供熱系統(tǒng)中能量分級的研究

供熱系統(tǒng)中能量分級的研究

1熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)天然氣是一種高效、清潔的能源。在相同的發(fā)熱條件下，燃燒天然氣產(chǎn)生的co和nox等污染物比燃料和煤炭少得多，產(chǎn)生的so2也很少。所以大力開發(fā)利用天然氣資源,可為改善我國的能源結(jié)構(gòu),降低燃煤比例,控制環(huán)境污染,提高空氣質(zhì)量,發(fā)展多種形式的能源供應(yīng)技術(shù)和供應(yīng)模式奠定基礎(chǔ)。天然氣作為一種高效清潔能源,如何合理利用、提高能源的利用率是重要的研究課題。近年來,國內(nèi)外都致力于總能系統(tǒng)的研究。所謂總能系統(tǒng)就是能量自給系統(tǒng),即該系統(tǒng)所需的能量幾乎都是由系統(tǒng)中所設(shè)的唯一能源供給。熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是一種典型的總能系統(tǒng),其特點是能提高一次能源利用率,實現(xiàn)能量的分級使用,從而達到能源綜合利用的目的。20世紀80年代以前,世界上大多數(shù)國家都采用蒸汽鍋爐與汽輪機發(fā)電機組發(fā)電這種模式。文獻結(jié)合北京第一熱電廠、北京第二熱電廠所屬供熱系統(tǒng),分析在夏季具有冷負荷和生活熱水負荷時,熱網(wǎng)參數(shù)對熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)一次能耗的影響。隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展和性能的提高,再加上世界各國對環(huán)境污染的限制越來越嚴格,許多國家已逐步轉(zhuǎn)向以燃氣輪機發(fā)電機組為主的熱電冷聯(lián)供模式。樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)是將天然氣作為燃料,利用小型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機等設(shè)備,將天然氣燃燒后獲得的高溫煙氣首先用于發(fā)電,然后利用余熱在冬季為建筑物供暖,在夏季驅(qū)動吸收式或壓縮式制冷機為建筑物提供冷量,同時還可提供生活熱水。該系統(tǒng)生產(chǎn)的電力可以自用,也可以并入電網(wǎng)。在夏季發(fā)電和進行制冷可以有效緩解大量使用電力空調(diào)帶來的電力高峰,也可以減少天然氣冬夏兩季巨大的季節(jié)性峰谷差。文獻對樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應(yīng)用進行了研究,分析總結(jié)了熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)核心設(shè)備(燃氣發(fā)電機)的技術(shù)性能特點,指出了熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計時必須注意的問題、設(shè)計流程以及目前工程實踐中的難點。薛梅等結(jié)合熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用,分析了天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的技術(shù)特征與效益。文獻介紹了吐魯番市實現(xiàn)天然氣熱電冷聯(lián)供的方案論證?？傊?利用天然氣實現(xiàn)熱電冷聯(lián)供,是高效、合理利用天然氣,并有效控制城市環(huán)境污染、改善空氣質(zhì)量的途徑之一。2當?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用模式有許多種,這主要取決于當?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)。無論采用哪種模式都包括動力設(shè)備、制冷及供熱等主要裝置。動力設(shè)備主要有燃氣輪機、內(nèi)燃機及燃料電池等,制冷及供熱裝置可選擇壓縮式、吸收式或其他方式等。2.1燃氣程序機組的組成與效率樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備主要有燃氣輪機及內(nèi)燃機等。樓宇式熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)中小型燃氣輪機的排煙溫度通常在500℃左右,非常便于回收利用,這是其他熱電聯(lián)產(chǎn)方式難以比擬的;小型燃氣輪機可采用煙氣回注技術(shù),將燃燒后的高溫煙氣通過一個設(shè)計緊湊的小型回熱器實現(xiàn)回熱循環(huán),對燃料預(yù)熱,提高系統(tǒng)能效,并且其氮氧化物排放量極低;小型燃氣輪機體積小,占地少且重量輕。燃氣內(nèi)燃機的技術(shù)比較成熟,發(fā)電效率高,可使用多種低熱值燃氣,但與小型燃氣輪機相比,其氮氧化物排放量稍高。實際上,在熱電冷聯(lián)供機組中,特別是小型(小于104kW)機組中,與燃氣輪機相比,燃氣內(nèi)燃機還有其他較明顯的優(yōu)勢,比如燃氣內(nèi)燃機有良好的低負荷運行特性,最低可在滿負荷的25%的負荷下工作,且其效率保持不變;多臺燃氣內(nèi)燃機組成的機組群使用靈活,可根據(jù)實際負荷的需要,通過開停機來調(diào)節(jié)發(fā)電輸出功率,其發(fā)電效率不變。總之,樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備各有其特點,應(yīng)該根據(jù)實際情況進行選擇。2.2插裝式制冷機動力設(shè)備+低燃料樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的模式主要有以下5種:①動力設(shè)備(燃氣輪機)+吸收式制冷機。②動力設(shè)備(燃氣輪機)+排氣再燃型吸收式制冷機。③動力設(shè)備(燃氣內(nèi)燃機)+余熱/直燃型吸收式制冷機。④動力設(shè)備(燃氣輪機)+余熱鍋爐+蒸汽輪機+吸收式制冷機。⑤動力設(shè)備(燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機)+壓縮式制冷機。2.2.1供熱利用冷聯(lián)供系統(tǒng)由于前4種系統(tǒng)模式的制冷裝置都是吸收式制冷機,這里只以第3種系統(tǒng)模式,即燃氣內(nèi)燃機+余熱/直燃型吸收式制冷機為例加以說明。這種模式的燃氣發(fā)電機組在發(fā)電的同時,利用尾氣排出的廢熱,進行供熱和制冷。由于熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)在供熱和制冷時充分利用發(fā)電設(shè)備排放的低品位熱量,實現(xiàn)了能量的梯級利用,因而是一種高效的城市能源供應(yīng)系統(tǒng),有利于降低能耗,彌補夏季用電高峰不足,改善大氣環(huán)境。圖1給出了燃氣內(nèi)燃機+余熱/直燃型吸收式制冷機的工藝流程。2.2.2燃氣冷聯(lián)供發(fā)電現(xiàn)行的熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)大多是在熱電聯(lián)供的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,且與制冷制熱有關(guān)的系統(tǒng)絕大多數(shù)采用吸收式機組,而較少考慮壓縮式機組。燃氣內(nèi)燃機+壓縮式制冷機這種模式是以燃氣內(nèi)燃機作為動力來驅(qū)動壓縮式制冷機組,如果組合發(fā)電機還可以用來供電,以實現(xiàn)熱電冷聯(lián)供。它的工作原理是把燃氣送入內(nèi)燃機,燃氣燃燒后釋放的熱能轉(zhuǎn)化成動力來驅(qū)動制冷機組的壓縮機,從而達到夏季制冷、冬季供熱的目的,而且還可以同時提供生活用水。這種模式通常稱為燃氣機熱泵(簡稱GEHP)。由于有效地回收了發(fā)動機冷卻水和排煙的熱量,所以它具有很高的一次能源利用率。它可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求,當只需供熱與供冷時,也可以解耦發(fā)電機,不進行發(fā)電,使該系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。這種模式非常適合于同時需要供熱、供冷和供電的分散用戶、商業(yè)區(qū)和居民區(qū),遠離城市或無電源的邊遠區(qū)域,或醫(yī)院建筑以及軍用等應(yīng)急領(lǐng)域。但是在小容量發(fā)電并網(wǎng)方面,還有很多技術(shù)和管理方面的障礙。3建筑冷冷系統(tǒng)的特點%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32%32對普通的火力發(fā)電系統(tǒng),排熱損失約占60%,其發(fā)電效率約32%～38%。而對于樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng),發(fā)電效率約25%～40%,而排熱利用效率占40%～50%,能源綜合利用效率可以達到70%～80%,而未利用的排熱損失僅為20%～30%。發(fā)電冷卻系統(tǒng)天然氣燃燒可得到1500℃以上的高溫,首先利用這部分高溫熱能驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電,然后利用蒸汽輪機發(fā)電,最后再利用發(fā)電后的低溫排放熱供應(yīng)熱水、蒸汽。這樣根據(jù)能量品質(zhì)的高低,來實現(xiàn)能量的梯級利用,獲得能量綜合利用的最佳效果。co和nox的量天然氣是一種清潔優(yōu)質(zhì)能源,燃燒后不會產(chǎn)生灰塵,產(chǎn)生CO2和NOx的量也少。此外,天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)還能緩解用電高峰,能源供給更加安全可靠,提高了天然氣管網(wǎng)的輸送經(jīng)濟性,投資回報率高,系統(tǒng)形式多,適用性廣。4大力發(fā)展清潔能源,促進能源的全面利用近年來,樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。美國在1999年提出要發(fā)展樓宇式冷熱電聯(lián)產(chǎn),替代熱電聯(lián)產(chǎn),以取得更大的能源利用效率和經(jīng)濟效益。2000年我國國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委、建設(shè)部、國家環(huán)保總局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》(計基礎(chǔ)1268號),鼓勵使用清潔能源,鼓勵發(fā)展熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和熱、電、煤氣聯(lián)供,以提高熱能綜合利用效率。以小型燃氣發(fā)電機組和余熱鍋爐等設(shè)備組成的小型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),適用于廠礦企業(yè)、寫字樓、賓館、商場、醫(yī)院、銀行、學校等較分散的公用建筑。4.1熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)美國在熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)領(lǐng)域做了很多開發(fā)和商業(yè)化研究,尤其是樓宇式熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)(簡稱BCHP系統(tǒng))在美國發(fā)展迅速,采用BCHP系統(tǒng)的學校、大型超市、高層寫字樓等大型建筑越來越多。此外,美國能源部還制訂了燃氣熱電冷發(fā)展目標:2005年確保行業(yè)法規(guī)朝有利方向發(fā)展,即稅收優(yōu)惠,碳化物排放貿(mào)易化,確定合理的電力輸出費用,建成200個示范工程;2010年20%的新建商用建筑、5%的現(xiàn)有商用建筑、25%的美國能源部熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)項目用戶采用熱電冷三聯(lián)供;2020年,50%的新建商用建筑、15%的現(xiàn)有商用建筑采用熱電冷三聯(lián)供。美國、歐洲國家、日本等發(fā)達國家為了鼓勵發(fā)展高效率、低排放的能源利用系統(tǒng),由政府牽頭,開展一系列的工作,推行各種優(yōu)惠政策。如:日本制定了“環(huán)保資金使用政策”、“熱電聯(lián)供基礎(chǔ)上發(fā)電上網(wǎng)政策”等。日本在熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用方面領(lǐng)先于歐美,日本熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)所用天然氣占城市燃氣的80%,占一次能源的10%以上。英國曼徹斯特機場是比較有代表性的一個工程,該機場實行熱電冷聯(lián)產(chǎn)后,每年可減少CO2排放量5×104t/a,減少SO2排放量1000t/a,經(jīng)濟效益和環(huán)保效益都十分顯著。4.2天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)由于受各方面因素的限制,國內(nèi)對天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的研究起步較晚,已經(jīng)投入運行的實際工程也相對較少,主要集中于民用建筑中,也就是BCHP系統(tǒng)。表1給出了國內(nèi)熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用情況。隨著西氣東輸工程的建成,北京、天津、上海等城市大力推廣利用天然氣,發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。《北京奧運行動規(guī)劃》提出:要“優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu),大力引進和發(fā)展天然氣、電力等優(yōu)質(zhì)清潔能源”。在2008年奧運園區(qū)和其他體育場館一次能源的使用將主要是天然氣,并且發(fā)展天然氣熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),實現(xiàn)天然氣的合理梯級利用。此外,天津海河開發(fā)也將大力推廣天然氣,推出燃氣區(qū)域空調(diào)。上海調(diào)整能源結(jié)構(gòu)工作會議決定:今后將不再新建燃煤電廠,抓緊建設(shè)燃氣電廠,建成重點工業(yè)區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)項目。全國18個潔凈能源試點城市幾乎都在積極引進天然氣,擴大天然氣的使用范圍。5燃氣發(fā)電是天然氣的基本保障目前,影響樓宇式天然氣熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)在我國應(yīng)用與發(fā)展的主要障礙是天然氣的價格。如果把天然氣單純用來發(fā)電,難以與燃煤電廠競爭,不具有經(jīng)濟合理性。另一方面,天然氣價格按等熱量比較,要比煤炭高得多,也不具備替代煤炭的條件。所以慎重選擇天然氣的使用方式,明確應(yīng)用天然氣的發(fā)展方向,對天然氣工業(yè)本身意義重大。國際能源機構(gòu)(IEA)在其研究報告《開發(fā)中國的天然氣市場:能源政策的挑戰(zhàn)》中指出,通過在城市里部署大量的中型(功率≤50MW)燃氣發(fā)電機組來分散發(fā)電有一系列的益處。該系統(tǒng)能支撐天然氣需求,有助于輸配管網(wǎng)的建設(shè),可以利用廢熱,并能減少城市污染。使用更小的熱電聯(lián)產(chǎn)機組或冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組應(yīng)該是天然氣應(yīng)用發(fā)展的長期取向。經(jīng)過研究論證,中國發(fā)展利用天然氣資源的大型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電項目是不切實際,也是得不償失的。這一結(jié)論與我國大多能源專家的意見一致。另外,許多專家認為,利用燃氣機熱泵逐步實現(xiàn)區(qū)域制冷和熱電冷聯(lián)供,也是一種切實可行的節(jié)電方法。以天然氣為能源的燃氣機熱泵可以同時提供制冷、供暖、熱水等功能,具有較高的環(huán)保和經(jīng)濟價值,并且在電力負荷高峰的夏季,還