出優(yōu)勢[10,11]。

1 大棚負荷分析及設備選取

1.1 大棚結(jié)構(gòu)

以上海某農(nóng)業(yè)設施示范研究中心所建立的示范性連棟溫室為研究對象。單溫室結(jié)構(gòu)：長寬各30 m，高度6.5 m，占地面積約900 m2，天溝高6 m?？偣灿?0個溫室組成，兩排連棟溫室，一排五個。溫室由鋼架結(jié)構(gòu)搭建而成，由透明玻璃作為圍護結(jié)構(gòu)。地區(qū)選擇上海。連棟溫室東西延伸，坐北朝南。溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 大棚CO2逐時需求量

引用參考文獻[12]得到表1，此二氧化碳需求量是以大棚內(nèi)的農(nóng)作物為黃瓜測出的，并且按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計算。

圖1 單溫室概況圖

表1 各季度溫室二氧化碳需求量

由上表可知溫室大棚內(nèi)植株在全年白天光合作用需求的二氧化碳總量為420 060.2 kg。如果分布式供能系統(tǒng)產(chǎn)生的排氣能夠通入溫室大棚中，提供大棚所需要的CO2，可以極大地促進CO2的減排。

1.3 大棚各個季節(jié)典型日負荷

經(jīng)過對全年氣候的分析，將全年分成三個季節(jié)：夏季、冬季和過渡季。通過處理全年的負荷數(shù)據(jù)，得出三個季節(jié)的典型日負荷，匯總?cè)绫?所示，其中負值表示熱負荷，正值表示冷負荷。

表2 各個季節(jié)典型日負荷匯總表（單位：kW）

2 分布式供能系統(tǒng)設計

分布式供能系統(tǒng)的設備選型思路如圖2所示。

2.1 蓄熱/冷水箱容量計算和選擇

2.1.1 蓄冷/熱水箱容量計算方法

系統(tǒng)采用蓄能水箱來平衡24 h內(nèi)的負荷差異，蓄能水箱的作用是在能量多余時儲存起來，在能量不夠時進行釋放。根據(jù)此原理，蓄熱/冷水箱的容量計算步驟歸結(jié)如圖3所示。

圖3 蓄冷/熱水箱容量確定流程

2.1.2 蓄冷/熱水箱容量選擇

根據(jù)圖3所示的蓄冷/熱水箱容量確定流程的計算方法，可以計算各個季節(jié)的蓄冷/蓄熱水箱容量。

圖4所示為夏季蓄能裝置實際容量的確定?？梢运愠鲋评?制熱機的容量為1 216.83 kW，這一數(shù)值沒有考慮蓄能裝置的效率，是理想數(shù)值。系統(tǒng)在實際運行中需要考慮蓄能裝置的效率，取蓄能裝置效率為95%，因此上述結(jié)果需要修正，修正結(jié)果為1 230.65 kW，這是因為蓄能裝置會使部分能量散失，造成能量的損失，因此需要多增加一部分儲存量，以滿足不夠需要釋放的能量。選取1 230.65 kW為基本容量，進而計算出此值和下部圖形之間所圍的面積得到蓄能裝置的容量為6 634.75 kW。

圖4 夏季蓄能裝置實際容量的確定

采用同樣的方法，得到如圖5所示冬季蓄能裝置實際容量。根據(jù)此數(shù)值可以計算得出在冬季蓄冷量為1 268.1 kW，蓄熱量為2 119.93 kW。

圖5 冬季蓄能裝置實際容量的確定

同樣的，得到如圖6所示的過渡季蓄能裝置實際容量。根據(jù)此數(shù)值可以計算得出在過渡季的蓄冷量為2 277.72 kW，蓄熱量為531.03 kW。

圖6 過渡季蓄能裝置實際容量的確定

根據(jù)上面三個季節(jié)蓄能裝置容量的計算，可以得出表3，通過表格中的對比可以清晰地選擇其中最大的一個數(shù)值作為蓄能裝置的容量。即蓄冷水箱6 634.75 kW，蓄熱水箱2 119.93 kW。

表3 各個季節(jié)蓄冷/熱量對比

2.2 吸收式制冷/制熱機基本參數(shù)確定

根據(jù)上文負荷算出的各個季節(jié)的儲存能量，可以確定各個季節(jié)的制冷和制熱量，如表4所示。此容量是根據(jù)制冷機24 h運行算出的。

表4 各個季節(jié)制冷/熱量對比

3 系統(tǒng)設備夏季運行方式的確定

3.1 吸收式制冷機夏季運行方式確定

根據(jù)選定的溴冷機功率233 kW，可以確定系統(tǒng)在夏季需要運行的臺數(shù)為6臺。

（1）每臺溴冷機需要的余熱量：

式中，P1為溴冷機的運行功率，kW；COP為制冷量與輸入能量的比值。

（2）單位質(zhì)量的煙氣放熱量：

式中，t1為溴冷機入口煙溫，K；t2為溴冷機出口煙溫，K；cp,g為煙氣比熱容，kJ/(kg·K)一般取1.2。

（3）每臺溴冷機的燃氣耗量：

式中，q1為單位質(zhì)量的煙氣放熱量，kJ/kg。

根據(jù)上述計算過程，可以得到夏季溴冷機的參數(shù)如表5所示。

表5 夏季溴冷機的參數(shù)

3.2 燃氣輪機參數(shù)計算和選擇

（1）壓氣機理想出口溫度：

式中，T1為壓氣機進氣溫度，K；π為壓氣機的壓比；Ka為空氣等熵滯止系數(shù)；

（2）壓氣機等熵效率：

式中，T2s為壓氣機的理想出口溫度，K；T2為壓氣機的實際出口溫度，K。

（3）壓氣機耗功：

式中，cp,a為空氣的平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

（4）透平膨脹比：

式中，εc為進氣道的壓損率，取0.01-0.015；εb為燃燒室的壓損率，取0.03-0.06；εt為排氣道的壓損率，取0.025-0.07。

（5）透平入口溫度和出口溫度之間的關系：

式中，Kg為天然氣等熵滯止系數(shù)。

（6）透平膨脹功：

式中，T3為燃氣透平入口溫度，K；T4為燃氣透平出口溫度，K。

（7）燃燒室內(nèi)空氣吸收的熱量：

式中，為燃燒室入口空氣溫度，K。

（8）燃燒室效率：

式中，f為燃燒室所需燃料量，kJ/kg；Hu為天然氣熱值，kJ/kg；目前ηb一般在0.96-0.99之間。

（9）燃氣輪機軸功率：

式中,ηm為機械效率；ηg為發(fā)電效率；Pw為燃氣輪機發(fā)電功率，kW。

（10）燃氣輪機比功：

（11）壓氣機吸入的空氣流量：

（12）燃料流量：

（13）燃氣輪機的效率：

（14）透平進口的燃氣流量：

式中，μcl為從壓氣機抽引的空氣的比率。

由于夏季運行6臺溴冷機，因此先根據(jù)一臺溴冷機的參數(shù)確定燃氣輪機的功率。根據(jù)上述計算，再通過燃氣輪機型號的對比，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)選用兩臺80 kW的燃氣輪機對應一臺溴冷機比較適合。機械效率選取0.99，發(fā)電效率選取0.98，從壓氣機抽引的空氣的比率選為0。由上述計算，可以得出燃氣輪機的各項參數(shù)，結(jié)果如表6所示。

3.3 煙氣產(chǎn)量和煙氣消耗量校核

由于在回熱度為0.2的情況下，回熱器出口煙氣溫度會比較高為518.69℃，而溴冷機的入口煙氣溫度需要保持在300℃，因此從回熱器出口的煙氣不能直接以此高溫通過溴冷機，溴冷機入口需要摻入冷空氣與高溫煙氣進行混合，使高溫煙氣的溫度降到300℃。冷空氣流量可由公式（18）得到。

式中，為回熱器出口煙氣溫度，K。

表6 夏季燃氣輪機整機參數(shù)

由上述一系列的計算可以最終得到溴冷機的煙氣流量為1.28 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.28 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在此工況下可以正常運行。夏季系統(tǒng)的運行是兩臺80 kW的燃氣輪機對應一臺溴冷機，共6組。溴冷機每臺開88%，通過對比煙氣量可以算出燃氣輪機在夏季為一天24 h滿負荷運行。

4 系統(tǒng)冬季和過渡季運行方式及校核

4.1 冬季運行方式及校核

根據(jù)夏季算出的溴冷機功率以及燃氣輪機功率，再結(jié)合冬季的負荷需求特點，制定出系統(tǒng)在冬季的運行方案為一臺溴冷機運行。因此溴冷機在一天內(nèi)的運行時間為11∶00-18∶00，即在白天連續(xù)6 h以最大制冷負荷運行，根據(jù)溴冷機的運行方式，可以算出溴冷機的燃氣耗量，結(jié)果如表7所示。通過溴冷機的運行參數(shù)可以得到對應狀態(tài)下的燃氣輪機運行參數(shù)，結(jié)果如表8所示。

表7 冬季溴冷機的各個參數(shù)

由于已知回熱器出口的煙氣流量為0.67 kg/s，回熱器出口煙氣溫度為593.86℃，且環(huán)境溫度已知，可以算出需要摻入冷空氣的流量為0.81 kg/s。因此可以得出最終進行溴冷機的煙氣流量為1.48 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.45 kg/s，煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在溴冷機運行的工況下可以正常運行。

表8 冬季燃氣輪機運行參數(shù)

4.2 過渡季的運行方式及校核

根據(jù)夏季計算出的溴冷機功率以及燃氣輪機功率，再結(jié)合過渡季的冷負荷需求比熱負荷需求大，且熱負荷需求量較少的負荷需求特點，則溴冷機出口的煙氣余熱量就可以滿足制熱需求，而且制冷負荷和一臺溴冷機的額定功率比較接近，是其額定功率的80%，因此考慮系統(tǒng)在過渡季的運行方案為一臺溴冷機全天運行，這樣會使系統(tǒng)的經(jīng)濟性較好。具體運行方案如表9所示。

表9 過渡季溴冷機運行方式

通過溴冷機的運行參數(shù)可以得到對應狀態(tài)下的燃氣輪機運行參數(shù)，結(jié)果如表10所示。

由于已知回熱器出口的煙氣流量為0.67 kg/s，回熱器出口煙氣溫度為518.69℃，且環(huán)境溫度已知，可以算出需要摻入冷空氣的流量為0.60 kg/s。因此可以得出最終進行溴冷機的煙氣流量為1.27 kg/s，而一臺溴化鋰制冷機的煙氣耗量為1.20 kg/s，因此煙氣量滿足要求，系統(tǒng)在此工況下可以正常運行。

表10 過渡季燃氣輪機的運行參數(shù)

5 分布式供能系統(tǒng)的計算

5.1 煤耗對比

熱電聯(lián)產(chǎn)和熱電分產(chǎn)節(jié)能對比的基礎是兩者的產(chǎn)品相同，只有在這個前提條件滿足的情況下，兩種供能方式的對比才有意義。因此，要進行節(jié)能對比，需要根據(jù)大棚的全年冷負荷和熱負荷，算出熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年運行的能耗以及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠提供的電量，從而確定熱電分產(chǎn)系統(tǒng)需要提供的能量，再計算出熱電分產(chǎn)的能耗。這樣就可以保證兩種供能方式的產(chǎn)品相同，在此基礎上得到的兩種方式的煤耗對比才會有分析的價值。兩種供能形式的對比如表11所示。

表11 聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)的供能方式對比

5.2 聯(lián)產(chǎn)煤耗

全年的時間按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計，由此可計算出各個季節(jié)的燃料消耗量，進而可以計算出燃氣輪機在全年的燃氣消耗量，天然氣的熱值已知為47 334.53 kJ/kg，由此可以算出燃氣輪機全年運行消耗的能量，標準煤的熱值為29 307.6 kJ/kg，因此可以算出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的標準煤的量。具體數(shù)據(jù)如表12所示。

表12 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的煤耗

5.3 分產(chǎn)煤耗

（1）全年總冷負荷能量：

式中，QXL為夏季每天的冷負荷量，kJ；QDL為冬季每天的冷負荷量，kJ；QGL為過渡季每天的冷負荷量，kJ；TX為一年中夏季的天數(shù)；TD為一年冬季的天數(shù)；TG為一年中過渡季的天數(shù)。

（2）全年總熱負荷能量：

式中，QXR為夏季每天的熱負荷量，kJ；QDR為冬季每天的熱負荷量，kJ；QGR為過渡季每天的熱負荷量，kJ。

（3）中央空調(diào)全年制冷用電量：

式中，COP為中央空調(diào)的能效比。

（4）電制熱全年用電量：

式中，ηR為電制熱的效率。

（5）制冷和制熱全年消耗的標準煤：

式中為供電標準煤耗率，g/kW·h；ζ為電網(wǎng)損失。

（6）全年產(chǎn)電量消耗的標準煤：

式中，Wc為全年產(chǎn)電量，kW·h。

按夏季96天、冬季110天和過渡季節(jié)159天計算，根據(jù)大棚在各個季節(jié)典型日的負荷分布可以計算出大棚在全年的總制冷負荷、總制熱負荷。通過上述一系列的計算可以確定分產(chǎn)系統(tǒng)全年消耗的標準煤量，結(jié)果如表13所示。

5.4 煤耗量對比分析

由上述兩節(jié)的內(nèi)容可以確定出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)各項煤耗量，將各參數(shù)進行對比可以得到圖7。

表13 分產(chǎn)系統(tǒng)的煤耗計算

圖7聯(lián)產(chǎn)/分產(chǎn)各個季節(jié)煤耗量對比圖

圖7 將夏季、冬季、過渡季以及全年所消耗的標準煤的量分別進行了對比，從圖7中可以看出，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在夏季消耗的標煤量比分產(chǎn)多35.98 t，冬季消耗的標煤量比分產(chǎn)少122.27 t，過渡季則比分產(chǎn)多10.04 t，全年綜合則是聯(lián)產(chǎn)比分產(chǎn)消耗的少76.26 t。此外還可以看出兩個系統(tǒng)的共同點：在夏季消耗的標煤量比冬季和過渡季明顯多很多，比另外兩個季節(jié)的總和還要多，這和大棚內(nèi)的負荷有關，由于夏季冷負荷需求巨大，因此需要提供的能量是最多的。

6 減排量對比分析

6.1 基本排放指標對比分析

在進行排放指標對比之前，必須先確定每度電和每立方米天然氣的排放指標，通過查取各數(shù)值，匯總?cè)绫?4所示。

通過前面的計算可以得出分產(chǎn)系統(tǒng)的全年用電量為4.99×106kW·h；聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年的天然氣消耗量為1.29×106m3。分產(chǎn)和聯(lián)產(chǎn)消耗的能量已知，各排放指標也已知，因此可以計算出各方案的排放量如表15所示。

表14 排放指標

表15 各方案產(chǎn)生的排放量

由表15可以得出圖8，從圖8中可以清楚的看到，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，所產(chǎn)生的CO2量顯著的減少了，幾乎為分產(chǎn)的一半；NOX的排放量也很少；SOX以及粉塵量都為0。因為天然氣是清潔能源，所以污染物排放量可以大幅降低，從而可以有效改善當前環(huán)境的PM2.5問題，此外系統(tǒng)的CO2排放量大幅減少，減排量為2.44×106kg，減排效果十分明顯。

圖8 聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)排放量對比圖

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2量少，是因為聯(lián)產(chǎn)全年消耗的標準煤比分產(chǎn)消耗的標準煤少76.26 t，因此從標準煤這一基準來看，聯(lián)產(chǎn)排放的CO2量就會少，而且更加節(jié)能。通過以上的對比，可以得出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)相比，在減排方面有很突出的優(yōu)勢。

6.2 聯(lián)產(chǎn)CO2被利用的減排量

生活中使用的各種燃氣，實際上是混合氣體，是由可燃氣體和一些不可燃氣體組成的。如果天然氣完全燃燒，那么其中的 CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H10、C6H12都會燃燒產(chǎn)生CO2，由于天然氣中CH4的體積分數(shù)高達94.09%，因此在計算時可以忽略天然氣的其他成分，將CH4作為天然氣的主要成分進行計算。根據(jù)CH4的燃燒化學反應，其化學反應方程式為：

圖9聯(lián)產(chǎn)分產(chǎn)CO2減排量對比圖

圖9 是分產(chǎn)、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)CO2未利用和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)考慮大棚CO2利用的CO2排放量對比圖。通過圖中的對比可以看出聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在考慮大棚利用CO2的情況下，CO2的排放量最低，此時的排放量約為分產(chǎn)排放量的40%，因此聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以最大限度地減少CO2的排放量。

7 結(jié)論

（1）通過大棚各個季節(jié)典型日的冷、熱負荷對比，確定了系統(tǒng)需要蓄冷/蓄熱水箱來調(diào)節(jié)24 h內(nèi)的負荷分布不均勻。最后確定了蓄冷水箱容量6 634.75 kW，蓄熱水箱容量2 119.93 kW。由于系統(tǒng)需要利用煙氣的余熱，因此選用溴冷機來利用煙氣的余熱，結(jié)合大棚所需負荷的特點為冷負荷較多，熱負荷較少，冷熱負荷之間無法做到匹配，因此選擇單效煙氣溴冷機來利用煙氣的余熱產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的冷量，確定溴冷機功率為233 kW，臺數(shù)為6臺。

（2）由于夏季工況下的負荷值較大，因此整個系統(tǒng)的計算以夏季工況為基準。通過溴冷機的功率和臺數(shù)來計算燃氣輪機的功率為80 kW，臺數(shù)為12臺，和溴冷機之間的運行方式為2臺燃氣輪機帶1臺溴冷機。系統(tǒng)冬季和過渡季的運行只做校核計算。

（3）計算聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)各自的CO2排放量，通過對比發(fā)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)減排CO2的量為2.44×106kg，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在考慮CO2被大棚利用的情況下CO2的減排量為2.95×106kg。CO2的需求量僅為系統(tǒng)產(chǎn)生CO2量的17.5%，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2量理論上滿足需求。

（4）確定分產(chǎn)的供能方式為中央空調(diào)制冷，電加熱，根據(jù)需要提供的冷負荷、熱負荷和產(chǎn)電量分別計算出分產(chǎn)系統(tǒng)全年的標準煤耗量，最后將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和分產(chǎn)系統(tǒng)進行對比，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比分產(chǎn)系統(tǒng)更加節(jié)能，節(jié)能量為76.26 t標準煤。天然氣分布式供能系統(tǒng)在大棚中的應用可以做到冷、熱、電、CO2四聯(lián)供。

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