[電力]熱電冷冰電池聯合循環(huán)——異步融錯 能源系統(tǒng)發(fā)電技術的夢之組合

1、電力熱電冷/冰電池聯合循環(huán)異步融錯 能源系統(tǒng)發(fā)電技術的夢之組合【摘要】燃機進氣冷卻異步融錯能源系統(tǒng)：將熱電系統(tǒng)與冰蓄冷（冰電池）組合，實現能量的互換。將不同的能源需求，在不同的需求時段，針對不同的用戶，根據不同的負荷特性進行異步式融合交錯。利用燃氣輪機、離心制冷機組和冰蓄冷的特性將能量進行隨機調節(jié)，互相轉化。實現系統(tǒng)的異步配合，協調互補。隨時將多余電力轉換為冰存儲，用存冰應對冷需求的峰谷變化，同時根據燃氣輪機受到環(huán)境溫度變化的影響甚大的特性，通過冰水來預冷燃氣輪機進氣以獲得更大出力來調節(jié)電力峰谷的變化，從而達到系統(tǒng)最優(yōu)化、降低綜合系統(tǒng)造價和節(jié)能的多重目的。關鍵詞：異步融錯分布式能源冰蓄冷冰電池

2、超冷燃機進氣冷卻異步融錯能源系統(tǒng)：將熱電系統(tǒng)與冰蓄冷（冰電池）組合，實現能量的互換。將不同的能源需求，在不同的需求時段，針對不同的用戶，根據不同的負荷特性進行異步式融合交錯。利用燃氣輪機、離心制冷機組和冰蓄冷的特性將能量進行隨機調節(jié)，互相轉化。實現系統(tǒng)的異步配合，協調互補。隨時將多余電力轉換為冰存儲，用存冰應對冷需求的峰谷變化，同時根據燃氣輪機受到環(huán)境溫度變化的影響甚大的特性，通過冰水來預冷燃氣輪機進氣以獲得更大出力來調節(jié)電力峰谷的變化，從而達到系統(tǒng)最優(yōu)化、降低綜合系統(tǒng)造價和節(jié)能的多重目的。2003 年 11 月，由世界著名超冷技術公司-美國璦瑪斯（Imux）公司與中國分布式能源技術推廣機構-

3、群鷹公司組合團隊正式提出：將采用熱電冷聯產與冰蓄冷（冰電池）技術組合為一能夠異步式協調運行，具有熱電冷融錯能力的分布能源系統(tǒng)來解決廣州大學城 18 平方公里內 10 所大學 14 萬學生的制冷、生活熱水、部分電力的綜合供應。在分布式能源項目中，熱電冷需求的同步問題是一個非常困擾的問題，往往用電高峰與用熱或冷的高峰難以同步，或者過于同步，從而導致了巨大的需求變化差異與峰谷問題，使得系統(tǒng)無法適應。分布式能源系統(tǒng)是在一個相對狹小的區(qū)域空間內對能源需求進行整合，優(yōu)化空間小，手段有限，導致設備利用率降低，能源浪費增加，最后很難使系統(tǒng)達到設計的能源效率與經濟效果。在系統(tǒng)設計中，若按照用電用冷和熱的高峰確定

4、容量，勢必系統(tǒng)容量太大，全年多數時間無法運行；若按照基本負荷設計容量，又必然會發(fā)生可能是高峰能力不足，低谷能力過剩。如果不能找到一種手段來解決分布式能源的同步問題，將影響該技術的健康發(fā)展。筆者曾經三度推廣了采用余熱吸收式制冷的分布式三聯供系統(tǒng)，然而這一系統(tǒng)只能同步進行熱電冷三聯產，無法實現熱電冷異步調節(jié)，除非采用直接補燃或再燃才能解決對冷和熱的正相調節(jié)問題，而負相調節(jié)則必須通過將余熱資源排空浪費的辦法才能解決，其節(jié)能性雖然好于熱電冷分產，但經濟效益還是受到不小影響。廣州大學城今后將有 14 萬學生在此就讀，總人口達到 30 萬人，這樣大的一個項目用戶使用能源的方式又非常相似，同時上課，同時下課

5、，同時吃飯，同時睡覺。無論是電、熱、冷都會出現巨大的峰谷差異，如果采用傳統(tǒng)觀念和技術將根本不可能解決。有專家建議利用大學城南部江對岸的一座 5.5 萬 kW 燃煤熱電廠，建設一條過江隧道，將 10bar 蒸汽送入全島，采用溴化鋰吸收式空調為10 所大學 800 多萬平方米進行制冷。然而，所有大學都會在 8 點開始上課，8-9 點將可能出現全島制冷高峰，而此時正好是廣州電網的用電高峰，熱電廠如果并網電廠運行，就需要接受廣州地調指揮。它面臨著必須一邊應對發(fā)電高峰，一邊應對制冷蒸汽需求的蒸汽供應高峰。根據抽凝式蒸汽輪機發(fā)電機組特性，由于進汽通流量限制，當抽氣量增加，凝汽量減少時，發(fā)電量將會下降。而制

6、冷高峰期過后，制冷蒸汽需求降低時，正好也是電網越過用電高峰進入平峰的階段，即便有足夠的蒸汽發(fā)電了，電網也不需要了，因為廣州電網的峰谷特性與制冷空調特性曲線非常吻合，如果采用只能同步的技術，沒有蓄能措施將無法應對這種需求的復雜變化。若是作為大學城自備電廠解網運行，卻又面對大學城自身的電負荷與冷負荷同步性差的問題，大學用戶的電力負荷如果電制冷被集中制冷代替，用電將主要以照明為主，將會出現當日照好時，需要制冷增加，而照明電力減少的問題；而入夜，照明電力達到高峰時，因為氣溫會有所下降，空調負荷也會隨之減少。尤其夜間電力需求將會變的很低，但空調負荷依然會有。還有一個問題是負荷變化將會非常明顯，非常迅速。

7、例如一場暴雨，可能會使電力負荷迅速增加，而隨之空調負荷又可能迅速下降，燃煤機組將很難適應這種激烈復雜的變化，即便今后安裝的燃氣輪機機組若沒有一個有效的緩沖系統(tǒng)，也很難適應這種變化多端的負荷特性。解決上述問題首先需要一種技術將發(fā)電、供熱、制冷分離，解決系統(tǒng)的異步工作問題，可以分別使用各種能源的變化，并使三種能源不僅具備獨立的調節(jié)能力，同時可以實現互補和轉換，而且這種轉換應該是廉價的。為解決這一問題，璦瑪斯與群鷹經過仔細研究，決定將兩種非常成熟的技術進行銜接-冰蓄冷與燃氣輪機進氣冷卻增容技術。經過測算，系統(tǒng)各種能源的保障容量完全可以異步適應大學城各種復雜的需求變化。分布式能源站的燃氣輪機因而可以保

8、持在一條最佳工況直線下運行，達到最佳的能源效率與最低的排放狀態(tài)。其優(yōu)點還不僅于此，它還可以幫助大學城用戶對于網電的需求進行優(yōu)化，不僅可以使電網供電變?yōu)橐粭l恒定直線，完全沒有波動，而且可以通過在固定容量電費的條件下，盡量增加利用電量電價達到降低綜合電價的經濟效益。也是因為建立了冰蓄冷系統(tǒng)，將可以使用超冷技術得以應用，將 1.1冰水供應到全島的每一用戶，解決了一系列的技術障礙，降低了所有環(huán)節(jié)的建造和運行成本。廣州大學城將要建設的分布式能源站將采用以澳洲液化天然氣為燃料的燃氣輪機-蒸汽輪機聯合循環(huán)熱電冷聯產技術，但是采用何種形式能源利用技術的效率更高？技術更合理？解決能源合理利用的核心因素是中國科學

9、院吳仲華院士早就提出的一個基本原則-“溫度對口，梯級利用”。大學城能源需求主要的種類有電力、制冷冰水、60生活熱水和少量洗衣、消毒用的低品位蒸汽。將燃氣輪機 500余熱煙氣用于生產 180 蒸汽制冷和供應 60的生活熱水顯然溫度不對口，肯定會造成浪費。所以，璦瑪斯-群鷹的系統(tǒng)方案采用了利用蒸汽輪機冷凝水、余熱鍋爐后段廢熱和制冷機冷卻水余熱的方式供應熱水。除此之外，最大限度提高系統(tǒng)的電能和冷能的轉換效率。冷效率法是同濟大學龍惟定教授最早提出的，是一個對熱電冷三聯產效率的綜合評價方法，它強調對 用的利用效率，而不是熱的利用效率，使我們擺脫了顯然不夠合理的熱效率比較法。龍惟定教授的方法是：在同等燃料

10、耗量下，無論采取那種能源轉換方式，最后折算為冷量，誰產生的冷量越多，誰的效率越高，誰的系統(tǒng)就最優(yōu)化。這一評價方法尤其對于以制冷為主的項目最為合適。根據下表比較，以及廣州大學城分布式能源站項目的實際需求分析，采用全電式和離心式熱電冷三聯產的效率比吸收式制冷高 10%以上。因此，璦瑪斯-群鷹在大學城項目中建議采用全電式和離心式混合熱電冷三聯供方式，并配之冰蓄冷及冰電池系統(tǒng)。冷效率方式比較方式單位蒸汽吸收制冷前置循環(huán)熱電冷三聯產蒸汽吸收制冷聯合循環(huán)熱電冷三聯產蒸汽離心制冷前置循環(huán)熱電冷三聯產全電離心制冷聯合循環(huán)熱電冷三聯產燃料當量kW100100100100發(fā)電效率%33%42%33%50%轉換電量

11、kW33423350電制冷效率COP4444轉換冷量kW132168132200高位余熱量kW471347轉換功當量kW18制冷效率COP114余熱制冷量kW471372總制冷量kW179181204200璦瑪斯-群鷹將使制冷機組與冰蓄冷（冰電池）技術有機地融合，采用雙蒸發(fā)器制冷機組可以制冷水也可以制冰，動力源采用電動和蒸汽渦輪混合編組，可以利用多余的電能驅動電動離心機組制冷，也可以利用燃氣輪機余熱鍋爐產生的高壓蒸汽作為動力，驅動蒸汽渦輪離心機組制冷。實際上，蒸汽渦輪離心機組雖然節(jié)省了發(fā)電環(huán)節(jié)的電能損耗，而且可以與蒸汽發(fā)電機組共用冷卻塔，卻增加了一臺機組與場地的投資，如果不考慮國家對于熱電廠的

12、熱電比考核的因素，也是完全可以省略的。當然，在其他一些制冷量大而發(fā)電量小的項目中，可以考慮采用余熱鍋爐補燃技術與蒸汽輪機驅動離心機制冷，通過對余熱鍋爐補燃，增加蒸汽供應量來實現增加制冷量的目的。璦瑪斯擁有一種外溶冰超冷供冷技術，能夠為用戶提供 1.1近乎于冰漿的超低溫冷水，保證系統(tǒng)不會解凍，并可以將這種低溫冷凍水遠距離輸送，由于該技術的輸送溫度低和流速快，且輸水管道截面直徑僅為目前中國和日本常用方式的一半。在廣州大學城項目中，采用傳統(tǒng)方案需要建設一對直徑 1.2 米的冷凍水環(huán)島主管道，而璦瑪司-群鷹組團只需要 0.6 米的一對管道即可。超冷技術不僅主管道投資大幅度減少，所有的支管網和用戶空調系

13、統(tǒng)的投資都大量減少。因為是低溫高速輸冷，所以冷損失極小，幾乎可以忽略不計。這種超低溫冷凍水，吸收潛熱能力強，除濕效果非常好。用戶使用這種低溫冷凍水制冷供應全新風空調系統(tǒng)，空氣濕度可以從目前的 50-60%，下降到 40%，在達到同等舒適程度的條件下，至少可以節(jié)能 10%，及減少 10%的冷費。低溫冷凍水用途極為廣闊，除制冷外，可以代替大型冷凍箱進行食品和藥物的保鮮等等。除此之外，另一個最重要的效益就是為分布式能源站的燃氣輪機發(fā)電機組進行進氣制冷，以提高機組出力。因為其溫度低，降溫溫差大，降溫系統(tǒng)小，從而投資節(jié)省。美國 Solar 大力神 130 機組的出力與環(huán)境溫度關系曲線Availabie

14、Performance對于燃氣輪機，環(huán)境溫度直接影響到它的發(fā)電出力和發(fā)電效率，尤其是出力。許多燃氣輪機發(fā)電廠夏季的發(fā)電出力平均損失 20-30%，而夏季正值電力需求的高峰，如果能夠有效修正，等于系統(tǒng)增加 20-30%的發(fā)電容量。如若建立一個儲冰槽，將夜間低谷的電力轉換為冰儲存起來，在白天用于降低燃氣輪機進口溫度來增加處理，無疑等于建立了一個蓄電系統(tǒng)，所以有人將其稱之為“冰電池”。以美國索拉公司大力神 130 燃氣輪機發(fā)電機組為例，其對于溫度變化的效率和出力變化差異巨大。美國 Solar 大力神 130 機組 10-35環(huán)境溫度變化對出力的影響工況容量(kW)比例效率15ISO 工況131821

15、00%32.78%10工況13704104%33.12%35工況1078482%30.97%10-35工況差292027%2.15%根據計算（見下表），要想將一臺 13MW 的索拉大力神 130 機組的進氣溫度從 35降至 10，需要每小時對約 14.5 萬立方米空氣進行冷卻。美國 Solar 大力神 130 機組 10-35環(huán)境溫度變化的流量計算項目名稱單位1035差值出力kW13713107912922燃耗GJ/h149.05125.4423.61效率%33.12%30.97%44.55%煙氣流量kg/h18244215545626986m 3/h14954312742322120空氣流量

16、m 3/h14530512385621448每小時將 130 機組進氣溫度降低到 10僅需要在夜間低谷時段消耗 305kWh 的電能，加上這一部分消耗的能量，發(fā)電效率僅下降 0.24%，而每kWh 低谷電可以換取 9.57kWh 高峰電力，其經濟性極為顯著。建造成本與運行成本都小于抽水蓄能電站，是一種非常理想的蓄能技術。美國 Solar 大力神 130 機組 10-35環(huán)境溫度變化的效率評估項目名稱單位數值冷卻空氣量m 3/h145305單位體積空氣冷卻能耗kJ/m 31.21溫差25需要冷量kWh1221制冷 COP4制冷耗電量30510發(fā)電出力kW1371310發(fā)電燃耗kW41403系統(tǒng)總

17、能耗kW41708發(fā)電效率%32.88%發(fā)電效率下降率%0.24%索拉大力神 130 機組只有 13MW，如果廣州大學城采用聯合循環(huán)總裝機容量 120MW，其中有 84MW 為燃氣輪機，進氣降溫技術可以在夏季增加出力近 19MW 的電力，如果要維持 6 小時的頂峰能力，需建立一個不到 3500 冷噸的冰需冷系統(tǒng)。如果考慮這一系統(tǒng)將可能時實時運行-隨時將多余電力轉換冷量收存，并根據負荷變化而隨時又轉換成為電力輸出，其系統(tǒng)規(guī)模將可能明顯減少。采用超冷進氣冷卻技術的澳大利亞達爾文港海峽島發(fā)電廠璦瑪斯 CEO Tom Brady 先生曾經采用其超冷進氣冷卻技術成功解決了澳大利亞達爾文港海峽島燃氣輪機發(fā)

18、電廠的處理不足問題。該電廠安裝了 5 臺 GE 6B 燃氣輪機發(fā)電機組，每臺機組的設計出力為 36MW。但是由于當地環(huán)境溫度高達37，燃氣輪機的實際出力不足 32MW。采用了璦瑪斯的蓄冰冷卻技術后，進氣溫度降至 9，其高峰時段的頂峰出力達到 40MW。全廠燃氣輪機發(fā)電量增加了25%，等于增加了一臺同容量的燃氣輪機發(fā)電機組。照片上白色裝置為進氣冷卻系統(tǒng)。燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電廠的單位造價為 5000 元/kWh 左右，廣東電網的高峰期為 6 小時，建立一個能夠每日維持使用 6 小時的冰蓄冷系統(tǒng)，投資為 6100 美元/冷噸，基本也在 5000 元人民幣左右，與電廠造價相當，但是蓄冰系統(tǒng)可以幫助發(fā)電廠保持負荷出力穩(wěn)定在最