基于建筑負荷的微型熱電聯產系統性能分析

李巖學，阮應君，劉青榮

（1同濟大學機械與能源工程學院，上海200092；2上海電力學院能源與機械工程學院，上海201300）

引言

分布式供能系統作為一種新型的能源系統，主要是通過建立在用戶附近減少輸配系統投資和能量損失，實現更加靈活、可靠、高效的能源利用方式。目前，世界上許多發達國家紛紛研究和開發以天然氣為燃料的小型或微型的能源技術，高效的微型熱電聯產系統成為分布式能源系統的一個重要發展方向。微型燃氣輪機單機功率為25～1000 kW［1-2］，多采用回熱循環，發電效率在30%左右，雖然單純發電效率不高，但在熱電聯產系統中可以實現較高的能源利用率，另外因其尺寸小、質輕、燃料適應性強、污染排放低等優勢，廣泛應用到微小型的分布式發電系統［3-4］。

根據聯產系統運行模式及特點的不同，聯供系統供能形式主要分為以下幾種［5-6］：基于滿足用戶熱負荷運行，不足電量通過電網購電補充，即 “以熱定電”的模式；基于滿足用戶電負荷運行，不足熱量由分產子系統提供，即 “以電定熱”的模式；基于用戶熱電負荷選取合理的微燃機容量，聯產系統不向外輸出電量與熱量，不足電量及熱量通過電網和供熱子系統補充。目前國內一般主要通過 “以熱定電”的模式來對熱電聯產系統進行規劃，但是其前提一般需要 “并網且上網”的模式來運行，會對公共輸配電網的供電穩定性產生影響。微型聯產系統原動機發電效率相對較低，采用 “以電定熱”模式運行可能會造成冗余熱量的浪費，影響聯產系統經濟性［7-8］。與傳統的分產供能方式相比，熱電聯產系統熱電由原動機同時產生，熱電輸出比值恒定，而用戶需求端的熱電負荷及熱電比值具有很強的逐時波動性，用戶峰值負荷往往需要結合購電電網及分產系統共同承擔［9］。然而，目前很多研究主要集中于熱電聯產系統自身能耗特性［9］或大型的熱（冷）電聯產系統方案［10］。微型熱電聯產系統選取及性能往往需要結合用戶具體的熱電動態負荷特性來分析。本研究主要結合實測建筑物的用能負荷特性及原動機 （微燃機C60）熱電輸出特性，導入微型熱電聯產合理的配置方案，在用戶熱電比及購電量變化條件下從一次能源利用率、熱力學第二定律及相對節能率角度來分析評價微型熱電聯產系統的用能效果。

1 微燃機熱電聯產系統

1.1 模型建立

微燃機熱電聯產系統主要是利用燃燒天然氣發電，提供用戶電負荷，同時對發電后高溫煙氣進行余熱回收，承擔部分熱負荷。由于熱電聯產系統不可能提供用戶所有熱與電負荷，目前微型熱電聯產系統主要由原動機、分產鍋爐組成，設置鍋爐作為補充熱源，系統在 “并網不上網”的原則下運行。為分析熱電聯產系統一次能源利用效率及 效率，選取參照對象為傳統電廠供電及熱水鍋爐供暖形式，如圖1所示。

原動機發電效率、余熱回收效率、一次能源利用率及熱電比輸出可由式 （1）～式 （4）計算

圖1 熱電聯產系統Fig.1 CHP system

1.2 模型分析

本研究主要通過分析滿足用戶動態熱電負荷需求，在 “并網不上網”模式下選取原動機合理容量及運行模式，分析微型熱電聯產系統在用戶具體熱電負荷需求下運行的性能。

聯產系統與分產系統相對節能率可以通過下面的公式計算［11-13］

計算微型熱電聯產系統的相對節能率，需要確定參照對象：目前傳統發電廠發電效率33.3%［7］；熱水鍋爐效率一般在85%～90%，選取鍋爐熱效率為88%。目前微型燃氣輪機發電效率集中在25%～30%，選取微燃機發電效率為27%，機組熱電比 （1／σc）為2.0 （熱效率ηth，CHP=54%），計算在用戶端不同熱電負荷比及電網購電比下聯產系統的相對節能率，如圖2所示。

圖2 聯產供能與傳統供能系統能源消耗比Fig.2 Primary energy consumption ratio for CHP in comparison with conventional system

從圖2可以看出熱電聯產系統節能率主要與用戶熱電負荷比及電網購電量有關。當用戶熱電需求比不變時，隨著電網購電比例的增加，熱電聯產系統相對節能率降低；當用戶熱電需求比大于聯產系統中原動機熱電產出比時，在一定的電網購電比例的條件下，隨著用戶熱電需求比的增加，熱電聯產系統的節能效果隨之降低。理想工況條件下，即當原動機發電恰好滿足用戶電負荷需求且用戶熱電負荷比等于原動機熱電產出比時，用戶導入微型熱電聯產系統可以達到最佳節能效果。

從圖2觀察發現，在極限情況下，當用戶用電全部來自電網 （ΔPel／Pel=1）或用戶熱電需求比趨向于無窮大 （1／σ=∞）時，聯產系統一次能耗與傳統分產供能系統一次能耗相當 （PE／PE＊=1）。從圖2可以看出，對于微燃機為原動機組的熱電聯產系統，當用戶熱電需求比 （1／σ）接近原動機熱電產出比 （1／σc）且購電量相對用戶電負荷需求比例較小時，聯產系統相對傳統供能方式可體現出較好的節能潛力。

2 微型熱電聯產系統方案

2.1 建筑熱電負荷分析

為分析微型熱電聯產系統帶來的效益，本研究選取山東地區某辦公建筑樓作為實際案例。該辦公樓高度為47.5m，建筑面積為11880m2，工作人員上下班時間為9：00～17：30，每周工作5d。供熱季為11月17日～次年4月5日。建筑能耗信息采集通過GPRS無線數據采集器記錄，監測數據的采集頻率為3～5min。用戶整個供熱季逐時熱電負荷如圖3所示。

2.2 熱電聯產系統方案

圖3 實測建筑供熱季逐時熱電負荷Fig.3 Hourly measured heat and power load of building

微型熱電聯產系統與傳統供能方式比較，原動機工作發電的同時輸出熱量，系統發電量與余熱利用之間存在一定的約束關系，因此系統設計過程中需要結合人員作息情況考慮建筑熱電逐時負荷波動性影響。本研究分別對辦公樓供熱季工作日與非工作日逐時平均熱電負荷進行分析，確定原動機容量，同時結合分產熱水鍋爐及電網購電共同滿足用戶熱電負荷需求。

結合圖4和圖5反映的用戶工作日及非工作日逐時熱電負荷特性，工作日熱電負荷變化較為明顯，8：00～16：00為用戶熱電負荷需求峰值段，非工作日熱電逐時負荷需求則相對平緩。本研究選用2臺C60微型燃氣輪機發電機組，原動機組性能參數見表1。

圖4 工作日平均逐時熱電負荷Fig.4 Hourly average heat and power load for working days

在一定的逐時熱電需求比條件下，盡量保證電網購電量相對用戶電負荷需求比例較小時，聯產系統節能效果較為明顯。同時考慮燃氣輪機變工況運行性能較差，低負荷運行發電效率較低，結合建筑日均逐時用能負荷，維持原動機額定工況出力，同時保證原動機發電及回收余熱在用戶需求端完全消耗，最終確定原動機運行方案如下：工作日8：00～16：00用能高峰時段兩臺原動機同時開啟，16：00～次日8：00開啟單臺原動機組，不足電量及熱量分別通過電網購電及鍋爐提供；非工作日全天只開啟單臺原動機組，結合電網購電及熱水鍋爐滿足用戶的熱電需求。聯產系統日熱電負荷構成如圖6～圖9所示。

圖5 非工作日平均逐時熱電負荷Fig.5 Hourly average heat and power load for weekends

表1 Capstone C60技術指標Table 1 Technical indicators of Capstone C60

圖6 工作日逐時電負荷構成Fig.6 Power load composition on working day

圖7 工作日熱負荷構成Fig.7 Heating load composition on working day

圖8 非工作日電負荷構成Fig.8 Power load composition on weekends

圖9 非工作日熱負荷構成Fig.9 Heating load composition on weekends

3 微型熱電聯產系統評價

3.1 能源利用效率分析

依據式 （6）～式 （9），結合建筑供暖季日逐時熱電負荷及熱電聯產系統運行方式計算供暖季聯產供能方式與傳統供能方式的日逐時一次能源消耗比，其分布如圖10所示。其中工作日8：00～16：00時刻能耗比相對增加，主要因為用戶熱電負荷比（1／σ）增加及為保證用戶電負荷需求從電網補充電量的比例有所增加。

圖10 供熱季日逐時能耗比Fig.10 Hourly primary energy consumption ratio during heating season day

從圖10可以發現，工作日7：00時刻用戶從電網購電量占用戶需求比例較大，部分熱量通過分產鍋爐提供，用戶熱電需求比偏離原動機熱電產出比例較大，聯供系統節能效果較差；非工作日8：00～20：00時段，聯供系統節能效果相對較差，主要是因為原動機發電所占用戶電需求比例較小，同時需鍋爐產熱的提供余熱量較大。

從圖11和圖12可以看出，用戶熱電負荷比主要集中在2.0～3.0之間，大于原動機額定工況下的熱電輸出比 （1.92）。結合用戶熱電負荷構成圖，當用戶熱電需求比接近原動機的熱電產出且從電網購電比例較小時，微型熱電聯產系統體現出較好的節能特性，一次能源消耗約為分產供能能耗的0.7～0.75；用戶熱電負荷峰值時段，隨著用戶熱電需求比及電網購電比例的增加，聯產供能方式相對節能效果減弱。

由式 （6）～式 （8）分別計算供熱季工作日和非工作日傳統供能方式及聯產供能方式一次能耗，能耗信息見表2。

圖11 工作日能耗比散點圖Fig.11 Scatter diagram of energy consumption ratio on working day

圖12 非工作日能耗比散點圖Fig.12 Scatter diagram of energy consumption ratio on weekends

聯產系統同時輸出熱量與電量不同質的能量，實現能源梯級利用，但從一次能源利用率角度分析存在一定的局限性，例如現代化電站鍋爐能量按熱效率計算高達90%，而 效率約為40%。微型熱電聯產系統發電效率相對較低，但對輸出的低位煙氣余熱實現進一步利用，通過 分析可進一步體現聯供系統的特性。

氣態燃料CaHb的化學ε可用式 （10）計算［2］

表2 供熱季日均能耗信息Table 2 Daily average energy consumption during heating season

4 結 論

通過熱力學模型對微型熱電聯產 （micro-CHP）進行了分析，根據目前技術水平確定微型聯產系統在 “并網不上網”條件下運行，不向外界輸出熱量與電量，選取參照對象分析微型熱電聯產系統的供能特性，并在用戶具體用能條件下通過向建筑辦公樓導入微型熱電聯產系統分析其熱力性能，得到以下結論。

（1）微型熱電聯產系統的節能潛力主要與微燃機的熱電輸出特性及用戶熱電需求有關，在原動機熱電產出比接近用戶熱電負荷比及電網購電比例較小的情況下微型熱電聯產供能系統體現出較好的節能潛力。

（2）結合辦公建筑的實測供熱季度負荷，通過分析其日逐時用能情況導入微型熱電聯產方案，計算日逐時一次能耗為傳統供能能耗的0.720～0.825，供熱季工作日、非工作日聯產供能系統日均節能率分別為23.16%、22.76%。

（3）微型熱電聯產系統同時不同質的電能與熱能，通過原動機組低品位煙氣余熱的回收再利用，實現能量的梯級利用，計算C60原動機熱電聯產的 效率可達48.06%。

符號說明

cp——煙氣比定壓熱容，kJ·kg-1·K-1

Eex1——煙氣通過換熱器前的 ，kW

Eex2——煙氣通過換熱器后的 ，kW

m——煙氣質量流量，kg·s-1

mfuel——燃料質量流量，kg·s-1

Pc——原動機一次能源消耗，kW

Pel——用戶側電負荷，kW

Pel，CHP——聯產系統發電量，kW

ΔPel——用戶從電網購得電量，kW

PE——聯供系統總能耗，kW·h

PEB——分產鍋爐一次能耗，kW·h

PEc——聯產原動機一次能耗，kW·h

PEp——聯產系統中購電能耗，kW·h

PE＊——分產系統總能耗，kW·h

QB——用戶側熱負荷，kW

Qex——熱量 ，kW

Qth，CHP——聯產系統產熱量，kW

Tg——煙氣溫度，℃

T0——環境溫度，℃ε——化學 ，kW

ηB——熱水鍋爐效率，%

ηc——聯產機組一次能源利用率，%

ηel——傳統電廠發電效率，%

ηel，CHP——原動機發電效率，%

ηth，CHP——原動機熱效率，%

σ——用戶電負荷與熱負荷比值

σ

c——機組發電量與產熱量比值

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