多能源互補的分布式供能系統(tǒng)

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)（以下稱CCHP系統(tǒng)）作為一種由動力、余熱利用及蓄能等多個子系統(tǒng)集成構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，目前尚處于快速發(fā)展的階段，正在得到逐步深入的研究。CCHP系統(tǒng)的構(gòu)成特點是輸入與輸出的能源形式以及內(nèi)部的構(gòu)成形式均具有顯著的多樣性。它是由多種形式的熱力過程和多個供能系統(tǒng)所集成的總能系統(tǒng)，其內(nèi)部相對獨立的各個熱力子系統(tǒng)之間存在大量的能量、物質(zhì)傳遞和交換過程。它的總體性能不僅與各子系統(tǒng)的具體形式和性能參數(shù)有關(guān)，更為重要的是還取決于系統(tǒng)構(gòu)成流程形式以及各子系統(tǒng)間的熱力參數(shù)匹配情況。在CCHP系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和運行過程中涉及到兩種類型工況，即設(shè)計工況和變工況，且兩者存在本質(zhì)差異。在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的配置和優(yōu)化過程中，對兩種工況都需要關(guān)注。CCHP系統(tǒng)集成要綜合考慮上述諸多復(fù)雜因素，不斷豐富和完善，形成系統(tǒng)集成優(yōu)化的理論體系。基于能的梯級利用、不同形式能量間的互補和全工況運行等原理，本文介紹CCHP系統(tǒng)集成優(yōu)化的理論框架，其中包括能的綜合梯級利用，能源、資源與環(huán)境的綜合互補，以及基于全工況特性的系統(tǒng)集成等CCHP系統(tǒng)的集成優(yōu)化思路及措施。  　　1．基于能的綜合梯級利用的系統(tǒng)集成   　　（1）熱能品位對口，梯級利用   　　CCHP系統(tǒng)中，通常高品位的熱能多來自于化石燃料燃燒。而中、低品位的熱能主要來自于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)上游某熱力子系統(tǒng)的輸出，但有時也可能來自于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)外界的可再生能源系統(tǒng)或外界環(huán)境。因此，在利用中溫和低溫?zé)崮軙r，需要對用戶的需求以及各個熱力子系統(tǒng)的功能進行仔細分析。動力子系統(tǒng)的輸出為高品位的電，因而對輸入熱能的品位要求很高。對于吸收式制冷機和吸收式熱泵而言，需要的熱源溫度則更低一些，如雙效溴化鋰吸收式制冷機要求熱源溫度在120℃左右。而用戶需要的生活熱水和供暖所需熱量的溫度只需60℃左右。由此可見，燃料燃燒產(chǎn)生的高熱量應(yīng)優(yōu)先用于提供給動力子系統(tǒng)，做功發(fā)電，經(jīng)過這一級利用后，再為吸收循環(huán)提供熱源，驅(qū)動制冷或熱泵，溫度進一步降低后，再通過簡單換熱生產(chǎn)熱水。經(jīng)過上述若干級熱能利用后，動力子系統(tǒng)排氣中余熱的品位大幅度降低，可利用的數(shù)量也大幅度減少，利用價值顯著下降，無利用意義的余熱最后將被直接排向環(huán)境。   　　（2）正循環(huán)與逆循環(huán)耦合   　　分布式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)常常是由多個循環(huán)集成得到的總能系統(tǒng)。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)所采用的循環(huán)基本上可分為兩大類，即正循環(huán)和逆循環(huán)。動力子系統(tǒng)的功能在于輸出電，目前普遍采用的傳統(tǒng)熱轉(zhuǎn)功系統(tǒng)屬于正循環(huán)。制冷子系統(tǒng)通常利用動力子系統(tǒng)的余熱驅(qū)動的吸收式制冷循環(huán)，輸出低于環(huán)境溫度的冷量，屬于逆循環(huán)。在CCHP系統(tǒng)中，正是通過正循環(huán)和逆循環(huán)的耦合來實現(xiàn)冷熱電的多能源供應(yīng)。正逆循環(huán)耦合的關(guān)鍵在于兩循環(huán)之間能量傳遞與轉(zhuǎn)換利用時，量與質(zhì)同時優(yōu)化匹配，以最大程度降低能量轉(zhuǎn)換利用過程的損失。通常，動力正循環(huán)和制冷逆循環(huán)運行的溫度區(qū)間分別位于環(huán)境狀態(tài)以上和以下，兩者具有多方面的互補性。在此基礎(chǔ)上，將動力系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成，構(gòu)成正逆耦合循環(huán)，即制冷系統(tǒng)的高溫換熱器充當(dāng)動力系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，而動力系統(tǒng)的排熱充當(dāng)制冷系統(tǒng)的高溫驅(qū)動熱源，兩種系統(tǒng)的有效整合可大幅度提高聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能。   　　（3）熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合   　　高溫燃料電池等新型動力系統(tǒng)，采用的不是傳統(tǒng)意義上的熱力循環(huán)。若把它們和傳統(tǒng)熱力循環(huán)耦合，則可以充分體現(xiàn)燃料的化學(xué)能與物理能綜合梯級利用，將可以達到更高的能源利用率。燃料電池可以單獨作為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的動力子系統(tǒng)，也可以與傳統(tǒng)熱機（如燃氣輪機、內(nèi)燃機等）共同構(gòu)成復(fù)合動力子系統(tǒng)。單獨作為動力子系統(tǒng)時，燃料的化學(xué)能在燃料電池中直接轉(zhuǎn)換為電，未轉(zhuǎn)化部分可在余熱鍋爐、余熱型機組等熱量回收裝置中通過二次燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，然后與來自燃料電池的高溫?zé)崮芑旌?，再到制冷子系統(tǒng)、供熱子系統(tǒng)對其進行梯級利用。在由復(fù)合動力子系統(tǒng)驅(qū)動的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，未被燃料電池有效利用的化學(xué)能在后面流程的熱機中燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，再與上游的高溫?zé)崮芑旌瞎餐M行熱功轉(zhuǎn)換，最后用于制冷、供熱。與傳統(tǒng)熱機構(gòu)成的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，這種熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)增加了對化學(xué)能的直接利用，降低了燃料利用過程中的品位損失。   　?。?）中低溫?zé)崮芘c燃料轉(zhuǎn)換反應(yīng)集成   　　在CCHP系統(tǒng)集成時，可利用合適的熱化學(xué)反應(yīng)（例如重整或熱解）對燃料進行預(yù)處理，而且該過程可與尾部的熱力系統(tǒng)整合在一起。對燃料進行的熱化學(xué)預(yù)處理，可將較低品位的熱能轉(zhuǎn)化為合成氣燃料的化學(xué)能，以合成氣燃料的形式儲存，然后通過合適的熱機實現(xiàn)其熱轉(zhuǎn)功。燃料化學(xué)能，如甲烷或甲醇的化學(xué)能可以通過水蒸氣重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣的化學(xué)能，將反應(yīng)吸收的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺馊剂系幕瘜W(xué)能。上述過程在使熱能品位得到大幅提升的同時，還使燃料更清潔、更易于利用，同時熱值也得到增加。這種集成方式顯著提高了整個聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，同時為高效利用太陽能或系統(tǒng)中的中溫和低溫余熱提供了新途徑。   　　2.能源、資源與環(huán)境的綜合互補   　?。?）多能源互補   　　可再生能源具有分布廣、能量密度低、不穩(wěn)定、無污染等特點，而化石能源則具有分布不均勻、能的品位高、可連續(xù)供應(yīng)、有污染等特點。因此，太陽能、地?zé)崮?/strong>、生物質(zhì)能等可再生能源與化石能源有很強的互補性，可再生能源在CCHP系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景，化石燃料與可再生能源形成互補的CCHP系統(tǒng)。通過太陽能與化石燃料的互補，提供合適溫度的熱能，既可以減少化石能源的消耗量，又可以使集熱器具有較高的集熱效率。由于地質(zhì)條件的差異，根據(jù)不同地區(qū)可以提供的地?zé)崮軠囟?，將地?zé)崮軐?dǎo)入聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。生物質(zhì)能與化石燃料也可一起構(gòu)成雙燃料系統(tǒng)，通過生物質(zhì)的氣化或直接燃燒利用，可以減少聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對化石燃料的消耗。   　?。?）燃料能源與環(huán)境能源整合   　　CCHP系統(tǒng)與外界存在物質(zhì)和能量的交換，而它的中溫和低溫?zé)崮芾米酉到y(tǒng)與外界進行的交換主要是熱能交換。在進行系統(tǒng)設(shè)計配置時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境條件，盡可能結(jié)合周圍的環(huán)境熱源進行統(tǒng)籌安排。環(huán)境熱源通常是指系統(tǒng)附近的環(huán)境水熱源和空氣熱源。用吸收式熱泵替代簡單的余熱鍋爐，使環(huán)境熱源的溫度提升到可以利用的水平，大幅度提高中品位熱能的利用效果。也可以有效利用環(huán)境作為冷阱，起到改善聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率的作用。城市中水和污水溫度相對空氣溫度較高，而且較地表水穩(wěn)定，具有比較好的可用性。   　　3.基于全工況特性的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成原則   　　變工況一般會使聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能降低，而偏離設(shè)計工況越遠，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能下降得越明顯。為了緩解變工況運行對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能的負面影響，應(yīng)在聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成時考慮基于全工況特性的系統(tǒng)集成原則與必要的相應(yīng)措施。   　?。?）輸出能量比例可調(diào)的集成措施   　　CCHP系統(tǒng)面向的是小范圍的用戶，其冷、熱、電負荷通常存在較強的動態(tài)性，相應(yīng)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸出需要進行調(diào)整。可以根據(jù)用戶能源需求的變化情況，采取措施調(diào)節(jié)不同子系統(tǒng)的能源輸入量，進而控制不同子系統(tǒng)的輸出，使系統(tǒng)的輸出可以滿足用戶的需求，則聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的全工況性能將得到明顯改善。例如采用燃氣輪機注蒸汽（STIG）技術(shù)將余熱產(chǎn)生的蒸汽部分返回到燃氣輪機中做功，通過改變回注蒸汽量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷熱負荷與電負荷之間的比例，進而改善聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的全工況性能。也可以采用可調(diào)回?zé)嵫h(huán)的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成措施。可調(diào)回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機透平出口的高溫燃氣分成兩股，一股燃氣進入回?zé)崞鳎厥諢崮苡糜陬A(yù)熱壓氣機出口的空氣；另一股燃氣被直接引到回?zé)崞鞯娜細獬隹趥?cè)，與回?zé)崞鞒隹诘娜細庵匦禄旌?，然后共同進入余熱鍋爐。最后，系統(tǒng)尾部的余熱鍋爐回收排氣中的余熱，用于供熱或制冷?？筛鶕?jù)用戶的需求對通過回?zé)崞鞯臒煔饬窟M行調(diào)整，能增強聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的負荷應(yīng)變能力，大大改善系統(tǒng)的全工況性能。  　?。?）采用蓄能調(diào)節(jié)手段的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成   　　一般說來，小型供能系統(tǒng)在能量供應(yīng)和需求之間通常存在差異。產(chǎn)生差異的情況可分為兩種，一種是由能量需求變化引起的，即存在高峰負荷問題，使用蓄能系統(tǒng)可以在負荷超出供應(yīng)時，起到調(diào)節(jié)或者緩沖的作用；另一種是由供應(yīng)側(cè)引起的，外界的供應(yīng)量超過需求量時。蓄能系統(tǒng)就擔(dān)負著保持能量供應(yīng)均衡的任務(wù)。蓄能不但可以削減能量輸出量的負荷高峰，還可以填補輸出量的負荷低谷。在CCHP系統(tǒng)中配置的蓄能系統(tǒng)的作用還可以強化?？梢岳眯钅軐崿F(xiàn)平衡峰谷和增效節(jié)能雙重目的。通常，應(yīng)對用戶側(cè)的部分負荷需求時，供能設(shè)備效率會明顯下降。但是，機組若能與蓄能設(shè)備配合，可以確保機組始終在高效率的額定工況下運行，多出的輸出儲存于蓄能裝置中，而在用戶側(cè)的尖峰負荷時，蓄能裝置釋放出蓄存的能量。因此，集成蓄能的CCHP系統(tǒng)既能滿足負荷動態(tài)變化，又能保持聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全工況高效運行，是一種“主動”型能源轉(zhuǎn)換與利用模式。   　?。?）系統(tǒng)配置與運行優(yōu)化的系統(tǒng)集成   　　為適應(yīng)用戶負荷的變化，CCHP系統(tǒng)通常使用常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)作為補充，合理整合兩種系統(tǒng)有利于提高用戶能量供應(yīng)的可靠性，但需要仔細考慮系統(tǒng)的容量和運行方式。為此，可以采用多種系統(tǒng)配置與運行優(yōu)化模式。   　　1）多個獨立小規(guī)模聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化組合   　　當(dāng)用戶的需求開始下降時，各個獨立的小系統(tǒng)可以依次降負荷，直至全部停運，也就是說，能夠始終保證同一時間內(nèi)最多只有一個獨立系統(tǒng)處于部分負荷狀態(tài)，而其他投運的系統(tǒng)均處于滿負荷狀態(tài)，可以有效地改善整個能量供應(yīng)系統(tǒng)的性能。   　　2）部分常規(guī)系統(tǒng)與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化整合   　　當(dāng)用戶負荷需求與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計工況偏差較小時，分產(chǎn)系統(tǒng)可以不運行；在偏差較大時，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)單獨運行效率不高，則在滿足聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)高效運行前提下，采用分產(chǎn)系統(tǒng)或分產(chǎn)、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合運行，使整個能源供應(yīng)系統(tǒng)的全工況性能盡可能達到最佳配置。   　　3）與網(wǎng)電配合的優(yōu)化運行模式   　　通過優(yōu)化配合，既可以降低聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的容量，節(jié)省建設(shè)成本，也可以有效利用常規(guī)系統(tǒng)的資源，減少整個系統(tǒng)的運行成本，同時還可以通過聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)峰作用，改善常規(guī)電力系統(tǒng)的性能。   　　4.結(jié)語   　　到目前為止，CCHP系統(tǒng)的集成水平可概括為三個層次：第一層次代表了聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展初期的水平，主要是實現(xiàn)了常規(guī)動力技術(shù)與余熱利用技術(shù)的簡單集成，但存在余熱利用不充分、吸收式制冷系統(tǒng)的補燃量過大、電壓縮式系統(tǒng)的份額過大等問題，相對節(jié)能率在5%～10%；第二個層次的相對節(jié)能率達到10%～20%，主要是由于動力與中溫余熱利用構(gòu)成了較好的梯級利用，目前實施的多數(shù)CCHP系統(tǒng)可以達到這一水平；第三個層次仍處于發(fā)展中，它仔細考慮用戶不同冷、熱需求的具體要求，采用最佳的優(yōu)化控制方式使每種需求均得到滿足，用戶的需求與系統(tǒng)的供應(yīng)緊密耦合，系統(tǒng)的集成程度顯著增加，能的梯級利用程度進一步深化。第三代系統(tǒng)的相對節(jié)能率將達到20%～30%，是CCHP系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，系統(tǒng)集成是新一代CCHP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。