基于燃气内燃机的热电冷三联供系统

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专题研讨RefrigerationAirConditioning&ElectricPowerMachinery

制冷空调

与电力机械

基于燃气内燃机的热电冷三联供系统

刘月琴1,2,

代炎3,

叶水泉2,4

(1.杭州华电华源环境工程有限公司,杭州310030;2.浙江省空调蓄能与节能重点实验室,杭州310030;

3.深圳市电子院设计有限公司,深圳518031;4.国电机械设计研究院,杭州310030)

摘要:主要了探讨基于燃气内燃机的热电冷三联供CCHP的运行模式及其设计方法,并与常规系统进行了经济性比较。

关键词:热电冷三联供;

中图分类号:TK01

内燃机;余热利用

文章编号:1006-8449(2008)03-0001-05

文献标识码:B

0引言

热电冷三联供CCHP(CombinedCooling,Heating

&Power)是一种建立在能量的梯级利用基础上,将制

(采暖和卫生热水)及发电过程一体化的多联冷、供热产总能系统,目的在于提高能源利用效率,减少碳化物及有害气体的排放。

典型热电冷三联供系统一般包括:动力系统和发(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)电机

等。针对不同的用户需求,热电冷三联供系统方案的可选择范围很大:就动力装置而言可选择外燃烧式(蒸汽动力装置)、内燃烧式(燃气动力装置)、燃料电池以及采用太阳能、风力等可再生能源等;就制冷方式而言可选择压缩式、吸收式或其它热驱动制冷方式,还可以根据用户的性质、条件来选择大规模热电冷三联供生产装置和设在用户现场的三联供装置。

热电冷三联供系统可以广泛应用于同时具有电力和空调需求的场所,如工厂、医院、大型商场、酒店、生活小区和工业园区等。

[1]

CCHP的比例从4%提高到8%,到2020年CO2的排放

量将减少30%,有利于环境保护;

(3)缓解电力短缺,平衡电力峰谷差。CCHP采用自发电,可以避开电网用电高峰,并且大大提高了建筑供电可靠性和安全性;

(4)扩大了燃气使用量,平衡燃气峰谷差;(5)投资回报率高,具有良好的经济性。

2热电冷三联供系统常见的几种配置模式

(1)对各种规模的火电厂或热电厂,较适合采用

“蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。从蒸汽轮机抽汽或利用发电后的乏汽驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组,进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽;

(2)以燃气轮机发电的热电冷三联供系统,适合采用“燃气轮机+烟气(补燃型)溴化锂吸收式冷热水机组”模式。燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气(补燃推动燃气轮机发电机组发电,排烟直接进入烟气型)溴化锂吸收式冷热水机组,驱动机组制冷(制热),对外提供空调冷(热)水。当排烟量较小时启动补燃系统,由补燃提供机组热量;

(3)以燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电的热电冷三联供系统,适合采用“燃气轮机+(补燃型)余热锅炉+蒸汽轮机+蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组”模式。燃料进入燃气轮机燃烧产生高温、高压烟气推动燃

1热电冷三联供的特点

(1)与集中式发电-远程送电比较,CCHP可以大

大提高能源利用效率:大型发电厂的发电效率一般为

30%~40%;而CCHP的能源利用率可达到80%~90%,

且没有输电损耗;

(2)CCHP在降低碳和污染空气的排放物方面具有很大的潜力:据有关专家估算,如果将现有建筑实施

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与电力机械

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专题研讨

(2)电力:并网不售电;

(3)燃料:以气为主,以油为补,还可采用可再生能源、二次能源等;

(4)发电装置的功率接近或小于工程要求的电力(一般不超过总容量的70%),并具有较大的调节灵活性,要依照全年用热、用电负荷曲线进行选择。发电装置应具有气体、液体双燃料能力,并且保证发电机组全年处于较高的运行状态。

如图2,需根据年度电力、热能和冷量的能源需求曲线,来确定相应的热电冷三联供配置方案。

热能和冷量逐时负荷如图3,需根据设计日电力、

曲线考虑合适的形式及运行模式,使电力与热能、冷量需求相互协调,以达到综合效率最高的目的。如果与蓄冷、蓄热等技术结合,可以达到减小系统配置及提高系统综合效率的目的。

用电负荷率冷负荷率热负荷率

电网

气轮机发电机组发电,排烟进入(补燃型)余热锅炉,产生高温、高压蒸汽推动蒸汽轮机发电机组发电,发电后的乏汽或从蒸汽轮机抽汽用于驱动蒸汽型溴化锂吸收式冷热水机组,进入汽水换热器换热对外供热水或者直接对外供蒸汽;

(4)以内燃机发电的热电冷三联供系统,适合采用“内燃机+烟气热水(补燃型)溴化锂冷热水机组”模式。燃料进入内燃机燃烧室燃烧,使内燃机输出机械功带动发电机组发电,内燃机排放的高温烟气及缸套热水直接进入烟气热水(补燃型)溴化锂冷热水机组,驱动机组制冷(制热),对外提供空调冷(热)水。

根据目前国内外已建热电冷三联供系统来看,模式1)、2)、3)适合用于规模相对较大的区域式热电冷三联供系统CCHP,向周边建筑供冷、供暖、供生活热水和电力。由于这类系统相对比较独立,根据国际和国内的惯例,一般称之为“能源岛”系统。图1所示为广州大学城的“能源岛”系统示意图。

[2]

3.5MPa蒸汽

0.5MPa抽汽

蒸汽凝结水

130℃热媒水热媒水回水锅炉补水

电压缩式制冷机组

冷水

余热锅炉

负荷率

抽凝式蒸汽轮机发电机

变电站

电力

10.90.80.70.60.50.40.30.20.101

234

567时间/月

图2热/电/冷年负荷曲线

高温烟气

0.5MPa蒸汽

89101112

溴化锂吸收式制冷机组

凝结水

冷水

发电机燃气轮机

0.5MPa蒸汽

液化天然气(LNG)

凝结水回收

热水制备站生活热水

图1燃气轮机+余热锅炉+蒸汽轮机+溴化锂吸收式及电制冷式机组示意图

模式(4)较适合于楼宇的热电冷三联供系统(BuildingCooling,Heating&Power),向本楼宇BCHP

供冷、供暖、供生活热水和电力,同时也可实现临近系统的互相支援和补充。

0.90.80.70.60.50.40.30.20.1

0123456789101112131415161718192021222324

负荷率

时间/h

图3热/电/冷日负荷曲线

3楼宇热电冷三联供系统设计原则

楼宇热电冷三联供系统设计原则为:

(1)系统配置:一种是“兼顾冷热电负荷”,根据楼

4内燃机热电冷三联供系统

宇冷热电负荷配置BCHP系统,兼顾余热利用和楼宇能源负荷;另一种是“以电定热(冷)”,根据楼宇配电负荷确定发电机功率,冷热根据发电机余热来配套制热设备;

4.1发电机系统

发电机组与电网并网设计,但不能向电网送电,由电力设计院审核并网是否会影响电网波动。

发电机组运行时负荷率不能低于35%,否则效率

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制冷空调

与电力机械

发电机组

市电电源输入开关

至母排开关

发电机组输出开关

烟囱烟囱

ST状态

烟气三通调节阀

余热烟气

天然气

发电机组

图4发电机组与电网并网示意图

图5烟气系统流程示意图

溴化锂机组

直燃排烟

般为95~出水99℃,进水温度约为80~85℃,缸套水进、

下降很快。发电机组有如下几种运行模式,如图4所示。

(1)发电机组单独为末端供电;(2)发电机组与市电自动切换运行;(3)发电机组与市电并网运行。

温差约为10~15℃。

制冷时,缸套水进入烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组低温发生器,烟气进入高温发生器,充分利用内燃机余热进行制冷,余热不能满足溴化锂机组制冷量要求时,通过补燃提供。

供热时,通过烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组来制热,也可以将采暖回水或自来水通过缸套水换热器和烟气换热器进行热交换后获得高温热水,供末端采暖或者生活热水使用。

当需热量很少时,通过散热装置对缸套水进行散热,以维持一定的进水温度,防止缸套水进水温度过高,影响发动机效率。

如果缸套水进水温度太低,也将对发动机效率有影响。因此缸套水进水温度要控制在一个合理的温度范围(约80~85℃),缸套水出水温度由内燃机内部的节温器进行控制。缸套水可以通过机带泵或者外带水泵进行循环。

4.2余热利用系统

对于燃气(油)内燃机,燃料热量的约1/3用来做功发电,约1/3通过烟气散热,还有约1/3通过缸套水、中冷水及辐射热散失。因此对烟气和缸套水、中冷水进行余热回收利用,系统综合能源效率可达80%~(辐射热较少,一般不加以利用)。90%

余热利用采取的原则是:优先利用缸套水,其次利用烟气,再次利用补燃。

(1)完全利用余热:末端空调负荷较小,缸套水及烟气余热能够满足末端使用要求;

(2)部分利用余热并部分利用燃气:末端空调负荷较大,缸套水及烟气余热不能够满足末端使用的要求,需要燃气补燃;

(3)完全使用燃气:发电机组停机,溴化锂机组驱动热源采用燃气直燃。

4.2.3中冷水系统

中冷器出水温度较低,约为40~45℃,一般直接通过散热水箱散热循环利用;也可根据工程实际情况,经过经济技术比较,用来预热生活热水蓄热水箱自来水进水。

4.2.1烟气系统

内燃机发电机组满负荷运行时,烟气排气温度约为450~500℃,发电机组排烟管一路接溴化锂机组高温发生器,一路接烟囱,通过烟气三通调节阀调节控制各路烟气流量。

发电机组在负荷低时,余热烟气温度低,流量变小。在内燃机空气入口处通过阀门调节空气进量,与燃气进量相配合,阀门依照负荷变化进行动作。流程图如图5所示。

5内燃机热电冷三联供水系统设计的几种形式

内燃机热电冷三联供水系统中,冷却水、冷水系统

流程与常规空调系统一样,本文仅描述余热利用水系统流程,如图6、图7、图8所示。

4.2.2缸套水系统

内燃机发电机满负荷运行时,缸套水出水温度一

5.1重庆某商业综合区热电冷三联供项目流程

流程示意图如图6所示。

制冷空调

与电力机械

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专题研讨

接膨胀水箱

生活热水循环水管

生活热水供水管

板换由冷却塔带走,此时由水泵变频控制缸套水进水温度为85℃。

ΔP

膨胀水箱

集水器

自来水

生活热水循环水泵

V4

分水器

V2、V3分别为缸套水供溴化锂机组低温

发生器和卫生热水回路的二通电动阀,制冷时,V2开启,V3关闭,充分利用缸套水余热

冷却塔

冷热水泵

生活热水板式换热器

V3V2

冷却水泵

驱动溴化锂机组制冷;制热时,V3开启,V2关闭,通过板式换热器提供生活热水。

一次侧生活热水循环水泵

烟气热水型溴化锂

吸收式冷热水机组

冷却塔

5.2北京某办公楼热电冷三联供项目流程

流程示意图如图7所示。

缸套水出水温度为99℃,系统优先利用缸套水。根据缸套水进水温度(设定85℃,可调)控制远程散热水箱的风扇启停。

板式换热器

V1

冷却水泵

制冷时,电动阀V2、V3、V4关闭,V1开启,缸套水进入溴化锂机组低温发生器提供驱动热源。

制热时,电动阀V1关闭,V2、V4开启,缸套水通过板式换热器对空调回水进行加热,V3调节旁通量。

燃气内燃机发电机组

图6内燃机热电冷三联供流程图

缸套水出口处的电动三通阀V1根据缸套水进水温度(设定85℃,可调)控制,用于散热的冷却塔的冷却水泵变频。

(1)在缸套水进水温度低于85℃时,冷却水泵、冷却塔关闭,根据缸套水进水温度传感器控制V1的旁通量;

(2)在缸套水进水温度高于85℃时,冷却水泵、冷却塔开启,冷却水泵定频率运行,根据缸套水进水温度传感器控制V1的旁通量;

(3)当不需要利用余热时,缸套水散热全部通过

接膨胀水箱

5.3上海某酒店热电冷三联供项目流程

流程示意图如图8所示。

蓄热水泵

余热烟气

烟气换热器

蓄热水箱

缸套水板式换热器

发电机组

散热水箱

供水泵

ΔP

循环水泵

分水器

市政水箱

中冷水板式换热器

集水器

V5

冷却塔冷却水泵

冷热水泵

图8内燃机热电冷三联供流程图

V4

缸套水板式换热器

空调制冷制热采用溴化锂直燃机组,缸套水

V3

膨胀膨胀

水箱水箱

和烟气通过换热器加热卫生热水,储存在蓄热水箱,供酒店生活热水使用。

中冷水通过板式换热器用来预热市政的自来水。

V1V2

低温发生器高温发

生器

发电机组

烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组

远程散热水箱

远程散热水箱

内燃机热电冷三联供技术经济评价

表1 ̄表4为重庆某商业综合区采用燃气内

图7内燃机热电冷三联供流程图

燃机热电冷三联供系统和常规方案(电制冷+燃气

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锅炉)的经济性比较。

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表3常规系统(电制冷+燃气锅炉)设备初投资费用主要设备离心电制冷机组

6.1部分基准参数

(1)天然气低位发热量:35200kJ/m;(2)重庆市天然气价格:2.05元/m;

设备参数数量初投资,万元

3165kW,输入电功率548kW

3台3台4台(备1)4台(备1)1套2台

54058.535381.528701

冷却塔冷却水泵冷热水泵软水及补水装置燃气热水锅炉

合计

750m3/h700m/h,22m

33

(3)重庆市的电价政策:高峰电时段:8:00~

12:00,19:00~21:00,价格:1.230元/kWh;平电时段:7:00~8:00,12:00~19:00,价格:0.820元/kWh;低谷电

时段:23:00~7:00,价格:0.410元/kWh;

(4)夏季制冷期考虑120d,冬季供暖期考虑120d;(5)商业区使用时间为:9:00~21:00。

590m/h,32m3500kW

6.2技术经济评价

本方案采用差额比较法,即在满足热电冷负荷的前提下,热电冷联供系统和常规系统相比,增加的初投资及减少的运行费用。这种方法只用于电价、燃料价格及各种设备投资,避免了目前市场上较为混乱的供热供冷价格,因而评价体系比较客观。

表1燃气内燃机热电冷三联供设备初投资费用主要设备内燃机发电机组烟气热水型溴化锂直燃机组

溴化锂直燃机组

冷却塔Ⅰ冷却塔Ⅱ冷却水泵Ⅰ冷却水泵Ⅱ冷热水泵缸套水循环泵软水及补水装置

合计

设备参数发电功率500kW

数量,台初投资,万元

表4常规系统(电制冷+燃气锅炉)运行及维护管理费用

万元

费用耗燃气费用制冷制热设备耗电费用照明、电器等其它耗电费用

合计

运行及维护管理费用

26320288634

冷三联供系统500kW发电机组为国家节约电力投资费用约450万元。可见燃气内燃机热电冷三联供系统不仅大大提高了一次能源利用率,而且在经济性上相对常规系统具有较大的优势。

1111015(备1)25(备1)11套

300720560783252.51511.51706

4652kW4652kW300m3/h125m3/h640m3/h,17m103.4m3/h,17m300m/h,32m

7结语

(1)热电冷三联供是对能源的梯级利用,具有能源

利用率高、节电、环保、调节气电峰谷差等优点,合理的设计和运行可以取得良好的经济效益;

(2)热电冷三联供的设计应根据能源利用次序、运行方式、规模大小来确定合理的形式;

(3)内燃机热电冷三联供系统对于余热的利用有多种形式,要根据项目实际情况,通过经济技术比较,选择合适的方式;

109m3/h,7.5kW

表2燃气内燃机热电冷三联供运行及维护管理费用

万元

费用

发电机组维护管理费用

耗燃料费用制冷制热设备耗电费用照明、电器等其它耗电费用

合计

运行及维护管理费用

(4)内燃机热电冷三联供系统相对传统系统,增量投资回收期不到5a,并且为国家节约大量电力投资建设费用,在经济上是合理的。

参考文献:

[1]严俊杰,黄锦涛,何茂刚.冷热电联产技术[M].北京:化学工业出版

社,2006.

2521111182429

增量投资回收期(1706-701)((a),/634-429)=4.9即不到5a。另一方面,再从目前火电机组的售价约为

[2]华贲.分布式能源系统在广东的发展[A].第二届中国分布式能源国

际研讨会论文集[C].2006.

收稿日期:2008-03-26修回日期:2008-04-01

(下转第27页)

5000元/kW,按环保要求,新上火电机组必须配备脱硫

设备,这样,发电机组价格为9000元/kW。因此该热电

专题研讨小;

(3)送风温度和送风速度过小或过大,都可能会影响室内舒适性程度。因此,在拟定置换通风气流组织形式的送风方案时,适中的设定值应该是方案的首选,同时还能兼顾到整个建筑系统的节能降耗问题。

参考文献:

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Company,Malabar,FL,1982.

收稿日期:2007-10-18修回日期:2008-03-03

StudyonInfluenceFactorsofThermalComfortinRoomswith

DisplacementVentilation

CHENGuang,

WANGDong-wei,

DAIXin,

MENGQiu-min

(AnhuiUniversityofTechnology,Ma'anshan243002,China)

Abstract:TheindoorthermalenvironmentofthedisplacementventilationhasbeennumericallysimulatedbyusingthesoftwareFLUNET,thePMVwascomputedaccordingtothevelocityandtemperaturefield,andparametricstudieswereconductedbyorthogonalexperiment.AccordingtothedistributionofPMV,thefactorswhichinfluencetheindoorthermalcomfortwereanalyzedsuchasthestyleofsupply-airoutlet,thevelocityandtemperatureofsupply-air.Thebestcombinationoflevelsparametersismadeinconclusion.Theresultsshowthatsupply-airmainlyinfluencesonthePMVneartheoutlet,thepopulationvariationofPMVinseveralcasesaretendtobeuniform;Themostsignificantfactorwasthevelocityofsupply-airwhichinfluencetheindoorPMV;Theindoorthermalenvironmentisrelativelybetterinthecaseswhichthevelocityofsupply-airis0.25m/sorthetemperatureis18℃.

Keywords:displacementventilation;thermalcomfort;numericalsimulation;orthogonalexperiment

作者简介:

陈光(1963-),男,河北玉田人,博士,教授,院长;王东伟(1981-),男,河南驻马店人,硕士研究生。

(上接第5页)

CombinedCooling,HeatingandPowerSystemBasedonGasEngine

LIUYue-qin1,2,

DAIYan3,

YEShui-quan2,4

(1.HangzhouHuadianHuayuanEnvironmentEngineeringCo.,Ltd,Hangzhou310030,China;

2.KeyLaboratoryofThermalEnergyStorage&BuildingEnergySavingZhejiang,Hangzhou310030,China;

3.ShenzhenElectronicsDesignInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518031,China;4.StatePowerMachineryResearch&DesignInstitute,Hangzhou310030,China)

Abstract:Thispapermainlydiscussedtherunningmodeanddesignmethodofcombinedcooling,heatingandpowersystembasedongasengineandcompareditseconomicperformancewithconventionalsystem.

Keywords:combinedcoolingheatingandpower;

作者简介:

gasengine;wasteheatutilization

刘月琴(1974-),女,新疆人,工程师,研发中心主任,主要研究方向:蓄能空调与建筑节能。

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/ko5q.html

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