分布式供能系統一次能源利用率影響因素

胡波

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州市510663)

0 引言

分布式供能系統是一種臨近用戶的發電并結合熱電(冷)聯供等應用拓展的整體能量供應系統，通過能量的“梯級利用”，能源利用效率大大提高。分布式供能系統可為終端用戶提供靈活、節能型的綜合能源服務，是新世紀電力工業和能源產業的重要發展方向，其發展日益引起國內外能源動力界的關注。分布式能源站在我國的應用情況不是十分理想，主要原因是由于配置不當、運行調節不優化造成實際系統運行效率低，經濟效益差。因此，分布式能源站能否在各種工況下高效運行是分布式供能系統推廣的難點和關鍵點［1-10］。本文以佛山供電局季華路大院3棟大樓為依托，建成一個具有代表性的高效天然氣冷、電聯供示范系統，以分析影響系統一次能源利用率的因素。

1 系統概況

示范工程包括送電大廈(簡稱綜合樓)、試驗研究所(簡稱試驗樓)和即將建成的禪城區供電局新大樓(簡稱新樓)，聯供系統為上述3座辦公樓提供冷、電供應。課題指標:示范工程一次能源綜合利用效率大于75%;電熱比大于0.4。

燃氣輪機分布式冷電聯供示范系統選用了3×200 kW微型燃氣輪機發電機組、1臺煙氣雙效溴化鋰吸收式制冷機及相關輔助設備，3臺微型燃機的排煙合并在一起，送入煙氣溴化鋰制冷機制冷。在制冷機前端煙道上設置煙氣三通閥，煙氣三通閥主路接制冷機，旁路直接排大氣，通過調節三通閥開度，可以調節送入制冷機的煙氣量。

根據示范工程的總體技術方案，為了提高分布式冷電聯供系統的利用率和經濟性，聯供系統的設計容量不能滿足示范點最大電負荷和冷負荷峰值需求時，不足部分由外電補充。因此，3棟大樓內均設有電空調系統，補充示范點的冷負荷需求。示范點同時與外電網連接，燃機電功率不足以滿足示范點電負荷需求時，由外電網補充供電。分布式供能示范系統的結構如圖1所示。

微型燃機采用回熱器，提高了發電效率，但是排煙溫度較低。因此，要提高系統整體效率，需要采用低溫雙效煙氣機。示范系統中，低溫雙效煙氣機的額定制冷量為1 081 kW，制冷效率為1.33，與Capstone微型燃機搭配可以滿足電冷比和綜合利用效率的要求。

圖1 冷、電聯供系統結構Fig.1 Flow chart of combined cooling and power system

2 能源利用率試驗

2.1 首次試驗情況

滿負荷時制冷機的制冷量為582 kW，制冷效率為0.74，遠低于設計值1.33，系統綜合一次能源利用率在燃機修正后為68.43%。制冷機本體阻力2.4 kPa，遠遠超過制冷機設計阻力0.8 kPa。此時，燃機排煙背壓達2.5 kPa，已經超過燃機廠要求的背壓限值2 kPa，將影響機組的安全運行。

2.2 第1次改造

針對制冷效率不達標，對制冷機進行了改造，在制冷機內部增加了煙氣擾流片以增加換熱強度，并嘗試對冷卻塔進行加冰，降低冷卻水溫度。改造后，再次進行了制冷機性能測試，加冰前后的制冷量分別為631、649 kW，制冷效率分別為 0.84、0.86，仍遠低于設計值。試驗測得制冷機本體阻力達3.87 kPa，系統綜合一次能源利用率在燃機修正后為73.74%。

2.3 第2次改造

由于制冷機效率仍不達標，燃機出力和效率也達不到設計值，致使聯供系統綜合能源利用率達不到75%，再次進行了系統改造。在制冷機出口增設了1個尾部換熱器，以進一步利用余熱;并在制冷機后加裝了引風機，以降低燃機出口背壓;在主機蒸發器水室增加冷水行程隔板，增大換熱面積;在煙氣側增加擾流片，提高換熱效率。

改造后，3臺燃機滿負荷時測得的制冷機本體阻力達4.8 kPa，燃機出口背壓已超過4 kPa，嚴重影響燃機安全運行。

2.4 第3次改造

針對燃機背壓太高，更換了功率更大的引風機(額定功率達55 kW)，聯供系統制冷量達到843 kW，系統綜合一次能源利用率在燃機修正后為75.92%，電冷比0.57。但是燃機出口背壓為2.85 kPa，仍超過2 kPa，影響燃機的安全運行。

2.5 改造情況小結

改造前后聯供系統的參數如表1所示。由表1可知，煙氣背壓和制冷量不足是本項目不能達標的關鍵因素，即使改造后一次能源利用率達到了75%以上，但采用了引風機，機組運行可靠性降低，不符合設計要求。

表1 改造前后主要參數對比Tab.1 Comparison of main parameters before and after transformation

3 指標不合格原因分析

3.1 系統效率

溴化鋰吸收式制冷機組分為雙效和單效機組，其中雙效機組制冷效率為1.2～1.4，單效機組制冷效率為0.7～0.8。雙效機組對熱源要求較高，一般要求輸入煙氣溫度為400～500℃，高溫發生器溫度為130～150℃，對應排氣溫度為150～160℃;而單效煙氣機組可應用于煙氣溫度300℃及以下條件，發生器溫度為90～100℃，相對應的排氣溫度為130℃左右。

就本項目而言，由于項目規模偏小，發電部分采用發電效率相對較高的微型燃氣機組，排煙溫度只有300℃，根據吸收式制冷機組的常規選型經驗，只能采用單效機組，否則系統綜合效率將在60%以下，無法滿足制冷效率和一次能源利用率的要求。基于這種情況，提出了利用低溫煙氣進行雙效制冷的新機型，并從產品設計、制造、試驗、后期的技術升級等方面應用了多項節能技術，使排氣溫度低于105℃，制冷效率達到1.3。

3.2 背壓

雙效非電空調高溫發生器運行溫度為130～150℃，排氣溫度為150～160℃，較高溫發生器常規高10～20℃。本項目高溫發生器運行溫度設計值為130～140℃，按常規設計，排氣溫度將達到150～160℃。為了提高煙氣回收利用效率，本項目采用了2項節能技術。

(1)在高溫發生器的煙管內置入漸密式繞流片，高溫發生器溫度達到140℃時，排氣溫度僅比高溫發生器溫度高5℃，將煙氣熱量在高溫發生器內用至極限。

(2)將高溫發生器排出的氣體引入高效的煙氣板交中，用于加熱高、低溫熱交換器出口的稀溶液，回收近40℃溫差的熱量，將排氣溫度降至100℃左右，達到設計目標，提高稀溶液進入低溫發生器溫度近12～15℃。

為了提高煙氣回收利用效率，煙氣經過2次提升效率的換熱，雖然實現了煙氣熱量的高效利用，但增加了系統煙氣阻力?，F場測試，整個制冷機的阻力約2 340 Pa，比設計值高出1 540 Pa。

4 新改造方案

4.1 主機改造

更換制冷機，增加1組中溫熱水發生器，增加主體和高溫發生器的換熱面積。改造后，300℃煙氣通過高溫發生器加熱高溫發生器溶液，煙氣降至130℃。煙氣再通過1級煙氣余熱回收板交加熱熱媒水，熱媒水進低溫發生器加熱低溫發生器溶液，煙氣溫度降至90℃。本改造方案通過提高煙氣利用范圍，提高系統效率，同時通過增大主體換熱面積，讓主體運行在部分負荷，從而利用煙氣機部分負荷時的制冷效率，提高制冷量。通過加大高溫發生器和煙氣板交截面積，將制冷機的煙氣壓力損失控制在1 200 Pa以內。此外，通過加大冷卻水流量和控制冷卻水溫度可有效提高制冷出力，制冷量約949 kW。

與原方案相比，本改造方案增加了蒸發器的換熱面積(1.6倍)，增加了高溫發生器的換熱面積(1.7倍)，同時增加了溴化鋰溶液約3 t(1.3倍)。在減少背壓方面，高溫發生器尺寸加寬，管路縮短，并增加低阻力煙氣余熱回收板交，全部并聯安裝。在增加了高溫發生器的換熱面積后，其煙道長度并未增減，反而由于煙氣流速減慢，可減少高溫發生器設備阻力。

4.2 關聯系統改造

(1)冷卻塔移位并擴容。冷卻塔在二層位于發電機附近，冷卻塔工作時吸入發電機的絕大部分散熱量，加之四周的女兒墻形成氣流回旋豎井，通風散熱條件極差，影響冷卻水散熱效果。

(2)更換大流量冷卻水泵，提高機組制冷出力。泵參數為:流量468 m3/h，揚程20 m，功率45 kW。

(3)取消制冷機煙氣出口的引風機，排煙煙囪復位。

(4)現有煙氣三通閥改為煙氣兩通閥，設置在煙氣旁路上，減少發電機至制冷主機之間的煙氣阻力。

5 改造效果

5.1 改造后阻力分析

(1)煙氣高溫發生器。特殊設計高溫發生器結構，減短煙管長度，相應增大煙道截面積，降低煙氣在高溫發生器內流速，取消漸密式繞流片。采用特制煙氣高溫發生器可大幅降低高溫發生器煙氣阻力損失，根據實體試驗數據，可將高溫發生器的煙氣阻力損失控制在900 Pa以內。

(2)煙氣板交。加大煙氣板交，采用4件B400煙氣板交并聯，安裝在高溫發生器出口，進一步回收排氣余熱，產生中溫熱水加熱低溫發生器溶液。加大煙氣板交截面積可大幅降低煙氣板交的煙氣阻力損失，根據實體模擬試驗數據，可將煙氣板交的煙氣阻力損失控制在300 Pa以內。

(3)煙氣三通閥。將煙氣三通閥改為旁通閥調節方式，安裝在煙氣高溫發生器入口旁通煙道上，通過控制旁通量來調節制冷機的煙氣輸入量，跟蹤制冷機負荷調節。這樣煙氣三通閥不在制冷機煙氣主流道上，不會額外增加主流道的煙氣阻力。

通過以上措施，制冷機的煙氣阻力損失可以控制在1 200 Pa以內。

5.2 改造后一次能源利用率分析

在煙氣量一定情況下，要提高制冷量，有2個途徑:

(1)提升煙氣利用效率，擴大煙氣利用溫差范圍，分2級回收煙氣熱量，降低機組排煙溫度，相應制冷量可增加。煙氣通過煙氣高溫發生器換熱以后，140℃的煙氣再通過煙氣板交產生中溫熱水75/80℃，將煙氣溫度降至90℃以下，增大煙氣利用溫度范圍(回收利用溫差加大)。

(2)進一步提高制冷機制冷效率，采用加大主機型號和冷卻水流量方式，可提高制冷效率近10%，并增加相應的制冷量。

提高整個系統能源利用效率最簡單途徑是提高煙氣在非電空調中制冷量，在現有系統中提高非電空調制冷量有3種方法:(1)提高制冷效率，內部可以采取精確調整機組循環量和提高機組真空度來實現，外部可以采取降低冷卻水水溫來實現。(2)進一步降低排氣溫度，可以通過增設換熱器，在煙氣進非對稱板式換熱器前，加1個翅片式換熱器加熱高溫發生器稀溶液，提高高溫發生器熱輸入量，同時可提高機組效率和降低排氣溫度。(3)本項目設計高溫發生器運行溫度為130～140℃，引用了漸密式繞流片和非對稱板式熱交換器。高溫發生器的煙管內置入漸密式繞流片，在高溫發生器溫度140℃時，排氣溫度僅比高溫發生器溫度高5℃左右，將煙氣在高溫發生器內用至極限。將高溫發生器排出的氣體引入高效的非對稱板式熱交換器中用于加熱低溫熱交換器出口的稀溶液，回收近40℃溫差熱量，將排氣溫度降至100℃左右，達到設計目標，提高稀溶液進入低溫發生器溫度近12～15℃。煙氣經過2次提升效率的換熱方式。

6 結論

分布式供能系統全年一次能源利用效率取決于:(1)主設備本體的效率;(2)煙氣尾部余熱利用程度;(3)設備負荷率和年運行時間。因此，在分布式能源機組選型和系統擬定中，為提高一次能源利用率，需盡量利用尾部余熱，降低排煙溫度。同時選擇效率高的設備，保持高負荷運行才能真正實現能源利用的最大化。

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