三聯供單機調試問題分析

葉增增 張樹理

上海建科工程咨詢有限公司

隨著分布式能源系統日益受到重視， 冷熱電三聯供 （Combined Cooling Heating and Power,CCHP） 系統應用越來越多， 其優越性受到世界各國的關注。燃料首先通過內燃機等動力裝置發電， 而后回收其排放的余熱用于供熱， 除濕或制冷， 在建筑物中同時解決電能， 熱能和冷能需要的能源供應系統 [1] 。本文圍繞上海虹橋能源中心冷熱電三聯供分布式供能系統， 展開對三聯供單機運行調試的問題研究。

1 虹橋能源站三聯供系統方案設計

虹橋能源站三聯供遵循以熱 （冷） 定電、 熱 （冷） 電平衡的原則設計，區域用戶全年運行時間在3000～4000 h的冷，熱負荷和電力負荷作為基本負荷，結合三聯供系統運行方式和運行時間， 確定分布式供能系統容量三聯供系統發電優先滿足能源中心自用，多余電力向區域用戶供電， 不足部分向市電購電。系統的余熱向用戶供冷或供熱， 見圖 1。

圖1 燃氣三聯供系統工作原理示意圖

根據區域冷， 熱負荷預測分析， 能源站電力并網方式， 年滿負荷運行時間等對能源站經濟性和節能特性的影響，確定分布式供能系統發電量。在 6:00～22:00分布式供能系統運行時段， 按區域用戶冷、 熱、 電負荷均能同時滿足、 分布式供能系統每天開停機一次、 全年累計運行大于3000～4000 h選擇分布式供能系統的原動機與余熱利用設備。

綜合比較， 南、 北區能源站各采用四臺1.5 MW燃氣內燃機作為分布式供能系統的原動機， 額定發電量1409 kW的燃氣內燃發電機組，系統總發電量約占區域最大用電負荷的 21%。選用 4 臺額定制冷量為1454 kW的煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，冷水供、 回水溫度為6/13℃。余熱包括發電機組高溫熱水余熱和高溫煙氣余熱，選用水 -水板式熱交換器和煙氣熱交換器作為余熱利用設備。每套聯供單元采用燃氣內燃發電機組和煙氣熱水型吸收式溴化鋰機組及輔助系統設備按一對一的原則配置組成。

南、 北站三聯供系統的硬件配置保持一致， 每個能源站配置了4套三聯供單元系統，主要參數如表1所示。

表1 南（北）區三聯供系統主要參數

能源中心內每臺燃氣內燃發電機與板式熱交換器、 煙氣熱交換器采用一一對應的配置原則， 組成聯供單元，煙氣熱交換器與水 -水板式熱交換器串聯的布置。

2 三聯供單機調試

每個能源站三聯供系統由4 套并聯的系統組成，先對每套系統進行制冷和制熱調試， 以期單機調試達到設計要求。冷熱電三聯供系統的主要評價指標包括電能質量， 一次能源利用率PER， 發電效率hc， 熱電比等。調試在手動控制柜， 數據采集顯示柜和三聯供控制總屏的基礎上， 對 CCHP 進行了系統實驗， 將重點進行發電機運行特性分析， 溴化鋰機組運行特性分析和系統運行性能分析。

2.1 三聯供單機調試步驟

調試步驟：

1） 發電機組單機輔助系統檢查， 包含： 天然氣進氣系統管路檢查、 燃氣調壓閥整定。排煙管道檢查， 冷卻液循環系統的檢查和調節閥的整定， 電氣系統的高壓絕緣測試。

2） 發電機組單機不帶載手動盤車和機組自動預潤滑后的點火盤車， 怠速暖機后達到額定轉速空載運行。

3） 發電機組空載額定轉速下測試各項發電機組參數和發動機參數， 并進行調整， 輸入最新機組配置文件。發電機組孤島單機帶載試運行，接近滿載后調整煙氣氮氧化物 （NO x ） 排放量。

4） 溴化鋰空調冷態開機整定， 并抽真空。制冷模式下發電機組煙氣通過電動蝶閥進入煙氣型溴化鋰機組作為機組高發熱源， 缸套水進入溴化鋰機組作為低發熱源。制熱模式下發電機通過煙氣—水換熱板交直接換熱， 缸套水則給熱水預熱。

5） 發電機組孤島穩定帶載后進行溴化鋰空調的制冷調試， 測量和記錄冷凍水的流量和溫差。

2.2 內燃機的運行特性調試

內燃機的發電效率和功率輸出隨燃氣熱值的不同而不同， 需要對內燃機的運行特性進行試驗測量， 用以計算內燃機的實際發電效率及排出尾氣所含的熱量。 內燃機實際達到輸出功率最大值為1400 kW。 測量試驗中， 每隔5分鐘記錄一次數據， 同一功率下記錄 5組數據取其平均值， 測量參數包括： 燃氣消耗量、 燃氣流量、 排煙溫度。表2為不同出力下內燃機相關參數。

表2 內燃機運行特性參數

發電效率hc指系統獲得單位電能所消耗的燃氣耗量：

式中：8100 為天然氣的低位熱值，單 位 kcal/Nm3， 4.1868/3600為單位kcal等價的kJ熱量。

圖2表示內燃機輸出功率與發電效率的關系。由圖2可知，輸 出功率越大，內 燃機的發電效率越高。故在有冷熱負荷的條件下， 發電機輸出功率越大越好。

圖2 內燃機輸出功率與發電效率關系

2.3 發電機運行性能調試

電能質量[2]是發電機的一個重要評價指標， 電能質量指標主要包括： 頻率偏差， 電壓偏差， 電壓波動與閃變， 三相不平衡， 暫時或瞬態過電壓， 波形畸變， 電壓暫降與短時間中斷， 供電連續性等。

1） 電壓偏差： 電壓偏差定義為供電系統在正常運行方式下， 某一節點的實際電壓與系統的標準電壓之差對系統標稱電壓的百分數。其數學表達式：

式中：δU為電壓偏差；Ure為實際電壓，kV；UN為系統標稱電壓，k V。

GB12325-90《 電能質量 -供電電壓允許偏差》[3]中規定：35 kV 及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%。10 kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7 %。220 kV單相供電電壓允許偏差為額定電壓的＋7%，-10%。

圖3為實測的電壓偏差圖。從圖3中可以看出最大電壓偏差為 B相電壓，偏 差率 2.53%，低 于規定 7%的允許偏差額度。

圖3 電壓偏差圖

2） 電壓波動： 電壓波動定義為電壓均方根一系列相對快速變動或連續改變的現象， 其變化周期大于工頻周期。電壓波動值為相鄰最大與最小電壓方均根的兩個極限值之差， 常以其標稱電壓的百分數表示其相對百分值：

GB12326-2000《 電能質量-電壓允許波動和閃變》中規定[4]： 在 公共供電點的電壓波動允許值如下：10 kV 以下為 2.5%，35～110 kV 為 2%，220 kV 以上為1.6%。

圖4為實測的電壓波動圖。從 圖5中可以看出，隨著發電功率的增加，電壓波動值震蕩上升，最高到2.45%，低 于規范要求2.5%。

圖4 電壓波動百分率

3） 電網諧波： 電網諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。諧波的一個重要指標就是總諧波畸變率 （THD）， 定義為畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。

式中：THDh為電壓總諧波畸變率，Uh為各次諧波均方根值，U1為基波均方根值，M為所開率的諧波最高次數，由 波形的畸變程度和分析的準確度要求來決定，通 常取≤50。

GB/T14549-93《電能質量-公用電網頻率諧波》[5]中規定：6～220 kV各級公用電網電壓（ 相電壓）總 諧波畸變率是：0 .38 kV 為 5.0%，6～10 kV 為 4.0%，35～66 kV為3.0%，110 kV為2.0%。用戶注入電網的諧波電流允許值應保證各級電網諧波電壓在限值范圍內，國家規定各級電網諧波產生的電壓總畸變率是：0.38 kV 為 2.6%，6～10 kV為 2.2%，35～66 kV 為 1.9%，110 kV 為 1.5%。

4）三 相電壓不平衡度：三 相電壓不平衡度是指電力系統在正常運行方式下，電 量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比。

式中：U1為三相電壓正序分量的均方根值，U2為三相電壓負序分量的均方根值。

表 3為內燃發電機不同負荷下發電參數測量值，根據表三可計算出電壓偏差， 電壓波動， 總諧波畸變率和三相電壓不平衡度。

表3 電能參數測量值

2.4 吸收式溴化鋰機組運行調試

溴化鋰機組制冷效率受高溫發生器（簡稱高發）內溫度的影響， 高發溫度越高， 制冷效率越大。反之，則越小。高發內的溫度主要取決于進入溴化鋰機組的煙氣溫度， 高發的溫度隨著煙氣入口溫度的升高而升高， 實測的兩者之間的關系如圖5所示。

圖5 高發溫度與煙氣入口溫度的關系

溴化鋰機組的制冷功率計算如下：

式中：ρ為 水密度，k g/m3；v為冷凍水流量，m3/ h；c為水的比熱容，4.1868×103J/kg；ΔT為進出口水溫差,℃。

當流量一定時，溫 差的大小決定了制冷功率的大小。當冷凍出口溫度和水流量一定時，冷 凍水回水溫度的大小就決定了制冷功率的大小，回 水溫度越低即溫差越小，制 冷功率就越小。

3 CCHP系統運行分析

為了評價系統性能，需要計算一次能源利用率（PER） 和熱電比 （q）。 一次能源利用率定義為獲得單位有效能量與所消耗的一次能源 （即燃料耗量） 能量的比值一般來說， 分布式供能系統中獲得的有效能量有冷、熱和電三種不同的形式， 其一次能源利用率為：

式中：Qcold為制冷量，Qhot為制熱量，Pele為發電量，Qfuel為消耗的一次能源量。

影響三聯供系統PER的因素主要有， 發電機效率hc， 余熱回收率α， 熱量分配系數θ， 制冷機COP值。

在各影響因素中， 對提高系統PER值影響程度從大到小依次為h c，α， COP，θ。其中， 提高系統的發電效率對PER值影響最大。

熱電比q為系統所供冷量與電量的比值，則定義如下：

本文以 CCHP系統蓄熱工況試驗為例， 分析系統的一次能源利用率PER及熱電比q。表4為CCHP系統性能參數表。

表4 CCHP系統性能參數表

需要指出的是， 溴化鋰機組缸套水閥門只有在高發溫度超過100 ℃時才會打開，機組才會開始正常運行， 前面機組進出口溫度相同， 沒有負荷， 故沒有制冷量。內燃機NOX排放量對發電效率有很大影響， 降低NOX會減少發電量， 但會增加煙氣量， 這會提高吸收式溴化鋰機組的制冷效率。

4 問題及解決方案

在調試過程中， 發現一些問題， 這里將分析幾個重要問題并提出解決方案。

1） 問題1： 未設置煙氣流量計， 只能推算煙氣量及發電機組輸出煙氣熱量。

建議： 應完善圖紙， 設計階段設置煙氣流量計。

2） 問題2： 缸套水換熱器換熱量不滿足要求。

設計缸套水循環的熱側部分是以水作為介質， 實際現場為50%水和 50%乙二醇溶液。導致流體比熱、粘度、 密度等物理性質發生改變， 水—水板換實際換熱量低于設計值。

采取方法： 對于原水—水板換重新設計， 改變換熱器內部換熱模塊板型， 增加換熱面積， 從而提高設計溫差。

3） 問題3： 煙氣管路電動閥門內漏， 導致余熱流失現場電動閥閥門垂直安裝， 會導致閥板的下垂， 關閉時不能完全到位， 以至泄露。

采取方法： 在閥體下部， 下閥桿位置增加閥門限位調整裝置， 該裝置能有效限制閥桿軸向移動， 也可便利調整上下高度， 并內置潤滑軸承， 以免轉動過程中阻力過大。

4） 問題 4： 煙氣 - 熱水熱交換器水側阻力遠遠大于設計值， 煙氣-熱水熱交換器的換熱量不足。

采取方法： 拆卸煙氣-水換熱器， 重新返廠做水壓試驗和冷態的水流試驗， 進行阻力驗證， 改造換熱器內部結構， 將阻力降低到設計水平。

5） 問題5： 溴化鋰出口處煙氣倒灌， 增加了制冷模式下煙氣—水板換溫度及制熱模式下溴化鋰機組內高發溫度。

采取方法： 現場在溴化鋰出口處加裝煙氣蝶閥。

建議： 設計時未考慮此類因素， 導致在制冷模式下煙氣倒灌進煙氣 -熱水換熱器，在制熱模式下煙氣倒灌如溴化鋰機組。應在煙氣管路加裝止回閥。

6） 問題6： 發電機煙氣量不足， 導致溴化鋰機組高發溫度不滿足設計要求， 制冷量不滿足設計要求。

采取方法：現場降低發電機氮氧化合物排放量，但同時發電機出力有一定程度降低。

建議： 采用補燃式溴化鋰機組， 在高負荷的夏季采用直燃補燃[6]， 既能滿足設計煙氣量要求， 也可降低溴化鋰機組的制冷量， 節約成本。在過渡季節可直接使用， 滿足部分冷熱負荷。

5 總結

根據評價三聯供性能的各種指標包括系統中單個設備的評價指標， 進行了三聯供系統各主要設備的單機調試。針對調試過程中的問題， 提出了針對性的解決辦法和建議， 對以后三聯供系統的設計， 施工和調試過程具有指導性的重要價值。

三聯供系統比傳統的方式更具有技術、經濟、 節能等方面的優勢， 但冷熱電三聯供的系統設計有一定復雜性， 需要考慮好多方面的因素， 有很多大量細致的工作， 要重視系統容量的選擇， 不同使用階段的實現方法， 這樣既可以達到實際應用過程中系統配置和運行方式選擇的最優化， 又可以節約成本， 實現較好的經濟效益。

參考文獻

[1] 付林,李輝. 天然氣熱電冷聯供技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[2] 馮宇,唐軼. 電能質量分析與參數估計的研究方法綜述電力系統及其自動化學報[J].2010,(6):78-85

[3] GB12325-90電能質量 -供電電壓允許偏差[S].1990

[4] GB12326-2000電能質量-電壓允許波動和閃變[S].2000

[5] GB/T14549-93電能質量-公用電網頻率諧波[S].1993

[6] 糜華,岳永亮.熱電冷聯供系統設計應用中的問題探討[J].制冷技術,2005,(4):150-155