高效熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在電氣自動化中的應(yīng)用

高效熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)在電氣自動化中的應(yīng)用

分布式能源熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)三葉醇和寒冷能源系統(tǒng)是基于能量級利用的概念的系統(tǒng)。天然氣是一個次能源，產(chǎn)生了熱、電、冷的聯(lián)合供系統(tǒng)。它以天然氣為燃料,利用小型燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機、微燃機等設(shè)備將天然氣燃燒后獲得的高溫?zé)煔馐紫扔糜诎l(fā)電,然后利用余熱在冬季供暖;在夏季通過制冷機供冷;同時還可提供生活熱水,充分利用了排氣熱量。本文介紹的新型分布式能源熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng),充分考慮用電負(fù)荷及冷熱負(fù)荷,將溴化鋰機組和地源熱泵機組的冷熱負(fù)荷分配進(jìn)行了合理匹配優(yōu)化,確定最優(yōu)化的系統(tǒng)配置。與傳統(tǒng)的三聯(lián)供系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)集成了地源熱泵機組在本系統(tǒng)中,出于以下幾個方面的考慮:地源熱泵機組可以消耗發(fā)電機組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;天然氣停氣時,地源熱泵機組可以應(yīng)急供暖制冷,提高系統(tǒng)穩(wěn)定和安全性;電價處于谷價時發(fā)電機組可以停機,只運行地源熱泵機組,提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。針對系統(tǒng)多機種、多單元、多回路、多工況的特點,設(shè)計以熱定電的能源管理系統(tǒng),實現(xiàn)實時優(yōu)化、集散控制,凸顯分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的優(yōu)勢。1新三氟乙醇系統(tǒng)的應(yīng)用實例1.1冷聯(lián)供系統(tǒng)基本方案某廠區(qū)最高熱負(fù)荷為3000kW,用電最高負(fù)荷為2000kW,平均負(fù)荷為800kW,最高冷負(fù)荷為3500kW。由于冷熱負(fù)荷的變化是隨外界環(huán)境溫度而變化,具有很大隨機性,在一個制冷期120天和一個采暖期120天(24小時/天)內(nèi)的冷熱負(fù)荷分布見表1。按照以上的冷、熱、電負(fù)荷需求,初步考慮設(shè)計3500kW的熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)。在系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃中,以滿足熱負(fù)荷為主,發(fā)電機組所發(fā)電能“自發(fā)自用,不足由電網(wǎng)補充”的基本原則。本著發(fā)電自用的原則制定以下四個方案:方案一:制冷量3500kW(制熱量2800kW)直燃型溴化鋰雙效機組;方案二:制冷量3500kW(制熱量2450kW)地源熱泵機組;方案三:2臺600kW天然氣發(fā)電機組+制冷量2330kW(制熱量1860kW)煙氣水補燃型溴化鋰機組+制冷量1287.4kW(制熱量1335kW)地源熱泵機組;方案四:2臺600kW天然氣發(fā)電機組+制冷量1400kW(制熱量1120kW)煙氣水型溴化鋰機組+制冷量2100kW(制熱量1470kW)地源熱泵機組。各方案投資和運行費用對比表見表2。結(jié)論:方案一初期投資小,運行費用較高;方案二初期投資和運行費用均較高;方案三和方案四初期投資較大,運行費用較低。匹配地源熱泵可以消耗發(fā)電機組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;當(dāng)天然氣停氣時,地源熱泵可以應(yīng)急供暖制冷;電價處于谷價時發(fā)電機組可以停機,只運行地源熱泵。綜合考慮選定方案三為廠區(qū)的最佳三聯(lián)供系統(tǒng)實施方案。1.2溴化鋰機組回水原理設(shè)計采用600GF1-PwT天然氣發(fā)電機組作為三聯(lián)供的核心動力設(shè)備,發(fā)電機組發(fā)電一部分供應(yīng)地源熱泵機組、溴化鋰機組及空調(diào)終端用電,剩余部分供應(yīng)廠區(qū)用電,不向大網(wǎng)送電,電力不足部分由電網(wǎng)補充。發(fā)電機組排放的高溫?zé)煔饧案滋谉崴芍苯舆M(jìn)入溴化鋰機組,驅(qū)動溴化鋰機組進(jìn)行制冷(制熱)運行,對外提供空調(diào)冷(熱)水。煙氣通過溴冷機后溫度降到170℃,此時采用煙氣-水板式熱交換器對其熱量進(jìn)一步吸收,制取熱水,提高能源綜合利用率。機組高溫回水除了進(jìn)入溴冷機組外,另取一回路讓其通過水-水板式熱交換器,制取熱水。另外當(dāng)冷、熱負(fù)荷較大時,還可直接對溴冷機通入天然氣進(jìn)行補燃以制冷(制熱),提高了整個系統(tǒng)的運行安全性及使用效果。地源熱泵機組通過輸入少量的高品位能源(消耗本系統(tǒng)所發(fā)的電能),即可實現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移,能效比較高,由地源熱泵制取的冷(熱)水并入到空調(diào)系統(tǒng)中。1.3空調(diào)末端冷媒循環(huán)時地源熱泵機組冷媒結(jié)構(gòu)設(shè)計在制冷狀態(tài)下,地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功,使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由空調(diào)末端高溫水(12℃)所攜帶的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環(huán)的同時再通過冷凝器內(nèi)冷媒的換熱,由埋管換熱器內(nèi)的冷水(25℃)將冷媒所攜帶的熱量吸收,最終由埋管換熱器內(nèi)的冷水(30℃)把熱量轉(zhuǎn)移至土壤里。流經(jīng)蒸發(fā)器的空調(diào)末端高溫水溫度降低至7℃,利用用戶端循環(huán)水泵將其送回空調(diào)末端,用于供冷。地源熱泵機組制冷時輸入功率222.9kW,產(chǎn)生的冷凍水流量為221.4m3/h。在制熱狀態(tài)下,地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功,并通過換向閥將冷媒流動方向換向。由埋管換熱器內(nèi)的熱水(10℃)吸收土壤里的熱量,通過冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā),將埋管換熱器內(nèi)的熱水中的熱量吸收至冷媒中,流經(jīng)蒸發(fā)器的熱水溫度下降至5℃,在冷媒循環(huán)的同時再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的換熱,由空調(diào)末端低溫水(40℃)將冷媒所攜帶的熱量吸收,空調(diào)末端低溫水溫度上升至45℃,利用用戶端循環(huán)水泵將其送回空調(diào)末端,用于供熱。地源熱泵機組供熱時輸入功率294.9kW,產(chǎn)生熱水流量229.6m3/h。地源熱泵系統(tǒng)工藝流程圖詳見圖1。1.4剩余使用部分1.4.1采暖系統(tǒng)低熱回收利用夏季通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組產(chǎn)生7℃冷水與地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的7℃冷水通過集水器匯總后送至用冷區(qū)域,此時風(fēng)機盤管中的7℃冷水與廠房內(nèi)的熱空氣換熱后溫度升高為12℃,通過空調(diào)循環(huán)水泵把各廠房產(chǎn)生的12℃冷水通過分水器的分水作用分別送至發(fā)電機組余熱利用系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng),在這兩個系統(tǒng)中12℃冷水放熱轉(zhuǎn)化為7℃冷水,以此完成夏季冷水的循環(huán)利用。冬季通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組產(chǎn)生45℃熱水與機組高、低溫內(nèi)循環(huán)余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生的45℃熱水通過集水器匯總后送至用熱區(qū)域,使采暖系統(tǒng)回水溫度降至40℃,利用采暖系統(tǒng)循環(huán)泵把各廠房產(chǎn)生的40℃熱水通過分水器的分水作用分別送至機組高、低溫內(nèi)循環(huán)余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng),在上述系統(tǒng)中40℃熱水充分吸收不同性質(zhì)的余熱轉(zhuǎn)為45℃熱水,以此完成冬季熱水的循環(huán)利用。1.4.2余熱利用煙氣熱水補燃余熱利用發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)夏季各廠房內(nèi)需要的冷量超過直接利用發(fā)電機組排煙余熱通過熱水補燃型溴化鋰機組與地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的最大總制冷量時(冬季需要的熱量增加并超過直接利用發(fā)電機組排煙余熱通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組、機組高、低溫余熱利用系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)和煙氣二次余熱利用系統(tǒng)產(chǎn)生的最大總制熱量時),適量的增加溴化鋰機組的燃?xì)夤?yīng)進(jìn)行補燃,實現(xiàn)用冷(熱)的需求。1.4.3鋰機組的回收利用夏季時將發(fā)電機組高溫內(nèi)循環(huán)水引入到煙氣熱水補燃型溴化鋰機組進(jìn)行回收利用,產(chǎn)生7℃的冷水并入到采制冷循環(huán)系統(tǒng)中;冬季時分別利用高、低溫內(nèi)循環(huán)水熱量通過板式換熱器進(jìn)行回收利用,產(chǎn)生45℃熱水并入到采暖總循環(huán)系統(tǒng)中。1.4.4煙氣水板式換熱器回收利用冬季將發(fā)電機組高溫尾氣引入溴化鋰機組進(jìn)行回收利用后排煙溫度為170℃,將這部分煙氣再引入煙氣水板式換熱器進(jìn)行二次回收利用,產(chǎn)生45℃熱水并入到采暖總循環(huán)系統(tǒng)中。2系統(tǒng)節(jié)能策略2.1煙氣水板式換熱器利用余熱通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組可利用排煙余熱為521.25kW,通過煙氣水板式換熱器可利用排煙余熱為141.47kW,高溫冷卻水散發(fā)熱量為514.62kW,低溫冷卻水散發(fā)熱量為289.47kW。2.2高溫冷卻水制冷量煙氣熱水補燃型溴化鋰機組制冷量為:QL1=1.4×521.25kW=729.75kW;高溫冷卻水制冷量為:QL2=0.76×514.62=391.11kW;地源熱泵機組制冷量為:1287.4kW;夏季總制冷量為:QLZ=729.75kW+391.11kW+1287.4kW=2408.26kW。2.3高溫冷卻水供熱量煙氣熱水補燃型溴化鋰機組供熱量為:QR1=0.9×521.25kW=469.125kW;煙氣水板式換熱器供熱量為:QR2=0.9×141.47kW=127.323kW;高溫冷卻水供熱量為:QR3=0.9×514.62kW=463.158kW;低溫冷卻水供熱量為:QR4=0.9×289.47kW=260.523kW;地源熱泵機組供熱量為:QR5=1335kW;冬季供暖總供熱量為:QRZ=0.95×(469.125kW+127.323kW+463.158kW+260.523kW+1335kW)=2522.37kW。2.4煙氣熱水補燃型溴化鋰機組夏季總制冷量為2408.26kW,缺口1091.74kW,此部分制冷量缺口可以通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組補燃熱量利用系統(tǒng)提供;冬季總供熱量為2522.37kW,缺口477.63kW,此部分供熱量缺口可以通過煙氣熱水補燃型溴化鋰機組補燃熱量利用系統(tǒng)提供。2.5廠區(qū)回水水質(zhì)啟動時,首先啟動天然氣發(fā)電機組,然后開啟溴化鋰機組(此時只開啟煙氣工作模式:制冷時開啟熱水工作模式;溴化鋰機組補燃進(jìn)氣閥門關(guān)閉),開啟地源熱泵機組;啟動完成后,控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)回水溫度、電負(fù)荷情況調(diào)節(jié)發(fā)電機組的運行功率、溴化鋰機組、地源熱泵機組的工作效率(P發(fā)—代表系統(tǒng)發(fā)電量;P用—代表廠區(qū)總用電量;T—代表系統(tǒng)回水溫度)。系統(tǒng)運行時,會出現(xiàn)以下幾種情況:2.5.1b.t1.2調(diào)節(jié)機組2.5.1.1當(dāng)P發(fā)>P用時,降低發(fā)電機組運行功率,當(dāng)達(dá)到電平衡后,有以下幾種情況:a.T<12℃,若溴化鋰補燃已開啟,則首先逐步關(guān)閉天然氣進(jìn)氣閥門,若仍然是T<12℃,調(diào)節(jié)地源熱泵機組(每次降低額定效率的10%,間隔5分鐘),同時降低發(fā)電機組功率(每次降低10kW,間隔5分鐘),直到T=12℃時為止。若地源熱泵降到最低負(fù)荷,仍然是T<12℃,開啟煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥,將部分煙氣排走。b.T>12℃時,調(diào)節(jié)地源熱泵機組(每次提高額定效率的10%,間隔5分鐘,同時提高發(fā)電機組運行功率),直到T=12℃時為止;若地源熱泵機滿負(fù)荷運行5分鐘,仍然是T>12℃時,開啟溴化鋰機組天然氣進(jìn)氣閥門(每次開啟30度,間隔5分鐘),直到T=12℃時為止;2.5.1.2當(dāng)P發(fā)<P用時,提高發(fā)電機組運行功率,使P發(fā)=P用,若發(fā)電機組達(dá)到額定功率后仍然是P發(fā)<P用時,則保持機組在額定狀態(tài)下運行,不足的電能引自外網(wǎng),有以下幾種情況:a.T<12℃時,若溴化鋰補燃已開啟則首先逐步關(guān)閉天然氣進(jìn)氣閥門,若仍然是T<12℃,調(diào)節(jié)地源熱泵機組(每次降低額定效率的10%,間隔5分鐘),直到T=12℃時為止;若地源熱泵關(guān)閉后,仍然是T<12℃時,開啟煙道上裝設(shè)三通調(diào)節(jié)閥,將部分燃?xì)馀抛?。b.T>12℃時,調(diào)節(jié)地源熱泵機組(每次提高額定效率的10%,間隔5分鐘),直到T=12℃時為止;若地源熱泵機滿負(fù)荷運行5分鐘,仍然是T>12℃時,開啟溴化鋰機組天然氣進(jìn)氣閥門(每次開啟30度,間隔5分鐘),直到T=12℃時為止。2.5.2綜合節(jié)能運行策略熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的核心目的是提供一次能源綜合利用率,在此前提下盡可能的降低運行成本,本系統(tǒng)關(guān)鍵是綜合節(jié)能運行策略,必須針對不同的電力、冷熱能源需求條件,提出并實施最佳運行方案。3運行經(jīng)濟性3.1通過板式換熱器利用高溫水和尾部煙氣余熱加熱高溫?zé)崴?使排煙溫度進(jìn)一步降低,既降低熱污染,又提高系統(tǒng)熱效率。地源熱泵機組可以消耗發(fā)電機組發(fā)電量,調(diào)節(jié)電力平衡;天然氣停氣時,地源熱泵機組可以應(yīng)急供