天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量優(yōu)化

徐升

摘? 要：天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能夠有效利用資源，在當(dāng)今能源日益短缺的情況下，使其能源利用率盡量加大，不過大增加環(huán)境負(fù)擔(dān)的優(yōu)勢受到了世界重大關(guān)注。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、制冷機(jī)和制熱機(jī)三個(gè)部分組成，為了保證經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)選用合適的設(shè)備匹配和制定相對應(yīng)的運(yùn)行策略對設(shè)備容量進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng);容量優(yōu)化;電熱泵

中圖分類號：TU995? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量優(yōu)化需要從2個(gè)方面進(jìn)行：1）設(shè)備的選擇：每個(gè)設(shè)備如果都是單獨(dú)運(yùn)作，那么能源的有效轉(zhuǎn)換率肯定會(huì)降低。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是由多個(gè)設(shè)備組成，能將每個(gè)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，勢必會(huì)大大降低能源的使用率，增加能源的轉(zhuǎn)換率。因此在設(shè)備的選擇上：燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)+余熱驅(qū)動(dòng)的吸附制冷機(jī)+電熱泵的組合比較合理，具體原因文章后面做出分析;2）全面分析項(xiàng)目：遵循以熱（冷）定電原則，通過對項(xiàng)目的負(fù)荷分析、擬定發(fā)電功率、優(yōu)化聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程制定出最為合適的方案，才能對設(shè)備容量進(jìn)行合理的優(yōu)化。

參考國內(nèi)外燃?xì)馊?lián)供各種項(xiàng)目組合方式，結(jié)合實(shí)際工程案例，深入分析組合優(yōu)缺點(diǎn)，該文就燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配套吸附制冷機(jī)和電熱泵聯(lián)合使用的組合方式進(jìn)行概述，并選取實(shí)例進(jìn)行設(shè)備容量優(yōu)化介紹。

1 設(shè)備的選擇

1.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)通過活塞運(yùn)動(dòng)，有部分被壓縮點(diǎn)燃后的氣體，無法繼續(xù)參與到下一輪的活塞運(yùn)動(dòng)中，必須將其排出去。在廢氣排出的過程中，將攜帶1/3熱量走，這些廢氣的溫度通常在300 ℃～400 ℃，有很高的利用價(jià)值;剩余的一部分熱量則會(huì)被冷卻系統(tǒng)帶走，這些氣缸的冷卻水溫度則在80 ℃～100 ℃，也有一定的利用價(jià)值。將這些熱量合理利用起來，能提高能源的利用率，不僅能夠節(jié)約成本，還能達(dá)到減排的效果。

1.2 余熱驅(qū)動(dòng)的吸附制冷機(jī)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的吸附制冷機(jī)運(yùn)行原理是通過熱量加熱冷卻溶劑，通過冷卻溶劑吸熱分離出冷卻蒸汽，冷卻蒸汽被冷卻后去吸收熱量，變成蒸汽回到溶劑里，實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷的效果。

1.3 電熱泵

電熱泵可以利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)部分電量來制冷或者供熱，不僅夏天可以用來制冷，冬天還能供熱，一年四季都有用。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)配套吸附制冷機(jī)和電熱泵聯(lián)合使用，不僅能降低成本，還能更好地節(jié)約資源，提高能源利用率，是設(shè)備容量優(yōu)化中重要的組成部分。根據(jù)廣東省發(fā)改委、廣東省經(jīng)信委聯(lián)合發(fā)布的《廣東省熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能發(fā)電調(diào)度管理辦法（試行）通知》要求，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目（含分布式能源站）投產(chǎn)后一年內(nèi)熱電比達(dá)到30%，一年后熱電比達(dá)到50%。順德西能源站和三水能源站《工程可研報(bào)告》中機(jī)組選型均遵循“以熱定電”機(jī)組容量設(shè)計(jì)原則。

2 項(xiàng)目優(yōu)化思路

2.1 熱（冷）負(fù)荷分析預(yù)測

選取某園區(qū)或建筑負(fù)物進(jìn)行負(fù)荷分析，主要從幾個(gè)方面分析：1）供能面積：在建設(shè)天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)之前，應(yīng)該對該園區(qū)或建筑物供能面積和區(qū)域半徑進(jìn)行分析，根據(jù)適當(dāng)?shù)拿娣e配備相應(yīng)的設(shè)備;2）供應(yīng)期：需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶鞖猸h(huán)境，計(jì)算出需要供熱的時(shí)間和制冷的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間周期確定負(fù)荷范圍。熱（冷）負(fù)荷分析是保證項(xiàng)目未來收益最關(guān)鍵步驟。

2.2 擬定發(fā)電功率

目前天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)嚴(yán)格遵循“以熱（冷）定電，熱量就近消納，電量全額上網(wǎng)”原則進(jìn)行發(fā)電設(shè)備容量選取。選取發(fā)電功率，要根據(jù)熱（冷）負(fù)荷分析的情況和當(dāng)?shù)啬茉吹那闆r選取發(fā)電功率，發(fā)電本著并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則，羅列出需要設(shè)備的數(shù)量，計(jì)算發(fā)電功率，這樣最為科學(xué)，但實(shí)際上所發(fā)電量需要全額上網(wǎng)。

2.3 能源價(jià)格

能源在不同時(shí)間隨著需求量的變化跟著變化，因此需要了解當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格，制定出適合的運(yùn)行時(shí)間，降低能源成本。

2.4 優(yōu)化模型

2.4.1 優(yōu)化目標(biāo)

建立相應(yīng)的函數(shù)，以最大收益為目標(biāo)，其中需要包括凈收益、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備使用周期。通過函數(shù)來進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化的目的。

2.4.2 約束條件

建立負(fù)荷率與設(shè)備性能的函數(shù)，從而制定設(shè)備的額定功率、額定制熱量和額定制冷量，通過得出的數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)備容量。

2.5 制定相應(yīng)的運(yùn)行方案

根據(jù)得出來的數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)的運(yùn)行方案，做出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)比較，選擇最劃算的方案來執(zhí)行，是對設(shè)備容量較大的優(yōu)化。

3 實(shí)例優(yōu)化分析

3.1 項(xiàng)目概況

河南某超市建筑面積為27 000 m2，供冷時(shí)間有150 h，供熱時(shí)間有90 h。超市開放時(shí)間為早上七點(diǎn)到晚上九點(diǎn)，在供冷時(shí)期其中冷負(fù)荷最高達(dá)到2 810 kW，電負(fù)荷變化范圍在130 kW～963 kW;在供暖時(shí)期熱負(fù)荷最高到達(dá)1 490 kW，電負(fù)荷變化范圍為154 kW～870 kW。

3.2 擬定額定發(fā)電功率

根據(jù)項(xiàng)目概況，遵循“以熱（冷）定電”的原則，我們可以擬定出2套方案：1）燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電功率為800 kW;2）燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電功率為1 050 kW。項(xiàng)目所發(fā)電量均全額上網(wǎng)，且充分考慮就近消納能力，即原則上滿足自發(fā)自用。

3.3 能源價(jià)格

對于項(xiàng)目而言，所發(fā)電量必須全額上網(wǎng)，發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.665元/kW·h。而用戶在早上10點(diǎn)到晚上8點(diǎn)屬于高峰用電，價(jià)格為1.14元/kW·h。早上7點(diǎn)到早上10點(diǎn);晚上8點(diǎn)到晚上11點(diǎn)屬于平峰用電，價(jià)格為0.79元/kW·h;晚上11點(diǎn)到早上7點(diǎn)屬于低谷用電，價(jià)格為0.334元/kW·h;天然氣價(jià)格為2.28元/立方米，冷價(jià)和熱價(jià)都為0.65元/kW·h。

3.4 優(yōu)化模型

冷量造價(jià)為1 100元/kW，換熱器熱功率900元/kW。輔助設(shè)備造價(jià)為總造價(jià)的37 %。然后根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行演算，得出項(xiàng)目內(nèi)部收益率和約束條件。

3.5 制定相應(yīng)的運(yùn)行方案

根據(jù)負(fù)荷情況確定發(fā)電機(jī)功率，并配置熱泵機(jī)組功率。共配置3臺(tái)熱泵機(jī)組，額定制冷功率1 000 kW，額定功率770 kW。夏天運(yùn)行3臺(tái)，冬天運(yùn)行2臺(tái)，換熱器輸出功率350 kW。

根據(jù)數(shù)據(jù)能夠擬定2個(gè)合理運(yùn)行方案：方案一，在供冷期：早上8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)發(fā)電功率平均在750 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱帶來熱量平均為880 kW左右，天然氣平均熱量1 020 kW;在供暖期：早上8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)發(fā)電功率平均在790 kW，由天然氣補(bǔ)燃、換熱器和發(fā)電機(jī)組煙氣提供熱量，分別平均為600 kW/200 kW/400 kW;方案二，在供冷期，早上8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)發(fā)電功率平均在800 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱平均900 kW，天然氣平均熱量1 000 kW;在供暖期：早上8點(diǎn)到晚上8點(diǎn)發(fā)電功率平均在780 kW;由天然氣補(bǔ)燃、換熱器和發(fā)電機(jī)組煙氣提供熱量，分別平均為400 kW/300 kW/500 kW。通過數(shù)據(jù)得出方案一的內(nèi)部收益率為8.7%，方案二的內(nèi)部收益率為9.1%。由此得出方案二額定功率800 kW發(fā)動(dòng)機(jī)組的性價(jià)比更優(yōu)。

4 熱負(fù)荷預(yù)測實(shí)例

4.1 依據(jù)企業(yè)類型預(yù)測用熱需求

廣東某天然氣冷熱電三聯(lián)供能源站所處工業(yè)園區(qū)以紡織、印染、機(jī)械制造業(yè)為主，是熱需求較好的園區(qū)類型。

4.2 實(shí)地調(diào)研核實(shí)用熱（冷）需求

通常天然氣冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目最佳供熱半徑為5 km以內(nèi)，最佳供冷半徑為2 km以內(nèi)。按照實(shí)際摸查收資情況，能源站周邊5 km范圍內(nèi)有9家企業(yè)，預(yù)計(jì)用熱負(fù)荷最大量105 t/h、平均負(fù)荷79 t/h，初期暫無用冷負(fù)荷，預(yù)計(jì)兩年后會(huì)有冷負(fù)荷產(chǎn)生。其中已與能源站簽約用熱協(xié)議的客戶有10家，每家用熱平均負(fù)荷7 t/h，可估計(jì)項(xiàng)目5 km范圍內(nèi)潛在客戶熱負(fù)荷為70 t/h。

5 結(jié)語

該文主要通過熱（冷）負(fù)荷情況、系統(tǒng)設(shè)備配置和項(xiàng)目概況，來優(yōu)化聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備容量。數(shù)據(jù)模型的建立，是設(shè)備容量優(yōu)化最好的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]上海光熱實(shí)業(yè)有限公司.大型內(nèi)燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供優(yōu)化系統(tǒng)[P].2016-08-31.