冷热电联供范文（精选6篇）
冷热电联供 第1篇
研究表明,甲烷是一种温室气体,以100年计,甲烷温室效应约为二氧化碳的21倍[1]。而所有因人类活动导致的温室效应中,甲烷的影响居第二位(17%),仅次于二氧化碳(55%)。
2015年,全国煤矿井下瓦斯抽采量为136亿m3、利用量为48亿m3,有88亿m3的煤矿瓦斯未得到利用。同时,乏风瓦斯中甲烷含量低,远远超出了甲烷的空燃比范围,用常规直接燃烧技术是难以将其氧化处理的。由于缺乏经济有效的利用手段,乏风瓦斯通常被直接排入大气。据有关资料统计,2008年,我国乏风瓦斯中的纯甲烷排放量已达161亿m3[2],这一数字仍在不断增长。
低浓度瓦斯排放总量巨大,温度效应严重,对生态环境破坏性极强。在此背景下,开展低浓度瓦斯蓄热氧化冷热电联供技术研究,有利于提高低浓度瓦斯的氧化率,提高系统的热能利用效率,改善系统运行经济性,具有良好经济效益和社会效益。
1 煤矿瓦斯抽采利用及技术发展现状
1.1 煤矿瓦斯抽采及利用现状
近5年来全国煤矿瓦斯抽采量、利用量均逐年上升,利用率呈现出上下波动趋势(图1)。2015年井下煤层气抽采量136亿m3,稍低于《国家煤层气(煤矿瓦斯)开发利用十二五规划》要求的140亿m3目标;利用率35.3%,同比上升1.5%,但远低于“十二五”规划要求达到60%以上的目标值。
造成抽采煤层气利用率低的主要原因有:(1)部分煤矿井下抽采煤层气规模偏小,难以形成规模化利用,影响煤层气利用的稳定性及经济效益;(2)矿井煤层气抽采量及甲烷浓度波动大,低浓度煤层气甲烷浓度波动范围一般在3%~20%、高浓度煤层气甲烷浓度波动范围一般在30%~50%;(3)煤层气利用技术不成熟,煤层气发电项目规模小、波动大、品质差,难以上网和就地使用,蓄热氧化、瓦斯提纯等利用方式技术工程投资大、能耗高、经济效益差等因素,企业应用积极性不高,未能得到推广应用。
1.2 煤层气利用技术现状
我国煤矿抽采的低浓度煤层气占比高,且抽采流量、浓度波动大,大部分采用就地利用方式,集输利用较少。根据抽采煤层气规模及煤层气浓度,目前我国的煤层气利用方式主要有发电、提纯、民用、工业燃料、工业合成氨等。
在低浓度煤层气蓄热氧化利用方面,主要有热逆流氧化和热逆流催化氧化2种技术,我国已建成数十个低浓度煤层气氧化利用项目,但大多均未长期运行[3,4,5,6,7,8,9]。其主要原因有:(1)低浓度煤层气氧化系统自身能耗较高,每万方处理量系统能耗普遍在30k W以上;(2)余热利用方式较单一,未实现热能的综合利用,项目运行经济性较差。这些因素严重影响了低浓度煤层气蓄热氧化技术的推广应用。
在煤层气发电方面,我国一般采用内燃机进行发电[10,11,12,13],但设备开机率低(不足50%),电站运行成本高,运行经济性差是亟待解决的难题。其主要原因有:(1)煤层气浓度波动大;(2)煤层气气源中含水量大,脱水效果不佳,导致机组出现效率下降、设备利用率降低、润滑油消耗增加;(3)煤层气气体中含有粉尘,极易造成设备堵塞,影响系统的开机率及电站稳定运行;(4)低浓度煤层气发电安全保障系统运行稳定性有待提高,安全保障系统自身故障对煤层气发电机组开机率影响较大。
对低浓度煤层气进行液化生产LNG,属于煤层气的高值利用方式,有很大的市场发展潜力,虽然近几年在工艺技术方面取得了较大的发展,但受投资和运行成本较高的影响,还未形成一定的产业规模,需要进一步加大工艺及工程技术的研发投入,降低项目的整体投资和运行成本,才能迅速扩大产业规模,提高煤层气的利用比例,实现节能减排[14,15,16]。
在此背景下,本文提出了一种低浓度瓦斯蓄热氧化冷热电联供方法,利用热逆流蓄热氧化技术将低浓度瓦斯高温氧化,同时从低浓度瓦斯蓄热氧化装置内抽取部分高温烟气进入余热锅炉,生产过热蒸汽,利用高品位的蒸汽推动汽轮机发电,从汽轮机抽取低压蒸汽,一部分用于供暖,一部分用于溴化锂吸收式制冷机制冷。该系统实现了对低浓度瓦斯的有效氧化,并对余热实现了梯级利用,大大提高了系统的热能利用率。
2 低浓度瓦斯冷热电联供流程及技术优势
2.1 系统组成及工艺流程
低浓度瓦斯氧化后冷热电联供系统中包括低浓度瓦斯蓄热氧化装置、余热锅炉、汽轮机发电机组、溴化锂吸收式制冷机组、风机、给水泵、烟囱等,系统工艺流程如图2所示。
该系统的工艺流程如下:低浓度瓦斯经风机输送至低浓度瓦斯蓄热氧化装置,在装置内的高温条件下发生氧化反应,并放出热量,低温烟气从烟囱排出,一部分高温烟气被抽出后送往余热锅炉;高温烟气经过余热锅炉时,加热水生成过热蒸汽,烟气降温后从烟囱排向大气,过热蒸汽被输送至汽轮机;过热蒸汽在汽轮机内做功,温度和压力均降低,汽轮机的排汽进入凝汽器后,变为冷凝水,被给水泵抽取重新进入余热锅炉,循环使用;从汽轮机低压段抽取部分低压蒸汽,送往供暖用户或溴化锂吸收式制冷机组低压蒸汽作为溴化锂吸收式制冷机组的热媒,加热溴化锂水溶液,使溶液中水汽化;随着水的不断汽化,发生器内的溴化锂水溶液浓度不断升高,进入吸收器;水蒸气进入冷凝器,被冷凝器内的冷却水降温后凝结,成为高压低温的液态水;当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,急速膨胀而汽化,并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量,从而达到降温制冷的目的;在此过程中,低温水蒸气进入吸收器,被吸收器内的溴化锂水溶液吸收,溶液浓度逐步降低,再由循环泵送回发生器,完成整个循环。
2.2 技术优势分析
(1)低浓度瓦斯蓄热氧化冷热电联供系统用热逆流氧化技术,可实现对浓度为1%的低浓度瓦斯高效氧化,对于浓度高于1%的瓦斯可与空气或乏风瓦斯掺混后进入该系统处理。因此该技术可广泛用于浓度高于1%的瓦斯,适用面较广。对于目前浓度低于8%、无法使用内燃机发电的瓦斯气源来说,该技术是一个利用途径补充。
(2)低浓度瓦斯蓄热氧化冷热电联供系统利用高品位的蒸汽推动汽轮机发电,从汽轮机抽取低压蒸汽,一部分用于供暖,一部分用于溴化锂吸收式制冷机制冷。该系统实现了对低浓度瓦斯的有效氧化,并对余热实现了梯级利用,大大提高了系统的热能利用率。
3 低浓度瓦斯利用应用前景分析
为了促进煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用,我国先后出台多项措施、政策,鼓励各类企业利用各种方式开发利用煤层气(煤矿瓦斯)。
早在2006年,国务院办公厅印发《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》,明确了先抽后采、治理与利用并举的指导方针。2007年,国家发展改革委印发《关于利用煤层气(煤矿瓦斯)发电工作的实施意见》,鼓励各类企业利用各种方式开发利用煤层气(煤矿瓦斯)。同年4月,财政部出台了《关于煤层气(瓦斯)开发利用补贴的实施意见》,明确在我国境内从事煤层气(含瓦斯,下同)开采的企业均有资格享受0.2元/m3煤层气(折纯)的财政补贴。
2013年2月,国家能源局发布《煤层气产业政策》,强调要强化政策扶持,强力推进煤层气产业发展,把煤层气产业发展成为重要的新兴能源产业。2013年9月,国务院办公厅发布《关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见》,提出加大中央财政支持力度、强化税费扶持政策、完善煤层气定价机制和发电上网政策等措施,加大政策扶持力度,充分调动各方面积极性,提高煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用水平。
2016年2月,财政部发布《关于“十三五”期间煤层气(瓦斯)开发利用补贴标准的通知》,“十三五”期间,煤层气(瓦斯)开采利用中央财政补贴标准从0.2元/m3提高到0.3元/m3。
总的来说,国务院及有关部门陆续制订出台了一系列促进瓦斯抽采利用的政策措施,已初步形成了煤层气(煤矿瓦斯)开发利用政策框架,政策支持力度逐步提升。另外,2017年我国将启动全国碳市场,届时低浓度瓦斯利用项目可以获得碳减排收益,这将极大提升项目的盈利能力。同时,企业对低浓度瓦斯利用项目的热情正在升温,类似项目正在不断涌现。这些利好均给低浓度瓦斯项目的开展带来了机遇和挑战,技术推广应用前景广阔。
4 结语
冷热电联供 第2篇
如何高效地利用能源已成为当今能源技术发展的主题,目前各国都在积极进行新能源系统的研究。冷热电联供系统是新能源系统发展的一个重要方向,同时也是一种有效的节能环保技术,在世界范围内受到广泛的重视[1,2]。
冷热电联供(Combined Cooling Heating and Power,CCHP)系统,是布置在用户附近,以燃气为一次能源用于发电,并利用发电余热制冷、制热,同时向用户输出电能、冷(热)能的分布式能源供应系统。冷热电联供系统通常由发电机组和余热回收等主要设备组成。CCHP系统的发电机组可以是燃气轮机、微型燃气轮机(简称“微燃机”)、内燃机等,余热回收设备可以是换热器、余热锅炉、吸收式制冷机等[3]。
冷热电联供系统实现了能源的梯级利用,提高了能源的综合利用率,在节能、环保、降低能量输送损耗、提高用电的安全性与稳定性、平抑电网负荷、调节燃气管网季节不平衡等方面发挥其优势[4,5,6,7,8,9]。CCHP系统被国内外很多学者认为是合理、高效利用天然气资源的方式,是解决能源问题的途径之一。
本文以上海某示范性微燃机冷热电联供系统为对象,通过建立系统主要设备的数学模型,模拟研究了微燃机CCHP系统的性能。
1 微燃机冷热电联供系统的介绍
图1为上海某示范性微燃机冷热电联供系统的示意图。该CCHP系统由1台Capstone的C30型微燃机发电机组和1台Yazaki的CH-KE-4040型补燃型烟气溴化锂吸收式冷(热)水机组(简称“溴化锂机组”)等主要设备组成。微燃机以天然气为燃料,产生的电力并入公司电网,供用户使用,排出的余热烟气引入至溴化锂机组作为机组的热源制取空调用冷水(或热水),为厂房的部分车间和办公室供冷(或供热)。当微燃机排烟余热不足时,溴化锂机组可采用补燃的方式来提高系统的制冷(或制热)能力。
2 微燃机CCHP系统的模拟与分析
2.1 主要设备的建模与模拟结果
(1)微燃机
C30微燃机主要包括进气管、空气压缩机、回热器、燃烧室、透平、排气管和发电机等部件,采用模块化建模法,根据质量守恒和能量守恒定律,分析建立各部件热力过程的数学方程,模拟计算不同环境温度下微燃机的发电量、发电效率、排烟温度等特性参数,其模拟结果如图2所示。
由图2可以看出,模拟数据与样本提供曲线的重合性很好,建立的微燃机模型是可用的。微燃机的性能曲线表明:环境温度在15℃以下时,微燃机基本可以满负荷运行,发电效率高,发电量受环境温度的影响很小,微燃机运行消耗的燃气化学热随环境温度的升高而增加;当环境温度高于15℃时,随温度的升高微燃机的发电效率降低,发电量和消耗的燃气化学热下降,但排烟温度随环境温度的升高而升高。
(2)补燃型烟气溴化锂吸收式冷(热)水机组
该微燃机CCHP系统的余热形式为高温烟气,可以通过补燃型烟气溴化锂吸收式冷(热)水机组进行回收利用。该机组主要由高温发生器(烟气发生器和补燃用的燃气直燃发生器)、低温发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、低温溶液换热器、高温溶液换热器和烟气-溶液换热器等组成。分析溴化锂机组的制冷循环和制热循环,分别建立溴化锂机组各部件的质量方程和能量方程,并结合溴化锂溶液热物性参数方程,模拟溴化锂机组性能的变化规律。
图3和图4分别表示了溴化锂机组制冷工况和制热工况的模拟结果。模拟结果显示溴化锂机组的模拟数据与样本数据有较好的一致性,该模型可作为系统模拟的部件模型。图3显示数据表明机组的制冷性能受进入机组的烟气温度、烟气流量及冷(热)水出口温度的影响:随烟气流量的增大或烟气进气温度的升高或冷(热)水出口温度的增加,机组的制冷量增加;图4显示数据表明机组的制热量随烟气流量的增加或烟气进气温度的升高而增加。
2.2 微燃机冷热电联供系统的模拟
2.2.1 系统的评价指标
(1)系统的发电效率
(2)系统制冷(热)效率
(3)系统能源综合利用率
系统年平均能源综合利用率
式中 Qg微燃机消耗的燃气低位化学热/kW;
Ne微燃机发电量/kW;
Qexg余热烟气制取的冷(热)量/kW;
W年净输出电量/kWh;
Q1年有效余热烟气供热总量/MJ;
Q2年有效余热烟气供冷总量/MJ;
B年燃气总耗量/m3;
Hl燃气的低位热值/MJm-3。
2.2.2 系统的模拟研究
以微燃机和溴化锂机组模型为冷热电联供系统的主要部件模型,结合工质物性参数方程,对不同环境温度下系统制冷工况和制热工况的性能进行模拟,结果如图5和图6所示。
图5模拟结果显示,系统在制冷工况下可输出24～28 kW的电能,利用烟气余热可制得55～65 kW的冷量,约占用户141 kW冷量需求的42.6%,为满足用户需求,溴化锂机组还需要补燃;随着环境温度升高,微燃机消耗的燃气量会减少,微燃机的发电量和发电效率降低,但系统的制冷量、制冷效率和能源综合利用率随环境温度的升高而增加。
图6模拟结果显示,在制热工况下微燃机基本可以满负荷运行,输出30 kW的电量,但系统利用余热烟气可获得56～64 kW的热量,是用户总供热需求的41.8%～47.8%,系统需要补燃提高制热能力;随着环境温度的提高,微燃机满负荷运行需要的燃气量会增加,系统的发电效率会降低,系统的制热效率和能源综合利用率会增加。
2.2.3 系统全年工况的模拟
图7为上海典型气象条件下全年的日平均环境温度情况。在图7所给环境温度条件下,对系统的逐日运行情况进行模拟。微燃机的全年运行情况模拟结果如图8所示。如果溴化锂机组在6月15日～10月15日制冷、在11月15日～3月15日制热、在其他时间(3月16日～6月16日及10月16日～11月16日,过渡季节)不运行,系统运行的模拟结果如图9所示。
图8显示,当环境温度较高时,特别是在夏季月平均气温20℃以上时,发电量为24～29 kW,发电效率最低至24%。其他环境温度低于15℃的时间,微燃机基本可以产生30 kW的电量。
图9显示,在制冷季节系统余热烟气的制冷量为60～62 kW,制冷效率为50%～60%,系统的能源综合利用率可达到80%左右;在制热季节,系统利用余热烟气可以制得45～54 kW的热量,制热效率为40%～50%,低于系统的制冷效率;系统制冷季的能源综合利用率要高于制热季时的能源综合利用率。
微燃机CCHP系统可以在两种模式下运行:模式一为在过渡季节,用户无冷热需求,系统不运行,模式二为不考虑用户冷热需求情况,系统全年运行(其实在过渡季节只有微燃机运行,溴化锂机组不需运行)。
根据图8和图9模拟结果,系统按模式一运行的年平均能源综合利用率计算如下:
系统按模式一运行时年平均能源综合利用率约为75%,满足《燃气冷热电三联供工程技术规程》关于系统年平均能源综合利用率不能低于70%的要求。
系统按模式二运行的年平均能源综合利用率计算如下:
系统按模式二运行时,由于在过渡季节,系统只对外输出电力,烟气余热未被利用,系统的年平均能源综合利用率不足60%,达不到《燃气冷热电三联供工程技术规程》的要求,因而系统不宜在过渡季节运行,即系统不宜全年运行。
3 结论
通过对微燃机冷热电联供系统建立主要设备部件模型,模拟了不同环境温度下的系统运行特性,结果表明微燃机冷热电联供系统的性能受环境温度的影响:随着环境温度的升高,系统的发电量减少,发电效率降低,系统能源综合利用率、制冷效率或制热效率增加。
以全年日平均环境温度为变化条件,模拟分析了系统全年的运行工况。结果显示系统在过渡季节不运行时,年平均能源综合利用率可达到70%以上。
参考文献
[1]赵磊.发展冷热电三联供系统[J].中国电力企业管理,2010(10):49.
[2]王昭俊,魏兵.城市集中三联供系统的应用与研究现状[J].节能技术,2001,19(5):25-29.
[3]付林,李辉,等著.天然气热电冷联供技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:187-223.
[4]马荣生,孙志高.热电冷联产应用分析[J].节能技术,2000,18(5):18-19.
[5]孙志高,郭开华.分布式冷热电联供系统与能量调度[J].中山大学学报论丛,2007,27(2).
[6]周凤起.冷热电三联供,天然气利用新方向[J].建筑节能,2006:17.
[7]张洪伟,高岳峰,李海兵.分布式能源冷热电联供系统的应用[J].燃气轮机技术,2005,18(3).
[8]Maidment G.G.,Zhao X.,Riffat S B.Combined cool-ing and heating using a gas engine in a supermarket[J].AppliedEnergy,2001(68):321-335.
冷热电联供 第3篇
随着能源互联网的发展,分布式冷热电联供(combined cooling,heating and power,CCHP)系统因其高能源利用效率、可灵活调节的供能方案以及经济、低碳效益[1,2],已成为分布式能源发展的重要方向之一[3]。与其他分布式能源相比,CCHP系统因与电力和热力系统之间存在耦合关系[4],使其接入电网负荷的不确定特征复杂。随着该系统大量接入,对电网的影响日趋明显。分析CCHP系统冷热电负荷不确定性特征,获取其负荷模型,对CCHP系统优化调度、控制,以及管理其与电网功率交换[2,5,6]、用户规划设计CCHP系统[7]、合理选择运行方式[8]等有重要意义。
目前,国内外学者已从多角度关注该研究热点,并取得初步成果。对于CCHP系统而言,建立其负荷模型需要解决电负荷与冷热负荷不确定性特征分析及耦合特性分析两方面的问题。一方面,目前分布式电源不确定性研究大多数仅考虑了随机性[9]或模糊性[10],仅在风电不确定性分析领域有兼顾随机性与模糊性两类特征的研究[11,12]。然而实际上事物的随机性与模糊性通常是共存的,其中概率分布特征等可归为随机性,而非明晰性的问题则更适合用模糊性去刻画[13,14,15]。另一方面电负荷与冷热负荷的耦合方式对系统的运行性能有极大影响[16,17],现有国内外研究大多以“以电定热”[18]、“以热定电”[19]以及混合运行[20]三种模式为主,这种多类耦合负荷之间不确定性的关联特征对系统优化运行十分重要。鲜有在考虑CCHP系统电负荷与冷热负荷随机模糊不确定性及其关联特征基础上,获取负荷随机模糊建模方法及其模型。
本文以湖南省某市接入10kV的CCHP系统历史数据样本为例,提出一种CCHP系统负荷随机模糊建模方法。将电负荷和冷热负荷作为两个变量处理,在分析其随机性特征时,考虑到负荷分布类型多样性,以n阶正态分布加权和的方法分别对每周期每时段数据进行概率密度函数拟合;经分析发现概率密度函数参数具有模糊性的特征,在基于有限数据难以获取精确参数值的客观实际情况下,提出用模糊变量对每组参数进行描述且提取其隶属函数特征,从而将电负荷与冷热负荷转化为随机模糊变量;然后以“以热定电”的方法关联两类随机模糊变量;最后给出了基于随机模糊模拟技术及逆变换法的CCHP系统负荷随机模糊建模方法及其相应建模步骤,并通过算例对模型进行了验证。
1 电负荷、冷热负荷概率分布特征分析
首先根据湖南省某市天然气CCHP项目L的相关数据进行负荷概率分布分析。以一个月为数据周期,每天划分为24个时段,每时段采集4次数据。以2010至2014年夏季6至9月电负荷与冷热负荷历史数据为研究对象。在历史数据中包含的电负荷、热负荷、冷负荷三个部分中,冷热负荷供应都是由热力系统燃气机产生的热能作为驱动,可以作为一个变量来处理[2]。以PTt表示系统某时段t总冷热负荷需求。
式中:Hct,Hθt分别为t时段冷、热负荷需求。
在对每个时段负荷数据进行概率密度分析时,由于系统类型、发电机类型以及运行方式的多样性,负荷类型差别也较大,有时会出现双峰甚至多峰分布。而常规的单变量样本数据分布研究都是针对单峰形态的分布。为了对各类负荷具有普遍的适用性,本文采用n阶正态分布加权和进行拟合。电负荷第一时段第2周期,即2010年7月t=1时段数据拟合结果如图1所示,对于如图所示非正态分布的密度函数可以通过非线性最小二乘法,用N1,N2两条曲线的数值和进行拟合。其中N1为正态分布N(6.584,0.2232)的概率密度函数乘以加权系数0.617的值,N1为N(6.642,0.1762)乘以加权系数0.383的值。通过两个正态分布密度函数加权相加拟合如图1所示。
可推导得n阶正态分布加权和拟合的公式为:
式中:参数σi,μi,λi分别为第i个正态分布概率密度函数的标准差、均值以及加权系数。
以项目L为例,以2阶正态分布加权和分别拟合每一周期内的数据,获得对应的6类参数。针对第1时段的20个周期电负荷数据拟合结果如表1所示。
可以看出,由于用电行为具有一定规律性,同一时段不同周期拟合结果也具有相似性。如μ1的值集中在区间[6.54,6.57]内,σ1的值集中在区间[0.18,0.20]内。如果仅以随机性描述数据,将其均值、方差均为固定值,所体现的是有限数据内所得结果;所获得的有限时段内、有限采样点所得数据都只是其中的一部分。在基于有限数据难以获取精确参数值的客观实际情况下,需研究参数认识意义的模糊性。
2 电负荷、冷热负荷概率分布参数的模糊不确定性分析
在许多统计问题中,随机变量服从的分布已知,而其参数未知,这种情况下可利用模糊理论中的模糊变量来对参数进行描述[14,15]。
基于本文第1节,将已有同一时段的所有周期的3n个概率密度函数参数出现的频率分别进行汇总,可以获得其参数频率。以项目L历史数据为例,通过SPSS软件对每时段20周期的分布函数参数进行统计获取其频率分布图形。其中第1时段6个参数的频率如图2所示。
根据模糊理论,模糊变量主要有三角模糊变量和梯形模糊变量两种[14,15]。对于第一类变量,如图2中μ1,μ2,σ2近似以某一数值为中心,并且随着偏离中心距离的增大其出现频率呈现递减趋势,可用三角形模糊变量来描述。求取95%置信水平下参数的置信区间,选取近似中心为中间值,取最小下限和最大上限作为参数波动范围的置信区间,由置信区间下限、近似中心以及置信区间上限三个清晰数构成三角模糊变量的三元组ξx=(r1,r2,r3)。
此时模糊变量的隶属函数为:
对于另一类参数,如图2中σ1,λ1,λ2在某一区域内出现频率相对集中,在该区域外的数值出现频率随着偏离中心区域的距离的增大而呈现衰减趋势,采用梯形模糊变量来描述较为合适。由置信区间下限、中心区域下限、中心区域下限以及置信区间上限4个清晰数构成梯形模糊变量的四元组ξx=(r1,r2,r3,r4)。
此时模糊变量的隶属函数为:
对项目L第1时段6个参数在95%置信水平下,获取参数置信区间,其三元组或四元组如表2所示。
将每时段负荷概率密度函数的参数都描述为模糊变量后,通过该模糊变量进行描述的随机变量,即电负荷、冷热负荷则为随机模糊变量。以ξμi,ξσi,ξλi分别表示各参数的模糊变量,而负荷P用随机模糊变量ξP表示。依据机会测度[13]的定义,此时电负荷、冷热负荷的机会测度密度函数可表示为:
令系统电负荷、总冷热负荷需求分别为Pst,PTt。基于随机模糊模拟技术拟合各参数后,依据式(5)分别形成f(Pst),f(PTt),对两函数进行逆变换后,可获得Pst,PTt。
3 电负荷、冷热负荷随机模糊变量的关联建模
通过应用不确定规划理论,已将电负荷与冷热负荷描述为两个随机模糊变量。根据CCHP电力和热力系统之间的耦合关系,将两个可模拟的变量转化为输出量,即接入电网的负荷数值。本文以“以热定电”的方法为例,建立二者之间联系,对于其他运行方式随机模糊模型同样适用。
“以热定电”的方式通过确定系统冷热需求,优先满足热能供应,当电能出现过剩或者不足,通过与电网功率交换实现实时平衡约束。系统负荷Plink-t主要有两种情况。
1)当燃气机出力达到最大值Pr-max,余热锅炉最大功率Py-max可满足t时段冷热需求,此时系统冷热负荷全部由系统余热锅炉提供。
2)当燃气机出力达到最大值Pr-max,系统余热锅炉可提供的最大热能不能满足t时段冷热需求。此时除了由系统余热锅炉提供热能外,还需要供热辅助设备消耗电能运行补充热能。
综合两类情况,Plink-t可表示为:
式中:Prt,Pzt分别为t时段燃气机出力、供热辅助设备用电量。当燃气机出力大于系统总电负荷需求时,即结果为正时,CCHP系统可以向电网售电;反之,CCHP系统通过电网购电满足系统电负荷需求。
令供热辅助设备将电能转化为热能的效率为δ。供热辅助设备负荷Pzt可以表示为:
令t时段CCHP系统机组发电量和供应的冷热负荷的比值为η[17]:
由于“以热定电”的方式下燃气机发出的热负荷等于系统冷热负荷需求,根据项目L任意时段冷热负荷需求的数据PTt,即可获得对应时段系统机组计划发电量Prt。
结合式(6)至式(8),系统负荷可以表示为:
通过上述转换,将耦合关系中的未知数全部以Pst,PTt以及系统已知参数进行表示。依据式(5)逆变换后所得Pst,PTt代入式(9),即可求得Plink-t。
4 CCHP系统负荷随机模糊模型
4.1 随机模糊建模步骤及系统负荷仿真流程
CCHP系统负荷随机模糊模拟分为不确定特征提取与负荷模拟两部分。根据第1节所述,对电负荷、冷热负荷分别进行不确定特征提取,主要步骤如下。
1)对原始数据依据气象因素、生活生产因素等进行分类,本文以夏季数据为例进行研究。
2)分别对每一周期的数据进行分布特征提取,以n阶正态分布加权和的方法分时段对原始数据进行概率分布分析及特征提取,获取每个周期内每时段对应的3n个参数。
3)对不同时段3n个概率密度参数模糊不确定特征数据挖掘及隶属函数特征提取。
4)依据不确定理论,定义电负荷、冷热负荷为随机模糊变量,获取其机会测度密度函数,从而建立关于负荷的随机模糊不确定模型。
在不确定性特征提取后,基于随机模糊模拟技术[10]和逆变换的方法,便可以用n阶叠加的正态分布模型模拟生成电负荷需求和冷热负荷需求,具体如下。
1)用随机模糊模拟技术在i时段3n个参数各自置信区间内,分别抽取满足可能性的3n个参数,获得该时段的n阶正态概率密度函数的加权和。
2)对已获得的概率密度函数进行逆变换,每时段模拟生成电负荷、冷热负荷。本文每时段模拟生成10组电负荷与冷热负荷,以检验模型可靠性。
3)分别形成i时段的电负荷与冷热负荷需求后,以“以热定电”的方式关联两数据,通过式(9)求取i时段的系统负荷Plink-t。
4.2 算例结果分析
CCHP项目L的相关技术参数如表3所示。
采用上述随机模糊模拟方法生成每时段电负荷与冷热负荷,所得负荷曲线与历史数据每时段上下限对比如图3所示。每时段10次的仿真表明该模拟所得结果处于历史各时段统计的上下限范围内概率大于97%,可有效模拟CCHP系统电负荷与冷热负荷。
结合模拟所得电负荷与冷热负荷,参照式(9)及项目的实际技术参数可以计算CCHP系统负荷。以每时段10次的模拟数据拟合该CCHP系统接入电网负荷的仿真结果,另外对每组历史数据计算其负荷,获取每时段负荷上下限,绘制负荷曲线如图4所示。
拟合的负荷曲线处于上下限数据所得负荷曲线的范围概率大于96%,可有效应用于CCHP系统日负荷仿真或分层调度的日前计划层。对于电网而言,CCHP与系统功率交换是否满足功率控制要求,对电网负荷曲线产生的影响等,都可以此为基础,结合实时修正或渐进优化模型进一步进行研究。对于CCHP系统用户,可以以负荷曲线作为购电、售电计划依据,也可以此模型对设计规划的合理性做一定判断。
5 结语
针对CCHP系统接入电网的负荷存在不确定性问题,且结合其冷热电耦合生产运行方式,以“以热定电”为例,提出一种CCHP系统负荷随机模糊建模方法,得到以下结论。
1)算例中系统电负荷、冷热负荷数据可采用n阶正态分布加权和的方法拟合,拟合获得相应负荷数据的概率密度函数及其分布参数,且具有较好拟合效果。若其他数据符合其他分布模型,文中建模给出的建模思路和方法依然有效。
2)考虑电、冷热负荷存在的随机性和模糊性共存、以及耦合特性的客观实际,在其概率分布拟合及分布参数的模糊性特征提取基础上,依据不确定理论将电负荷、冷热负荷定义为随机模糊变量,且以“以热定电”运行模式为例考虑电负荷、冷热负荷的耦合特征,从而获取电负荷、冷热负荷机会测度密度函数及负荷模拟结果,文中提出的模型可以反应随机性和模糊性多重不确定特征,更加客观、全面。
3)提出了基于随机模糊模拟技术和逆变换的电负荷、冷热负荷模拟方法及系统负荷建模方法,算例结果表明文中方法模拟所得电负荷、冷热负荷和负荷曲线处于其历史数据上下限的概率分别为97%和96%,表明模拟结果可信。
4)如何将模型拓展应用于冷热电联供系统随机模糊优化调度是今后研究的主要方向。
摘要：基于天然气的冷热电联供(CCHP)系统负荷随机性和模糊性共存,有效提取其不确定特征对CCHP系统优化调度运行有重要意义。文中提出一种分布式CCHP系统负荷随机模糊建模的方法。首先基于CCHP系统冷热电负荷历史数据,发现其可以用n阶正态分布加权和方法描述其概率分布特征,并获得电负荷与冷热负荷的概率密度函数,进一步分析该函数的参数,可知其不具有完全的统计性质,因而具有认识意义的模糊性,通过对参数的隶属函数和机会测度函数特征的提取,从而定义电负荷与冷热负荷为随机模糊变量;其次分析电负荷与冷热负荷两类变量之间的耦合特性;最后结合随机模糊模型及各类负荷间的耦合特性,提出了CCHP系统接入电网负荷随机模糊建模方法及其相应建模步骤。湖南省某市接入10kV的CCHP系统的历史负荷数据样本仿真结果验证了该模型的有效性和正确性。
冷热电联供 第4篇
冷热电联供属于分布式能源,是传统热电联产的发展,也是目前比较受欢迎的能源利用方式。冷热电三联供是21 世纪最具经济效益的组合模式,美国、欧洲和日本等国家CCHP起步较早且发展迅速,到目前为止,美国仍然是CCHP的积极倡导者,并制定了明确的战略目标,到2020 年在新建办公楼或商业楼群中应用天然气CCHP的比例将提高到50% ,发电装机容量新增95GW,占到全国总用电量的29% 。日本也将分布式热电联产系统视为其“节流”战略的重要技术手段之一,我国起步比较晚,但是随着国家政策的不断落实,分布式能源也在迅速的发展和推广,目前主要在比较大的城市,例如北京、上海、广州等。目前,CCHP的研究主要有设备及系统配置、运行策略以及运行优化等方面[1,2,3,4,5,6]。
随着我国经济的快速发展,能源需求量不断增大,能源消耗显现出巨大缺口,因此,我国亟待调整能源结构并提高能源利用效率来适应发展潮流。分布式能源系统实现了冷、热、电三联供系统( CCHP)与多种多样的能源种类以及转换技术的耦合,打破了常规能源系统单一、能源利用率提升受限的局限性,进一步提高了节能减排的效果,开辟了能源综合利用的广阔途径[7,8,9]。
分布式能源系统的优化主要包括系统配置和运行策略两个方面,且两方面相互影响。系统配置是指在“以热定电”或“以电定热”的基础上合理选取供能设备并确定相应参数,这必然会影响运行策略的制定; 系统所制定的运行策略根据系统所达到的目标( 包含经济性、节能性及减排性等) 不同而有所区别[10,11]。本文以上海某会展及商业综合区域为例,采用三联供耦合水蓄能技术,结合项目特点及政策支持,确定系统配置,分析运行策略及供能顺序。
1 项目概况
项目位于上海市浦东新区,总建筑面积为111. 3 万m2,现处于规划阶段。区域内包含商业、办公、酒店等建筑类型,见表1。本项目将作为会展及商务区的重要组成部分,以绿色为核心,创造人与自然和谐的生态绿谷标志性空间。区域内所有建筑热工参数、空调能耗及设备参数等参照上海市《绿色建筑评价标准》( DG/TJ08 - 2090 - 2012) 进行规划设计,满足上海市《公共建筑节能设计标准》( DGJ08 - 107 - 2012) 及《居住建筑节能设计标准》( DG/TJ08 - 205 - 2008) 等规范要求。利用HDY软件计算建筑冷、热负荷及生活热水负荷,根据指标法[12]估算基本电负荷。计算结果见图1 及表2,图1 为全年空调逐时负荷,表2 为典型日最大及全年总负荷。图2 为本项目供能系统流程图。系统设备包括燃气内燃机、余热溴化锂机组、离心式冷水机组、离心式热泵、空气源热泵及蓄水槽等。
2 系统配置方式的确定
冷、热、电平衡问题是影响我国分布式能源冷热电联产系统配置最突出的问题[9,13]。目前,“以热( 冷) 定电”和“以电定热( 冷) ”是分布式冷热电联产系统两种典型的系统配置方式。
在“以热( 冷) 定电”方式下,以满足系统热( 冷) 负荷为基本目的,确定系统配置及设备容量,也即通过内燃机发电供热( 冷) 和余热供热( 冷) 满足负荷需求。此时,若三联供系统发电量大于系统需求量,可以考虑上网售电或蓄电; 反之,则需引入市电补充。
在“以电定热( 冷) ”方式下,以满足系统电负荷为基本目的,确定系统配置及设备容量。若三联供系统的供热( 冷) 量大于系统需求量,可以考虑对区域外供热( 冷) 或蓄能; 反之,则需要添加制热或制冷设备来解决。
根据上海市建设和交通委员会2008 年颁布的《分布式供能系统工程技术规范( DG/TJ08 - 115—2008) 》,分布式供能系统容量的选择应依据以热( 冷) 定电、热( 冷) 电平衡的原则。并规定分布式供能系统年总热效率不应小于70% 、年均热电比不应小于75% 。
本项目争取到了发电上网政策,结合上述分析,推荐采用“以热( 冷) 定电、自发自用、热( 冷) 电平衡”的方式配置系统,有利于提高综合能效[13,14]。
3 供能设备运行成本分析
上海市夏季、非夏季电价见图3,锅炉用天然气价格取3. 99 元/m3,三联供用天然气价格取优惠价2. 73 元/ m3。结合上海市能源价格及能源系统设备参数( 见表3) ,计算得到各供能设备的运行成本,见图4。需指出的是,根据上述依据所计算出的各系统供能运行成本,由于未计入部分负荷率下系统能效降低、辅机耗能、运营管理成本、初投资及盈利等因素,因此供能运行成本仅用于定性比较各供能系统间的相对关系,不作为本项目供能定价依据。
由图4( a) 可以看出夏季工况下:
( 1) 利用市电制冷时,谷电段离心式冷水机组运行成本最低,为0. 05 元/ k Wh。因此在谷电段采用离心式冷水机组蓄冷,可大幅度减少运行费用。
( 2) 利用三联供系统制冷时,其成本与市电电价无关,即不存在谷、平、峰电段的差别。其中,离心式冷水机组与余热溴化锂机组复合运行时,运行成本较低,为0. 09 元/k Wh。
由图4( b) 可以看出冬季工况下:
( 1) 利用市电制热时,谷电段双级热泵运行成本最低,为0. 15 元/k Wh。在谷电段利用双级热泵蓄热,可大幅度减少运行费用。
( 2) 利用三联供系统制热时,其成本与市电电价无关,即不存在谷、平、峰电段的差别。其中,双级热泵与余热溴化锂机组复合运行时,运行成本较低,为0. 20 元/k Wh。
4 运行策略的分析
系统运行时从减碳量和运行经济性等角度出发,可采用“三联供优先”或“蓄能优先”等策略[15,16]。在“蓄能优先”运行策略下,优先使用夜间谷电蓄能满足当日冷( 热) 负荷,不足部分由三联供系统解决,系统运行费用较低; 在“三联供优先”运行策略下,优先开启三联供系统满足当日冷( 热)负荷,不足部分由蓄能装置解决,系统能源利用率高,排碳量少。
为了尽可能增加冷热电三联供系统运行时间,以争取发改委的扶持政策,综合考虑经济性及能源利用效益,推荐采用“三联供优先、按需蓄热( 冷) 、按需发电及供热( 冷) 、自发自用、热( 冷) 电平衡”的运行策略。具体运行方式如下:
( 1) 夏季: 由燃气内燃机、余热溴化锂机组、离心式冷水机组、离心式热泵及空气源热泵组成的三联供系统与水蓄能系统共同提供冷量。
夜间,离心式冷水机组利用市网谷电,结合典型日白天的空调冷负荷,按需蓄冷,并提供少量冷量供应酒店等场所。夜间三联供系统不运行。
白天,若冷负荷较小,则只运行三联供系统即可满足;若冷负荷较大,优先运行三联供系统供冷,不足部分由释冷解决。三联供系统中,燃气内燃机按需(或额定)发电,自发电依次开启离心式冷水机组、离心式热泵及空气源热泵制冷,相应的余热量则供溴化锂机组制冷。其中,自发电制冷量Q制冷离心式冷水机,i、Q制冷离心式热泵,i、Q制冷空气源热泵,i与其对应的余热溴化锂制冷量Q制冷溴化锂(离心式冷水机),i、Q制冷溴化锂(离心式热泵),i、Q制冷溴化锂(空气源热泵),i之间存在比例关系,分别用ζ制冷溴化锂(离心式冷水机)、ζ制冷溴化锂(离心式热泵)、ζ制冷溴化锂(空气源热泵)表示,其值大小由离心式冷水机组(离心式热泵或空气源热泵)的制冷系数、燃气内燃机热电比及溴化锂机组制冷系数决定。计算式如下
式( 1) ~ ( 3) 中,i为白天逐时时刻。
本文,把Q制冷离心式冷水机,i、Q制冷溴化锂( 离心式冷水机) ,i之和称为离心式冷水机组与溴化锂机组复合制冷,用符号Q复合制冷离心式冷水机+溴化锂,i表示; 同理, 把Q制冷离心式热泵,i、Q制冷溴化锂( 离心式热泵) ,i之和称为离心式热泵与溴化锂机组复合制冷,用符号Q复合制冷离心式热泵+溴化锂,i表示; 把Q制冷空气源热泵,i、Q制冷溴化锂( 空气源热泵) ,i之和称为空气源热泵与溴化锂机组复合制冷,用符号Q复合制冷空气源热泵+溴化锂,i表示。
( 2) 冬季: 由燃气内燃机、余热溴化锂机组及双级热泵( 由离心式热泵与空气源热泵串联而成,以下简称“双级热泵”) 组成的三联供系统与水蓄能系统共同提供热量。本项目采用双级热泵制热技术,空气源热泵制取40℃的热水,进入离心式热泵的蒸发器换热后35℃回空气源热泵构成一级循环; 用户回水45℃经离心式热泵的冷凝器提升温度至60℃构成二级循环。
夜间,双级热泵利用市网谷电,结合典型日白天的空调热负荷,按需蓄热,并提供少量热量供应酒店等场所。夜间三联供系统不运行。
白天,若热负荷较小,则只运行三联供系统即可满足; 若热负荷较大,优先运行三联供系统供热,不足部分由释热解决。三联供系统中,燃气内燃机按需( 或额定) 发电,自发电供双级热泵制热,相应的余热量则供溴化锂机组制热。其中,自发电制热量( Q供热双级热泵,i) 与余热溴化锂制热量( Q供热溴化锂,i) 之间存在比例关系,用 ζ供热溴化锂( 双级热泵)表示,其值大小由热泵机组的供热系数、燃气内燃机热电比及溴化锂机组供热系数决定。计算式如下
式( 4) 中,i为白天逐时时刻。
本文,把Q供热双级热泵,i、Q制冷溴化锂,i之和称为双级热泵机组与溴化锂机组复合供热,用符号Q复合供热双级热泵+溴化锂,i。
采用上述运行策略,可充分利用三联供系统及水蓄能耦合利用的优势,按需发电及供冷( 或供热) ,系统无多余的电力及余热产生。从而提高能源综合利用效率,减少对外部电网的冲击和影响。
5 能源系统设备及参数确定
能源系统设备、型号、参数及数量见表3。各设备确定方法如下:
( 1) 离心式热泵及空气源热泵机组
根据冬季典型日工况,遵循两个能量平衡原则,即蓄热与释热平衡、逐时热负荷供需平衡; 结合冬季典型日运行策略,确定离心热泵与空气源热泵总容量。
( 2) 离心式冷水机组
根据夏季典型日工况,遵循两个能量平衡原则,即蓄冷与释冷平衡、逐时冷负荷供需平衡; 结合夏季典型日运行策略,确定离心式冷水机组总容量。
( 3) 蓄水槽容积、内燃机及溴化锂机组
蓄水槽容积、内燃机及溴化锂机组的容量及参数按冬、夏季大值选。
( 4) 热水锅炉
热水锅炉由热水峰值负荷确定容量及参数。
6 供能平衡分析
以冬、夏季典型日为例,按照“三联供优先、按需蓄热( 冷) 、按需发电及供热( 冷) 、自发自用、热( 冷) 电平衡”的原则,确定了夏季供冷及冬季供热工况下供能设备的使用顺序。图5 所示为供能平衡图。
其中,夏季工况下的供能顺序依次为:
( 1) 夜间谷电段,开启离心式冷水机组,按需蓄冷,并提供夜间少量冷负荷。
( 2) 白天平、峰电段,优先运行三联供系统制冷。其中,内燃机自发电依次供离心式冷水机组、离心式热泵机组、空气源热泵机组制冷,相应的余热量供溴化锂机组制冷,满足逐时冷负荷。冷、电基本平衡,无多余电力及余热产生。
( 3) 白天平、峰电段,当三联供系统制冷量不足供应冷负荷时,由蓄水槽释冷解决。
冬季工况下的供能顺序依次为:
( 1) 夜间谷电段,开启双级热泵机组,按需蓄热,并提供夜间少量热负荷。
( 2) 白天平、峰电段,优先运行三联供系统供热。其中,内燃机自发电供双级热泵机组制热,内燃机余热供溴化锂机组制热,满足逐时热负荷。热、电基本平衡,无多余电力及余热产生。
( 3) 白天平、峰电段,当三联供系统供热量不足供应热负荷时,由蓄水槽释热解决。
7 结论
本项目以上海某分布式能源系统为对象,综合考虑系统配置及运行策略,结论如下:
( 1) 本项目可以发电上网,为了尽可能增加冷热电三联供系统运行时间,以争取发改委的扶持政策。综合考虑经济效益及能源利用效益,推荐采用“三联供优先、按需蓄热( 冷) 、按需发电及供热( 冷) 、自发自用、热( 冷) 电平衡”的系统配置及运行方式。
( 2) 夏季典型日供能顺序依次为: ( a) 夜间谷电段,开启离心式冷水机组,按需蓄冷,并提供少量冷负荷; ( b) 白天平、峰电段,优先运行三联供系统,利用自发电及余热复合制冷,满足逐时冷负荷。其中,自发电制冷的优先顺序为离心式冷水机、离心式热泵、空气源热泵,相应的余热供溴化锂机组制冷;( c) 冷负荷不足部分由蓄水槽释冷解决。
( 3) 冬季典型日供能顺序依次为: ( a) 夜间谷电段,开启双级热泵机组,按需蓄热,并提供少量热负荷; ( b) 白天平、峰电段,优先运行三联供系统,利用自发电供双级热泵制热,余热供溴化锂机组制热,满足逐时热负荷; ( c) 热负荷不足部分由蓄水槽释热解决。
摘要：为了研究冷热电联供与水蓄能耦合利用,将冷、热、电三联供及蓄能耦合的分布式能源系统应用于上海某会展及商业综合区域。通过负荷计算及供能成本分析,确定了“以热定电”的系统配置,在允许上网的政策下,综合考虑能源利用效益及经济效益,推荐采用“三联供优先、按需蓄热(冷)、按需发电及供热(冷)、自发自用、热(冷)电平衡”的供能策略,并以冬、夏季典型日为例,得到供能系统使用顺序及能量平衡图。
冷热电联供 第5篇
关键词：太阳能,冷热电联供系统,全寿命周期法,策略评估,优化配置
0引言
冷热电联供(combined cooling heating and power,CCHP)系统[1,2,3,4]相比于传统分供(separation production,SP)系统,具有能效高、污染少的优点, 可以实现能源的梯级利用等特点,成为未来分布式供能系统的发展趋势。太阳能、风能等可再生能源的大力推广已成为解决化石能源危机和环境污染的有效途径[5]。将太阳能并入CCHP系统,有利于社会的可持续发展,实现绿色经济,因此太阳能与CCHP系统相结合,已经成为当前研究的热点[6,7]。
在太阳能与CCHP系统相结合过程中,联供系统的经济评价、运行策略和优化设计是重点研究的内容。文献[8]从经济、能源和环境三方面建立了优化目标,对CCHP系统不同运行模式之间的调度策略进行了研究。文献[9]介绍了两种与可再生能源相结合的CCHP系统:一种是太阳能热动力CCHP系统,另一种是太阳能燃料电池可再生CCHP系统。文献[10]设计了一种集成太阳能利用和内燃机驱动传统联供系统的冷热电三联产系统,基于生命周期分析法,对系统的设备容量和运行策略进行了优化;文献[11]设计了一种以太阳能作为驱动能源, 结合郎肯循环和喷射式制冷循环的CCHP系统,利用遗传算法对系统进行了优化。
本文将太阳能和CCHP系统相结合,设计了两种联供系统:光伏光热一体化联供(photovoltaic solar-thermal integration CCHP,PVST-CCHP)系统和太阳能综合利用联供(comprehensive utilization of photovoltaic/thermal solar energy, PVCU-CCHP)系统,并构建了以热定电和以电定热两种运行控制策略。基于全寿命周期法,建立了能源、环境、经济和综合评估的多指标评价体系。以SP系统作为参考,利用算例对PVST-CCHP和PVCU-CCHP系统的运行策略进行了评估。在此基础上,采用粒子群优化算法对最优联供系统的机组台数和燃气轮机容量进行了优化配置,以实现联供系统的综合效益最大化。
1冷热电系统的能量流图
SP系统、PVST-CCHP和PVCU-CCHP系统的能量流如图1所示。
在SP系统中,电负荷(EN)由电网(Egrid)提供; 冷负荷(Qc)由电制冷机提供,电制冷机消耗电能Eac制冷,制冷量为Qac;热负荷(Qh)由燃气锅炉提供。
而两种联供系统的区别在于太阳能利用方式不同,PVST-CCHP系统设置水冷式光伏光热一体化(photovoltaic solar-thermal integration,PV/T)机组,既可以通过表面的电池板产生电能,也可以通过电池板底部的集热器吸收热能。PVCU-CCHP系统分别设置了太阳能光伏发电机组和太阳能集热器,前者收集太阳能发电,后者收集太阳能产热。其中,PV/T机组、光伏发电机组和集热器都以太阳能为原动力,分别为系统提供电能Epv和热能Qpv,其中Qpv1直接供给热负荷,Qpv2供给吸收式制冷机用于制冷。燃气轮机以天然气作为燃料,将化学能转化为电能Emt,其高温烟气所携带的热能Qre由余热锅炉回收为系统提供热能;燃气锅炉作为热能补充机组仍以天然气为原料给系统提供热能Qgs。它们所制的一部分热能Qre1和Qgs1提供给系统的热负荷需求,另一部分Qre2和Qgs2提供给吸收式制冷机制冷。吸收式制冷机的驱动热能由Qpv2,Qre2和Qgs2三部分共同提供,制冷量用Qab表示。
2 PV/T机组的数学模型
本文采用的是水冷式PV/T组件[12],其系统结构如图2所示。
工作原理为:水通过太阳能光伏/集热板时吸收太阳能得到较高温度的热水可用于供暖或驱动制冷系统;同时,设置在光伏/集热板表面的光伏电池通过蓄电池和逆变控制器等提供电能。这种将太阳能光伏组件、集热组件集成为一体的结构设计,可以提高能源整体利用效率,并大幅度降低系统成本和安装面积。
众多研究表明,多晶硅电池的电效率ηel随着工作温度tp的降低而升高,工作温度每降低1 ℃,光伏电池光电转换效率平均可提高0.4%~0.5%,表示为:
则光伏电池输出电功率为:
式中:Ppv为PV/T机组发出的功率;Apv为机组的光照有效面积;ηel为光伏电池的发电效率;I为太阳辐射强度。
PV/T集热板的集热效率ηth计算如下:
式中:α为PV/T板表面的吸收率,取为0.78;τpv为光伏电池的吸收率,一般取1.0;ta为环境温度;UL为集热板的损失系数,由对流损失因子hc和辐射因子hr组成,
uw为环境风速;ε为光伏组件发射率;σ 为斯蒂芬— 波尔兹曼常数。
集热板获得的热流量为:
3计及全寿命周期的评价指标
除考虑一次能源消耗量和当量CO2减排量外, 本文还以全寿命周期成本[13]为目标,构建了多目标评价体系,全寿命周期采用对应的等年值。此外,为了评价SP和CCHP系统的优劣,还定义了4个相对指标。
1)能源指标:一次能源消耗量
一次能源消耗量(YPEC)是指系统在一年内购买的电量和消耗的天然气燃料量统一转化为标准一次能源,表示为:
式中:Egridk为时段k从电网购买的电量;Fmk为时段k系统消耗的天然气燃料量;ηgen为火电厂的发电效率;σe和σf分别为购买每千瓦时能量时消耗的煤炭量和天然气所对应的一次能源转换系数;k=1, 2,…,8 760,代表一年有8 760h。
定义1:一次能源的节约率(ηPEC)
式中:YPEC-SP和YPEC-CCHP分别为SP和CCHP系统一年内的一次能源消耗量。
2)环境指标:当量CO2排放量
当量CO2排放量(YCDE)是将各种气体对温室效应在一年内的影响等效为等量CO2的影响,各种气体的当量CO2转换系数见附录A表A1。YCDE计算如下:
式中:μe和μf分别为每千瓦时能量的煤炭量和天然气所对应的CO2的转换系数。
定义2:当量CO2的减排率(ηCDE)
式中:YCDE-SP和YCDE-CCHP分别为SP和CCHP系统一年内的当量CO2排放量。
3)经济指标:全寿命周期成本
全寿命周期成本(YCOST)包括电力和天然气的购买成本(CCH)、当量CO2量排放的惩罚成本(CPUN)、运行维护成本(COM)和安装成本(CDC),其中CCH,CPUN,COM已经是对应的年费用,而安装成本是一次性投资,通过各出力机组的寿命和银行利率转换为等年值费用:
式中:Ce和Cf分别为系统从电网购买电力的价格和燃气的价格;Cc为CO2排放税;Comi为出力单元i单位功率的运行维护系数;Pik为出力单元i时段k发出的功率;Di为各个出力单元发出每千瓦功率的安装成本;Oi为各个出力单元单位容量安装成本;d为利率,取8%;li为各个出力单元寿命;i=1,2,…, N,其中N为系统的出力单元数。
定义3:全寿命周期成本节约率(ηCOST)
式中:YCOST-SP和YCOST-CCHP分别为SP和CCHP系统一年内的全寿命周期成本。
4)综合评估指标
本文构建了基于能源、环境和经济性三个评价准则的综合性能评价指标(YIPC),即
式中:ω1,ω2,ω3分别为三个评价准则的权重系数, 采用判断矩阵法[14],将经济性指标作为第1级,能源指标作为第2级,环境指标作为第3级,得到权重系数为ω1=0.258 3,ω2=0.104 7,ω3=0.637 0。
定义4:综合性能提升率(ηIPC)
式中:YIPC-SP和YIPC-CCHP分别为SP和CCHP系统的综合性能指标。
4联供系统的运行策略
燃气轮机的运行策略影响着联供系统性能的优劣,通常情况下,燃气轮机主要有以热定电(ordering power by heating,OPH)和以电定热(ordering heating by power,OHP)[15]两种策略。 因此,本文就PVST-CCHP和PVCU-CCHP两种联供系统,设置以下运行策略。
4.1 PVST-CCHP系统
1)以热定电(PVST-OPH)。PV/T机组产生的热能如果不能满足系统的冷热负荷需求,不足的部分由燃气轮机满足,燃气轮机因此产生的电能和PV/T机组产生的电能共同承担系统的电负荷,不足的电能部分由电网补充。
2)以电定热(PVST-OHP)。PV/T机组产生的电能如果不能满足系统的电负荷需求,由燃气轮机发电补给,燃气轮机因此产生的余热经过余热锅炉收集和PV/T机组产生的热量负责承担系统的冷热负荷需求,不足的热能部分由燃气锅炉补给。
4.2 PVCU-CCHP系统
1)以热定电(PVCU-OPH)。吸收到的太阳能分别用于太阳能光伏机组发电和太阳能集热器产热,如果太阳能集热器产生的热能不能满足系统的冷热负荷需求,不足的部分由燃气轮机供给,燃气轮机因此产生的电能和太阳能光伏机组发的电能共同承担系统的电负荷,不足的电能部分由电网补给。
2)以电定热(PVCU-OHP)。吸收的太阳能分别用于太阳能光伏机组发电和太阳能集热器制热, 如果太阳能光伏机组发的电量不能满足系统的电负荷需求,不足的部分由燃气轮机供给,燃气轮机因此产生的余热由余热锅炉收集,和太阳能集热器产生的热能共同承担系统的冷热负荷,不足的热能部分由燃气锅炉补给。
5算例系统分析
5.1算例系统
本文选取某宾馆为研究对象,PV/T机组、光伏发电机组和集热器都安装在屋顶,屋顶面积为500m2,PV/T机组单台面积为1 m2。以一年为研究区域,时间间隔为1h,即8 760个时段。假设一年中每日电价不变,算例系统的相关参数见附录A, 系统的经济性分析图例见附录B。
5.2 CHPP的策略评估
为了比较两种联供系统的优劣,设PVST- CCHP系统中安装PV/T机组为500台,PVCU- CCHP系统中光伏发电机组和集热器的安装面积均为250m2。图3所示为PVST-OPH,PVST-OHP, PVCU-OPH和PVCU-OHP四种运行模式下相比于SP系统的评估结果图。
如图3所示,此时ηPEC和ηCDE指标均为正值,说明四种模式下一次能源消耗量和当量CO2排放量都小于SP系统,原因是它们都利用了太阳能清洁能源,可以减少系统的一次能源消耗量和CO2排放量,其中最优模式为PVST-OHP,其次为PVCU- OHP,PVST-OPH和PVCU-OPH。 对于ηCOST指标,在PVST-OHP和PVCU-OHP模式下为正值, 这说明在这两种模式下经济成本小于SP系统,但对比ηPEC和ηCDE指标,此时ηCOST的节约程度相对较小。在PVST-OPH和PVCU-OPH模式下的ηCOST为负值,说明这两种模式下经济成本大于SP系统, 这是由于系统增加了太阳能发电机组或者光伏光热一体化机组,其安装成本和运行维护费用较高。此时,最优的运行模式仍然是PVST-OHP,其次为PVCU-OHP,PVST-OPH和PVCU-OPH。 综上所述,不论是YPEC,YCDE还是YCOST,其中最优的运行模式为PVST-OHP,其次分别为PVCU-OHP, PVST-OPH和PVCU-OPH。
图4所示为四种运行模式下ηIPC的评估值。
由图4可知,在综合评估指标ηIPC下,最优的运行模式为PVST-OHP,其次为PVCU-OHP, PVST-OPH和PVCU-OPH。
5.3最优运行模式下的优化配置
由5.2节可得最优运行模式为PVST-OHP,选取PV/T机组的安装台数S和燃气轮机的容量P为优化变量,分别以能源、环境、经济和综合指标为目标函数,采用粒子群优化算法[16]对S和P进行寻优,使联供系统相对于SP系统在这四个方面取得最大效益。设S最小为0,最大为500;P最小为50 kW,最大为300kW。粒子群优化算法的优化变量设置为两维变量(S,P),前者S产生于平均分布在(0,500)的随机整数,后者P产生于平均分布在(50,300)的随机整数,算法流程见附录C。
当以(S,P)为优化变量,分别得到ηPEC,ηCDE, ηCOST和ηIPC的优化结果,三维效果如图5所示。
由图5(a)和图5(b)可知,ηPEC和ηCDE随着S的增大而增大,随着P的增大是先增大后减小,即ηPEC和ηCDE随着PV/T机组的增加而提升,随着燃气轮机容量的增大先提升后下降。得到的最优结果为PV/T机组500台,燃气轮机容量100kW,此时系统一次能源消耗量和当量CO2排放量最小。
由图5(c)可知,ηCOST随着S的增大而减小,随着P的增大而增大。当P为最小燃气轮机容量50kW时,即使S取值为0,ηCOST也为负值,即经济性能劣于SP系统,随着P的增大,ηCOST也增大,变为正值,故最优变量取(0,300),这说明燃气轮机容量的增大可以优化系统的经济性能,而PV/T机组台数的增加会使得联供系统的经济性能变差,这是由于增加了PV/T的安装台数,就增加了系统的运行维护费用和安装成本。
由图5(d)可知,ηIPC与ηPEC和ηCDE相同,都是随着S的增大而增大,随着P的增大是先增大后减小。得到的最优结果为PV/T机组500台,燃气轮机容量100kW,此时系统综合性能最优。
6结语
冷热电联供 第6篇
随着能源危机的日益严重以及世界各国对环保问题的日益关注,节能与环保已经成为当今世界能源技术发展的主题。分布式冷热电联供能源系统(Distributed Energy System/Combined Cold Heat and Power,DES/CCHP)作为一种有效的节能技术,在世界范围内受到了广泛的重视。
分布式能源是以冷热电联产技术为基础,与大电网和天然气管网相连接,向一定区域内的用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水(或风)等能源服务系统。DES/CCHP节能高效,目前以天然气为主要燃料,通过燃气轮机或内燃机首先做功发电,再将排出的高温烟气通过各种方式按照不同的温度逐级利用,最终可实现70%～90%[1]以上的能源利用率。
1 天然气冷热电联供系统在国内外的研究动态
1.1 联供系统的优化配置和运行策略的研究
天然气冷热电联供系统设备组成较为复杂,配置方法多种多样,根据不同的能源需求,系统的运行策略也有很大差异。不同的运行策略和系统配置对联供系统的高效运行起着至关重要的作用。国内外学者对联供系统的优化配置和运行策略进行了大量的研究。
Fumo[2]等对比了CO2减排运行策略和一次能耗运行策略下联供系统的CO2减排量和一次能耗节约率,结果证明,当优化后的系统根据最优CO2减排量运行时,系统综合效益更优。Wang[3]等采用遗传算法对系统设备容量和电制冷量占总制冷量之比进行了优化,在考虑系统对全球变暖、酸雨、臭氧空洞等影响的同时,实现了系统节能减排的最大化。Lozano[4]等利用混合线型方程,以最小年运行费用为目标,对联供系统的蓄能系统进行了优化设计,结果表明,联供系统的经济性能会受到地方政策的很大影响。
刘爱国[5]等建立了一套混合整数非线性规划(MINLP)模型,对分布式冷热电联供系统的设备启停限制和设备容量进行了优化。高伟[6]等以满足年运行费用最低为优化目标,以建筑物全年冷、热、电负荷需求作为基础,得到了系统的最优配置和运行策略。胡燕飞[7]等根据天然气价格与电力价格的变化情况,在考虑冷热电负荷需求可变的基础上,运用混合整型(0-1)单目标规划方法,对联供系统的运行策略进行了优化。
1.2 联供系统的性能研究
冷热电联供系统是建立在能源梯级利用基础上,集制冷、供热及发电一体化的总能系统,目的在于提高能源利用效率,因此在工程领域得到了大量的应用。工程领域最关注的系统性能这一实际问题,也成为了国内外研究的热点。
Cho[8]等对应用于不同城市的联供系统进行对比,发现当联供系统用于不同城市时,系统的一次能源消耗和CO2排放量之间的关系是不同的。Lozano[9]等基于边界生产成本,对系统进行了热经济性分析,得到了系统内部能量流和最终产能的单位花费,找到了能量需求和能源价格之间的最佳关系。Badami[10]等对一个由液体除湿空调和热电联供系统组合而成的微型燃气轮机联供系统的能量特性进行了分析,针对燃油价格和购电价格以及政府对联供系统的相应补贴对系统经济性的影响进行了分析。
杨晚生[11]等利用热力学理论对三联供系统额定工况下的产能成本单价进行了分析,得到了天然气价格和余热利用率与发电量成本单价和制冷量成本单价之间的关系。赵奕[12]对比了天津西站采用联供系统和分供系统时,在初投资费用、一次能耗费用、一次能耗量和总能耗量上的区别,分析了联供系统的经济特性和能源特性。别祥[13]等分析了环境温度、燃气轮机和吸收式制冷机出口烟气温度对制冷、供热、能量利用率、火用利用率以及经济收益的影响。
2 天然气冷热电联供系统在某大型商场建筑中的应用分析
2.1 工程概况及负荷预测
该商场为高档商业建筑,建筑面积19596.47m2,地下1层,地上6层。地下1层为超市,地上1～5层为商场,6层为商场办公区。
冷热负荷需求:夏季冷负荷为2100kW,面积冷指标130W/m2;冬季热负荷为1900kW,面积热指标88W/m2。
电量需求:照明用电按20W/m2计算,共需要390kW;设备用电按10W/m2计算,共需要196kW;另外增加70kW的电量富裕量;总电量需求656kW。
生活热水供应:该商场每层设置有8个洗手池,每个洗手池的用水量按30kg/h标准计算,同时增加了10%的富裕量。供水温度为60℃,自来水温度为10℃。由此可以计算出生活用水的热量需求为107.8kW。
2.2 联供系统
2.2.1 设计原则
系统设计要兼顾研究和使用两个方面,以适用于各种运行模式和运行工况,并应尽量提高系统的能源利用率。
2.2.2 设计运行模式
在不超出所设计联供系统设备容量的前提下,联供系统的驱动设备根据建筑所需的电量运行,发出的电能等于建筑所需的电量。当回收的热量高于建筑所需热量时,多余的热能通过冷却塔或者排气直接释放到大气中;当回收的热量低于建筑所需热量时,不足的部分由补燃进行补充。三联供系统在制冷和采暖季节运行,过渡季节不运行,由电网供电。发电机组和空调机组均可独立运行,满足冷热电负荷需要。
2.2.3 系统原理
冷热电联供系统的原理如图1所示。天然气进入内燃机燃烧室燃烧,使内燃机输出机械功带动发电机组发电,内燃机排放的高温烟气及缸套热水直接进入烟气热水(补燃型)溴化锂冷热水机组,驱动机组制冷(制热),对外提供空调冷(热)水。
2.2.4 系统能效分析
系统运行工况下的能量流程图 系统运行工况的能量流程如图2所示。
图2中E为发电量,QZ1为输入燃气内燃机的一次能源的热量;QZ2为输入直燃机的一次能源的热量;Q1内燃机热损失;QNR1中冷器和油冷器的热回收量;QNR2缸套的热回收量;QNR3烟气的热回收量;QS系统生活热水供应量;Q2直燃机热损失;QL、QR分别为直燃机向用户提供的制冷量、制热量。
1)一次能源利用系数PERL(R)。
undefined
2)内燃机的发电效率ηe。
undefined
3)内燃机的电热比a。
undefined
式中:QNR被内燃机有效利用的热量, QNR=QNR1+QNR2+QNR3。
4)中冷器和油冷器的热量回收率β。
undefined
5)直燃机组的制冷系数COPL(制热系数COPR) 。
undefined
6)换热器的热回收效率ηS。
undefined
由式(2)可得:
undefined
由式(3),式(4),式(6)可得:
undefined
由式(3)～(6)可得
undefined
将式(7),式(9),式(10)带入式(1)可得:
undefined
式(10)即为该系统的一次能源利用系数的计算公式,式中α=0.78,β=17.1%,ηS=75%,ηe=33%,COPL=1.34,COPR=0.925,E=656kW,QL=2100kW,QR=1900kW,可计算出制冷工况下的一次能源利用系数PERL=100.2%,制热工况下的一次能源利用系数PERR=79.64%。
2.3 分供系统
2.3.1 系统原理
分供系统的原理如图3所示。用户电负荷及系统设备用电由城市电网负责供给;夏季由电制冷机组制冷,将冷冻水输送至建筑终端设备;冬季热负荷和全年生活用热水,由天然气驱动的燃气锅炉提供热量,并采用热交换器调节所供应热水的温度。
2.3.2 系统能效分析
1)制冷工况下的一次能源利用系数PER′L。
undefined
2)制热工况下的一次能源利用系数PER′R。
undefined
式中:η′e发电系统的发电效率;ηb锅炉效率;COP电动制冷机性能系数。
将E=656kW,QL=2100kW,QR=1900kW,η′e=0.33,ηb=0.85,COP=3.4,带入式(11)、(12)中,可计算出制冷工况下的一次能源利用系数PER′L=71%,制热工况下的一次能源利用系数PER′R=60%。
2.4 计算结果分析
从一次能源利用系数可以看出,在发电机出力和系统输出能量相同的情况下,系统余热利用情况和设备运行效率是影响系统节能性的两个主要因素。系统的余热利用率和主要设备运行效率越高,系统的一次能源利用率就越高。另外,联供系统在制冷和制热两种工况下的一次能源利用系数比传统的分供系统要高出29%和20%,可见冷热电联供系统可以有效提高能源的综合利用率。
3 结语
冷热电联供可以实现能源的梯级利用、提高能源的综合利用率,是缓解世界能源危机和改善环境的一种有效途径,因此受到了世界各国的广泛重视,也成为了能源技术领域研究中的一个热点。
本文对分布式冷热电联供系统在国内外的研究动态进行了描述,并从能源利用方面对该系统的性能进行了分析和比较。可以预见,分布式冷热电联供系统将会得到巨大的发展。
摘要：简要介绍天然气冷热电联供系统的国内外研究动态,从系统的优化配置、运行策略和性能分析几个方面列举一些对该领域有突出贡献的专家学者及其研究成果。针对一个典型的商场建筑冷热电联供系统进行性能分析,并将其与传统的供能方式进行了比较。
