熱電冷聯供系統(tǒng)的主要設備設計

熱電冷聯供系統(tǒng)的主要設備設計

1熱電冷聯供系統(tǒng)發(fā)展歷程能源是人類生存和社會發(fā)展的基本前提。隨著我國經濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源消費日益增長，造成了多項影響。比如在電力方面,由于電力的緊缺,造成目前全國已經有24個省市出現拉閘限電現象。能源問題已經成為人們日益關注的焦點,隨著西氣東輸工程的拓展,天然氣在城市能源系統(tǒng)中已顯示出日益重要的作用,城市合理利用天然氣的一個重要途徑是發(fā)展熱電冷聯供系統(tǒng),熱電冷聯供系統(tǒng)將天然氣利用、發(fā)電、制冷和供暖技術整合在一起,具有能源利用率高、經濟效益高、實現能源消耗季節(jié)平衡、環(huán)保、保證城市能源供應穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前從中央到地方的各級政府和職能部門對其發(fā)展應用都給予了高度重視,2000年由國家發(fā)展計劃委員會、國家經濟貿易委員會、建設部和國家環(huán)?？偩致摵舷掳l(fā)了《關于發(fā)展熱電聯產的規(guī)定》,再次明確了國家鼓勵發(fā)展熱電聯產的政策,特別支持發(fā)展以天然氣為燃料的燃氣輪機熱電聯產項目,同時強調了國家積極支持發(fā)展小型燃氣機組組成的熱電聯產和熱電冷聯產系統(tǒng)。全國各地根據國家政策、法規(guī),結合當地經濟發(fā)展形勢、天然氣供應條件及電力緊缺現狀,都在積極進行熱電冷聯產系統(tǒng)的發(fā)展應用規(guī)劃。但要使熱電冷聯產系統(tǒng)的推廣應用在我國得以健康、穩(wěn)定和快速發(fā)展,就必須重視熱電冷聯產規(guī)劃、設計和應用中的方案論證、設備配置等相關事項。2冷熱交換器的組成2.1熱電冷聯供系統(tǒng)根據熱電冷聯供系統(tǒng)中發(fā)電機組的不同及系統(tǒng)主要功能的不同,熱電冷聯供系統(tǒng)主要分成以下三類:2.1.1以蒸汽輪機為發(fā)電機組的熱電冷聯供系統(tǒng),其主要功能是供熱和供電(如熱電廠),夏季可以將一部分或全部供熱能力轉換為供冷,從而實現熱電冷聯供。2.2.2以燃氣輪機和蒸汽輪機為發(fā)電機組(燃氣輪機-蒸汽輪機聯合循環(huán)發(fā)電)的熱電冷聯供系統(tǒng),其主要功能是發(fā)電,供冷(熱)作為次要功能。2.2.3供冷(熱)及供電并重的區(qū)域熱電冷聯供系統(tǒng)(CCHP)或建筑熱電冷聯供系統(tǒng)(BCHP),系統(tǒng)中的發(fā)電機組可采用燃氣輪機發(fā)電機組(包括微型燃氣輪機)、內燃機發(fā)電機組、外燃機發(fā)電機組、燃料電池,其中,燃氣輪機發(fā)電機組和內燃機發(fā)電機組為常用發(fā)電機組。熱電冷聯供系統(tǒng)中的主要設備有發(fā)電機組、余熱鍋爐、換熱器和溴化鋰吸收式冷(熱)水機組。2.2排熱回收方式根據發(fā)電機種類以及熱源的用途不同,如表1所示,主要有以下幾種排熱回收方式。根據排熱回收方式的不同,熱電冷聯供系統(tǒng)可以劃分為以下幾種模式:2.2.1控制溫度的控制這種系統(tǒng)如圖1所示,其特點為:1)系統(tǒng)控制比較簡單,運行安全、可靠;2)適用于電負荷較大而空調負荷相對較小及對熱水需求量較大的場所,比如:旅館、酒店等。2.2.2煙氣及熱水系統(tǒng)這種系統(tǒng)如圖2所示,其特點為:1)單臺煙氣熱水型機組可實現同時利用煙氣及熱水;2)系統(tǒng)配置簡單,占地面積小;3)適用于電負荷較大而空調負荷相對較小的場所(如:工廠等);4)控制比較復雜,對系統(tǒng)運行的安全可靠性要求較高,需要解決溴冷機與發(fā)電機組之間的集中控制各種問題。2.2.3大負荷大時以電負荷較大而空調負荷相對較小的部位這種系統(tǒng)如圖3所示,其特點為:1)系統(tǒng)占地面積相對較小;2)適用于電負荷較大而空調負荷相對較小的場所(如:工廠等);3)溴冷機機組結構及控制系統(tǒng)比較復雜,對系統(tǒng)運行的安全可靠性要求比較高,需要解決溴冷機與發(fā)電機之間的集中控制各種問題。2.2.4熱、電、冷聯供系統(tǒng)這種系統(tǒng)如圖4所示,其特點為:1)采用燃氣輪機——蒸汽輪機聯合循環(huán)發(fā)電,發(fā)電效率較高;2)采用該熱、電、冷聯供系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的熱用量,提高發(fā)電機組的負荷率,從而提高經濟效益;3)適用于電負荷及熱負荷均較大的場所,比如工廠、商業(yè)區(qū)或區(qū)域性集中供電、供冷、供熱的場所,也可以適用于有大量蒸汽需求的場所,如工廠、醫(yī)院等。2.2.5熱、電、冷聯供系統(tǒng)運行效果這種系統(tǒng)如圖5所示,其特點為:1)系統(tǒng)設備配置及控制簡單,運行安全、可靠;2)采用熱、電、冷聯供系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的熱用量,提高發(fā)電機組的負荷率,從而提高經濟效益;3)適用于熱負荷較大(或對蒸汽有大量需求)的場所,比如工廠、醫(yī)院等。2.2.6余熱利用系統(tǒng)這種系統(tǒng)如圖6所示,其特點為:1)系統(tǒng)設備配置及控制簡單,運行安全性可靠性較高;2)采用熱、電、冷聯供系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的熱用量,提高發(fā)電機組的負荷率,提高經濟效益;3)適用于熱負荷較大(或對熱水有大量需求)的場所,比如賓館、休閑娛樂中心、游泳池等。這種系統(tǒng)如圖7所示,其特點為:1)直接利用排氣吸收冷溫水機對排氣進行回收,實現制冷供熱功能,設備配置簡單,占地面積小;2)可以適用于小型熱電冷聯供系統(tǒng),包括微燃機及發(fā)電功率較小的小型燃氣輪機;3)設備控制系統(tǒng)較復雜,對控制系統(tǒng)的安全性要求較高,需要解決煙氣型機組與發(fā)電機組的控制配合問題及徹底解決防止煙氣泄漏入制冷機問題。2.2.8適用于空調負荷大而電負荷小的小型熱電冷聯供系統(tǒng)這種系統(tǒng)如圖8所示,其特點為:1)對于部分項目而言配置簡單,占地面積小;2)適用于空調負荷較大而電負荷較小的小型熱電冷聯供系統(tǒng);3)設備控制系統(tǒng)非常復雜,對控制系統(tǒng)的安全可靠性要求很高,需要解決煙氣型機組與發(fā)電機組的集中控制問題及徹底解決防止煙氣泄露入制冷機問題。2.2.9利用蒸汽實現冷房運轉這種系統(tǒng)如圖9所示,其特點為:1)提高系統(tǒng)熱利用量,夏季可利用蒸汽實現冷房運轉,提高機組效率;2)系統(tǒng)控制簡單,安全性較高;3)可用于各種規(guī)模的火電廠或熱電廠。3各方案的確定熱電聯供系統(tǒng)設備較多,涉及面廣,實際設計中,必須考慮合理的企劃設計流程,如何確定最佳的企劃設計流程,將決定整個系統(tǒng)投資及運行的經濟性及實用性。根據國、內外在熱電聯供系統(tǒng)方面的有關經驗,一般認為應該考慮以下幾方面的內容:3.1.1與當地條件相關連內容的調查,包括基礎設施、建筑使用功能、電力政策、電價、當地氣(燃料)價、氣源使用政策、補助政策、各項關連法規(guī)等的調查。3.1.2對建筑物負荷容量進行確定,包括電力負荷、熱負荷(供熱、制冷、熱水、蒸汽等)的大小及用途的調查。3.1.3運轉模式及發(fā)電機運轉時間的確定,確定電主熱從運轉或者熱主電從運轉方式,確定發(fā)電機是高峰運轉還是低峰運轉。3.1.4電力系統(tǒng)基本方針的確定,確定電力系統(tǒng)要否并網發(fā)電和逆送電。3.1.5系統(tǒng)構成的確定,包括電力系統(tǒng)的規(guī)模(容量)、發(fā)電機種類、臺數的確定:排熱系統(tǒng)的熱回收方式(溫水、蒸汽、溫水+蒸汽、煙氣、煙氣+溫水)、排熱利用的用途及優(yōu)先順序、吸收式制冷機容量的確定;以及輔助熱源系統(tǒng)的確定。3.1.6針對以上內容擬定不同方案。3.1.7對不同方案計算出系統(tǒng)的性能參數,包括每年的發(fā)電量、每年的排熱量、每年的燃料消耗量、排熱利用量、排熱利用率、綜合效率等。3.1.8對不同方案計算出各個方案的設備投資費用。3.1.9對不同的企劃方案進行評價,包括以下4個方面:1)節(jié)省能源評價,比較各個方案一年的能源消耗量;2)經濟性評價,比較各個方案的設備投資、運轉費用、設備利用率、熱回收率、投資回收年限(一般投資回收期小于5年比較理想)、系統(tǒng)占地及建造費用;3)環(huán)保性評價,比較NOX、C02排放量;4)綜合評價,從社會和用戶兩個角度對系統(tǒng)的節(jié)省能源性、經濟性和環(huán)保性進行綜合評價,確定最佳設計方案。3.1.10最后確定是否采用及引進熱電冷聯供系統(tǒng)。3.2該系統(tǒng)的規(guī)劃和設計中應該解決的問題3.2.1酒店負荷與熱負荷的特性熱電冷聯供系統(tǒng)在運行時,發(fā)電與熱回收是同時進行的,因此,要根據不同功能的建筑物確定電力與熱(蒸汽、熱水、供熱、制冷)的最大負荷及每個月、每天各個時刻的負荷變化趨勢。根據不同的建筑物功能用途,電力負荷與熱負荷一般有以下幾種特性:1)一年中電力負荷與熱負荷比較穩(wěn)定;2)電力負荷與熱負荷的變化趨勢比較類似;3)建筑物的熱電比比較高。下面,以酒店及醫(yī)院為例進行說明。1)酒店的特性:a.建筑物內一般有宴會廳、客房、西餐廳、商店等;b.酒店的營業(yè)時間一般為一年365天,一天24小時,因此設備的使用率比較高;c.電力、制冷、供熱、熱水負荷即使在夜間也會有,整個一天的負荷都比較大;d.宴會廳、西餐廳即使在冬季也有可能需要制冷;e.熱水負荷(客房淋浴、廚房)的比率比較高,甚至還需要加濕。根據以上特性作出酒店的電力負荷與熱負荷的變化趨勢如圖10所示。醫(yī)院的電力負荷及熱負荷變化趨勢如圖11所示。目前熱電冷聯供系統(tǒng)采用的發(fā)電機組主要有蒸汽輪機發(fā)電機組,燃氣輪機發(fā)電機組(常用)、內燃機發(fā)電機組(常用)、燃料電池(在國內尚未普及應用)。燃氣輪機發(fā)電機組與內燃機發(fā)電機組兩者的價格、發(fā)電功率、發(fā)電質量、余熱排放參數等相差比較大,在一個特定系統(tǒng)中選用何種發(fā)電機組更合適,需要進行詳細的經濟性分析,才能作出選擇。1)燃氣輪機發(fā)電機組特性分析:a.設備費用要高于內燃機;b.發(fā)電效率較低,一般為20～30%;c.發(fā)電質量(指輸出電壓和頻率的穩(wěn)定性)較高;d.煙氣排熱量較大,排煙溫度一般高于450℃(帶回熱裝置的微燃機除外),便于進行余熱回收利用;2)內燃機發(fā)電機組的特性分析:a.設備費用低于燃氣輪機發(fā)電機組;b.發(fā)電效率較高,一般為30～45%;c.排放的余熱包括煙氣余熱缸套水余熱,缸套水溫度一般低于100℃。一般而言,如果系統(tǒng)中的熱(冷)負荷較大,而電負荷較小,宜選用燃氣輪機發(fā)電機組,否則應選用內燃機發(fā)電機組。3.2.3發(fā)電機容量配置原則a發(fā)電機組的容量配置決定設備的投資以及系統(tǒng)應用的經濟性。在確定發(fā)電機組的配置容量時,要注意發(fā)電設備部分負荷時的發(fā)電效率及運行可行性。為了使系統(tǒng)實現能源的綜合利用及高效運行,必須使用發(fā)電機組排放的余熱量得以全部或盡可能回收利用,盡量避免或減少單獨發(fā)電的運行工況。因此,要合理確定系統(tǒng)中熱(冷)、電負荷的匹配。發(fā)電機容量配置原則:a.在以熱(冷)定電的系統(tǒng)中,發(fā)電設備可以按照空調負荷的50～70%進行負荷匹配;b.在以電定熱的系統(tǒng)中,可以采用以基本電力負荷確定發(fā)電機容量的原則。不足的空調負荷可以通過補燃或其它熱(冷)設備滿足,峰值不足時的電力可從電網中補充。這樣,既可以減少發(fā)電設備的配置容量,降低設備的投資費用,又可以提高發(fā)電設備的滿負荷運轉率,保證系統(tǒng)運行的經濟性。國外的發(fā)電機容量配置經驗:a.對于酒店、醫(yī)院等熱電比比較大的功能建筑,發(fā)電設備的容量按照占整個電力容量的30～40%確定;b.對于商店、商務樓等熱電比比較小的功能建筑,發(fā)電設備容量按照占整個電力容量的20～30%確定。3.2.4發(fā)電系統(tǒng)運轉模式分類熱電聯供系統(tǒng)中,由于涉及到發(fā)電機系統(tǒng)、排熱(煙氣和溫水)利用系統(tǒng)以及排熱排放系統(tǒng)等,要想使這些系統(tǒng)有效配合運行并且達到最優(yōu)的能源綜合運用性能,這就需要考慮系統(tǒng)的運行運轉模式,運轉模式的合理性,將直接決定系統(tǒng)的能源綜合利用效率。目前設計中一般采用以下兩種運轉模式。1)電主熱從運轉(電力負荷為主)模式:是指根據電力負荷大小進行發(fā)電,同時盡可能利用發(fā)電系統(tǒng)產生的排熱,剩余的部分排熱進行放熱運轉的控制模式。如圖12所示。在用電高峰期進行發(fā)電運轉,補充電力。在電主熱從模式下運轉,發(fā)電系統(tǒng)不需要考慮建筑物的冷暖負荷,按照電力需求進行發(fā)電運轉,不會產生多余的電力。但是,當熱負荷較小時,系統(tǒng)產生的排熱只能部分利用,大量的排熱將被排放,能源的綜合利用率較低。2)熱主電從運轉(熱負荷為主)模式:是指根據熱負荷大小進行發(fā)電運轉的模式。如圖13所示,發(fā)電機產生的電力基本由自身建筑功能消耗,如有可能,也可以并網發(fā)電,輸出電力。在熱主電從模式下運轉,系統(tǒng)不會產生多余的排熱,能源利用率較高。但是,對于熱負荷變化較大的建筑物或者負荷率很低的場所,能源綜合利用效率一般很難達到期望的效果,并且發(fā)電機的使用壽命也會受到影響。3.2.5能源綜合利用效率目前,我國電力資源緊張,大多城市開始實行波峰高電價收費,在此情況下,發(fā)電機運行的時間也將決定系統(tǒng)的能源綜合利用效率。如圖14所示。1)高峰運轉模式,發(fā)電機在用電高峰時運行,這可以有效避免高峰電力的使用,降低電力使用費用,同時變配電設備的投資也將減小。2)低峰運輸模式,發(fā)電機在用電低峰時運行,這可以保證發(fā)電機長時間在額定負荷下運行,發(fā)電設備的運轉效率較高,經濟性較好。3.2.6熱電聯供系統(tǒng)相關控制的設計要點發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)一般采用兩種設置方式:系統(tǒng)并網發(fā)電和系統(tǒng)分離發(fā)電。目前我國部分省市已有相關法律法規(guī)對發(fā)電機的并網發(fā)電進行了規(guī)定。一般情況下,根據電網并網方式和電網分離方式的不同,熱電聯供系統(tǒng)的控制方式也有所區(qū)別。但是不管采用哪種方式,都需要綜合考慮系統(tǒng)各設備的運轉效率,以此為目標決定最佳的控制方式。一般設計中需要解決以下幾方面的問題:1)同步投入控制;2)發(fā)電與商用電的電力使用控制;3)發(fā)電機功率因數控制;4)發(fā)電機運轉臺數控制。3.2.7在設備中的應用目前發(fā)電機組的余熱回收設備主要有以下兩種配置方式1)在系統(tǒng)中配置余熱鍋爐,將發(fā)電機組排放的余熱轉換為蒸汽或熱水,再利用蒸汽型或溫水型溴化鋰吸收式制冷機進行供冷,并且配置熱交換器提供空調采暖熱水,或直接利用余熱鍋爐提供的熱水進行采暖。優(yōu)點:a.控制系統(tǒng)簡單、安全性高,運行可靠性強;b.可以滿足除空調熱(冷)源外的其他熱需求的場所,供應方式靈活。缺點:設備投資費用及設備占地空間相對較高。2)在系統(tǒng)中配置余熱型溴化鋰吸收式制冷機,直接利用發(fā)電機組排放的余熱驅動溴化鋰吸收式制冷機進行制冷(供暖)運行。優(yōu)點:對部分針對性項目能相對減少設備投資費用及占地空間。缺點:a.吸收冷溫水機與發(fā)電機運行互受影響,系統(tǒng)集中控制比較復雜;b.對設備運行的安全性、可靠性及系統(tǒng)集中控制要求較高;c.需要解決處理好吸收式制冷機與發(fā)電機組之間的控制銜接問題以及徹底防止煙氣泄漏入機組問題;d.難以滿足系統(tǒng)中除空調冷(熱)源外的其它熱需求場所。熱電冷聯供系統(tǒng)是配置余熱鍋爐還是配置余熱型溴冷機,不僅要考慮其初投資及占地面積,還要考慮建筑物的使用功能及冷(熱)負荷分布情況,更要考慮系統(tǒng)的運行安全及可靠性。3.2.8項目分析的項目發(fā)電機組按基本空調負荷進行匹配時,當發(fā)電機排放的余熱不能滿足峰值空調負荷需求時,系統(tǒng)中可以考慮配置余熱補燃型溴化鋰吸收式制冷機,以滿足使用需求,同時也可以減少設備投資費用及節(jié)省占地空間。但是,并不是所有的項目采用余熱補燃型溴化鋰吸收式制冷機就有優(yōu)勢,有的還會適得其反,需要具體項目具體分析。1)在系統(tǒng)中只有一臺余熱型機組時,沒有其它冷(熱)負荷調節(jié)設備,而且設備間不充足的情況下,可以考慮配置補燃型余熱型溴化鋰吸收式制冷機。但是由于補燃型機組本身控制系統(tǒng)較復雜,而且與發(fā)電機配置在一起,集中控制會更加復雜,對設備運行的安全可靠性要求很高,需要解決各種問題,因此,需要慎重決定。2)系統(tǒng)中有多臺余熱型溴化鋰吸收式制冷機,不宜將每臺都配置成補燃型溴化鋰吸收式制冷機。3)系統(tǒng)中對高峰時的空調負荷需求量很大時,不應該配置補燃型機組,而應該考慮另配置標準型機組,這樣也更安全可靠。3.2.9發(fā)電機與煙氣型溴化鋰吸收式制冷機間裝置的配合目前各個廠家都在積極推出直接利用煙氣的余熱型溴化鋰吸收式制冷機(包括補燃型),主要考慮出發(fā)點是采用煙氣型機組可以省卻余熱鍋爐,節(jié)省空間及設備投資,但是前期需要解決一些關鍵性問題,否則會帶來安全隱患。1)當機組正?；虍惓ＭC時,應該有可靠的防范措施,徹底防止煙氣進入高壓再生器導致出現結晶及其它問題而影響運行。目前一般在發(fā)電機排煙出口與煙氣型溴化