冷热电三联供系统关键设备与配置方案优化

保温管科技

作者：刘静，于涛，季家艳

第一作者单位：山东建筑大学 热能工程学院

摘自《煤气与热力》2017年5月刊

分布式能源系统根据“温度对口，梯级利用”的原则，将供能系统分散地布置在用户末端，为用户提供冷热电。分布式能源系统的典型代表是天然气冷热电三联供系统（以下简称联供系统），是一种可同时产生电能和可用热（冷）能的供能系统，实现了热能的梯级利用。本文介绍联供系统的关键设备，结合工程实例对关键设备的配置方案进行比选。

1.关键设备

联供系统关键设备包括发电设备、余热回收设备、辅助制冷热设备等。发电设备主要包括燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组。余热回收设备主要包括余热锅炉、溴化锂吸收式机组（以下简称吸收式机组）、换热器（通常用于制备温度比较低的生活热水）。辅助供冷热设备包括燃气热水（或蒸汽）锅炉、电制冷机组、地源热泵及太阳能热水系统等。

1.1燃气发电机组

①燃气轮机发电机组

燃气轮机是将燃气燃烧产生的热能转换为机械能的设备，由压缩机、燃烧室和透平组成。在联供系统中，经压缩机压缩后的空气在燃烧室内与天然气混合燃烧，燃烧后的高温高压烟气在透平中做功，做功后的烟气进入余热锅炉或吸收式热泵机组满足冷热需求。燃气轮机体积小，排烟温度为280~600 ℃，余热利用价值较高。

燃气轮机发电机组的烟气余热利用主要采用简单循环、回热循环两种。由于简单循环排烟温度较高，为提高烟气余热回收量，在透平后增加回热器回收烟气余热，构成回热循环。带回热循环的燃气轮机发电机组见图1。

图1带回热循环的燃气轮机发电机组

②燃气内燃机发电机组

燃气内燃机也是将燃气燃烧热能转化为机械能的装置，燃烧过程在气缸内部完成。燃气内燃机可回收的余热形式主要包括缸套冷却水余热、烟气余热两部分。燃气内燃机的缸套冷却水温度比较低，可通过热水型单效吸收式冷水机组制备冷量，或利用换热器制取生活热水。对于有蒸汽需要的用户，可将烟气经余热锅炉产生蒸汽。

③比较

与燃气轮机发电机组相比，燃气内燃机发电机组优点为发电效率高、设备集成度高、安装快、单位发电功率造价低等。燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组的技术性能比较见表1。

表1燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组的技术性能比较

1.2余热回收设备

①余热锅炉

余热锅炉产生的蒸汽、热水，可直接利用或用于驱动吸收式热泵机组制备冷热量。作为余热锅炉的一种型式，补燃型余热锅炉（除余热利用外，还带有燃烧器）可用于发电机组余热无法满足用户负荷需求的场所。

②吸收式机组

吸收式机组型式多样，根据制备的产物不同，可分为单纯制备冷水的冷水机组和兼具制备冷热水的吸收式热泵机组；根据驱动热源的不同，可分为热水烟气型、烟气型、烟气补燃型；根据驱动热源在发生器中的利用次数，可分为单效、双效和三效机组。为了更好地适应用户冷热负荷需求，通常釆用烟气型吸收式热泵机组、烟气补燃型吸收式热泵机组。

2.项目概况

2.1负荷模拟

以济南地区某办公建筑为例进行研究，总空调面积为6 305.94 m2，建筑高度为32.8 m。工作日建筑开放时间为6：00—21：00，其他时间没有冷热负荷。供暖期为11月15日—次年3月15日，供冷期为6月1日—8月31日，其他时间为过渡季。采用DEST软件对办公楼全年及典型日的逐时冷热电负荷进行模拟计算。

冷热电负荷以1 h为阶跃进行模拟计算，以第6 h为例进行说明，第6 h的时间区间包括时刻6：00，不包括7：00，表示为［6：00，7：00），以此类推。

冷热负荷模拟计算相关参数设定为：①围护结构。外墙传热系数为0.62 W/（m2·K），内墙传热系数为2.32 W/（m2·K），屋面传热系数为0.93 W/（m2·K），外窗传热系数为5.7 W/（m2·K），外窗遮阳系数为0.85，各朝向的窗墙比为0.5。②人员密度及照明装置、办公设备散热量。办公室：人员密度为0.2 人/m2，照明装置散热量为18 W/m2，办公设备散热量为13 W/m2。会议室：人员密度为0.3 人/m2，照明装置散热量为11 W/m2，办公设备散热量为5 W/m2。走廊：人员密度为0.02 人/m2，照明装置散热量为5 W/m2。大堂门厅：人员密度为0.1 人/m2，照明装置散热量为15 W/m2。休息室：人员密度为0.3人/m2，照明装置散热量为11 W/m2。台球室：人员密度为0.25 人/m2，照明装置散热量为18 W/m2。③新风量：办公室、会议室、休息室大于或等于30 m3/h，大堂门厅、走廊大于或等于20 m3/h；台球室大于或等于25 m3/h。④冬夏季空调室内设计温度。冬季，办公室、会议室、休息室、台球室为20 ℃，大堂门厅、走廊为18 ℃。夏季，办公室、会议室、休息室为26 ℃，台球室为25 ℃，大堂门厅、走廊为27 ℃。对于电负荷的模拟，在DEST软件中设定房间功能后，软件自动输出逐时电负荷（电负荷不包括联供系统设备电负荷）。

由模拟计算结果可知，过渡季冷热负荷较低，联供系统在过渡季节不运行。冬季最大热负荷出现在1月18日（作为冬季典型日，该日逐时热负荷、电负荷的分布见图2），为734.12 kW，电负荷变化范围为7.26~146.88 kW。夏季最大冷负荷出现在7月24日（作为夏季典型日，该日逐时热冷荷、电负荷的分布见图3），为956.54 kW，电负荷变化范围为7.26~281.85 kW。

图2冬季典型日逐时热负荷、电负荷

图3夏季典型日逐时冷负荷、电负荷

2.2拟选方案

①方案1

方案1系统流程见图4。燃气轮机发电机组发电满足用户的用电需求，当发电量不足时由市电网补充。烟气型吸收式热泵机组回收利用燃气轮机发电机组烟气余热，满足用户的冷热负荷需求。当烟气型吸收式热泵机组制冷量无法满足需求时，采用电制冷机组提供冷量；当制热量无法满足需求时，采用燃气锅炉提供热量。

图4方案1系统流程

②方案2

方案2系统流程见图5。燃气内燃机发电机组发电满足用户的用电需求，当发电量不足时由市电网补充。烟气型吸收式热泵机组回收利用燃气内燃机发电机烟气余热，满足用户的冷热负荷需求。当烟气型吸收式热泵机组制冷量无法满足需求时，采用电制冷机组提供冷量；当制热量无法满足需求时，采用燃气锅炉提供热量。

图5方案2系统流程

3.优化模型

①优化目标

联供系统只有在合理的设备配置与运行策略下才能充分发挥节能、环保、经济性优势，本文以寿命周期成本（Life Cycle Costs，LCC）最小为目标函数建立优化模型，对联供系统设备配置方案和运行策略进行优化，以确定最佳方案。

发电机组的部分负荷率小于50%时，热效率下降严重，因此当部分负荷率在50%以下时，发电机组停止运行。

③设备模型

为计算联供系统年运行费用中的天然气费用，需计算部分负荷条件下发电机组消耗燃气的热流量、燃气锅炉消耗燃气的热流量，因此建立燃气轮机发电机组、燃气内燃机发电机组、烟气型吸收式热泵机组、燃气锅炉设备模型，设备模型根据文献建立。

为保证电制冷机组较高的制冷性能系数，考虑配置两台小制冷能力的电制冷机组，因此在计算联供系统年运行费用中电制冷机组电费时，电制冷机组的制冷性能系数按5.0考虑，在部分负荷率条件下保持不变。

④优化方法

优化计算流程见图6。设定联供系统峰值发电功率P1，据此选取发电机组，确定额定发电功率Prat。在办公建筑开放时间内，当发电机组部分负荷Ppar≥0.5Prat时，按运行方式1运行（发电机组与烟气型吸收式热泵机组运行，市电网与电制冷机组、烟气锅炉分别承担剩余电负荷与冷热负荷）；当发电机组部分负荷Ppar<0.5Prat时，按运行方式2运行（由市电网承担电负荷，由电制冷机组、燃气锅炉承担冷热负荷）。根据设备性能约束条件、能流平衡约束条件以及设备模型计算运行费用，根据设备造价计算方法计算设备造价，从而计算联供系统的寿命周期成本CLCC。以1 kW为阶跃幅度依次递增联供系统峰值发电功率P1，计算联供系统的寿命周期成本CLCC。根据计算结果，筛选寿命周期成本CLCC最小的设备配置方案。

图6优化计算流程

4.优化结果

4.1 设备配置与运行策略

① 方案1

方案1优化后的设备配置见表2。方案1冬季典型日供电功率、供热量分布分别见图7、8，夏季典型日供电功率、供冷量分布分别见图9、10。

表2方案1优化后的设备配置

图7方案1冬季典型日供电功率分布

图8方案1冬季典型日供热量分布

图9方案1夏季典型日供电功率分布

图10方案1夏季典型日供冷量分布

由图7可知，对于冬季典型日，由于办公建筑开放时间内的［6：00，8：00）电负荷比较小，因此该时段的电负荷由市电承担，开放时间内［8：00，21：00）的电负荷由燃气轮机发电机组与市电共同承担。由图8可知，对于冬季典型日，由于［6：00，8：00）燃气轮机发电机组不工作，热负荷由燃气锅炉承担，其他时段的热负荷由烟气型吸收式热泵与燃气锅炉共同承担。

由图9可知，对于夏季典型日，由于办公建筑开放时间内的［6：00，7：00）电负荷比较小，因此该时段的电负荷由市电承担，开放时间内［7：00，21：00）的电负荷由燃气轮机发电机组与市电共同承担。由图10可知，对于夏季典型日，由于［6：00，7：00）燃气轮机发电机组不工作，冷负荷由电制冷机组承担，其他时段的冷负荷由烟气型吸收式热泵机组与电制冷机组共同承担。

②方案2

方案2优化后的设备配置见表3。方案2冬季典型日供电功率、供热量分布分别见图11、12，夏季典型日供电功率、供冷量分布分别见图13、14。对于冬季、夏季典型日，方案2的运行策略与方案1基本一致。

表3方案2优化后的设备配置

图11方案2冬季典型日供电功率分布

图12方案2冬季典型日供热量分布

图13方案2夏季典型日供电功率分布

图14方案2夏季典型日供冷量分布

4.2寿命周期成本比较

方案1、2的寿命周期成本见表4。由表4可知，方案1的寿命周期成本比方案2低4.68%。这说明，从寿命周期成本考虑，方案1的经济性更优。

表4方案1、2的寿命周期成本

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