天然氣CCPH項目技術與應用

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1 前言

近年來,以天然氣為燃料的冷熱電聯供系統因能源的梯級利用正在快速發展。由于天然氣冷熱電聯供系統多分布在用戶端,存在分布過于分散、負荷波動大、系統長處于變負荷運行等問題,如何建立更加高效、安全與可持續的天然氣冷熱電聯供系統,成為國內外CCHP技術工作者關注的重點。

2 天然氣分布式能源的技術應用

2.1 樓宇型天然氣分布式能源 樓宇型天然氣分布式能源面對的是某一建筑(如醫院、學校、公共設施)的能量需求,其系統規模較小,由于在同一建筑內不同用戶的需求差異不會很大,而且負荷變化方向又往往趨同,供需之間的緩沖空間不大,回旋余地就比較小;這就要求系統必須對用戶的能量需求變化作出即時快速反應。為此,聯產系統的運行需要緊隨負荷負荷變化,運行工況必然要隨時進行調整,始終處于被動狀態;因此對系統的全工況性能要求就比較高。按系統集成原則,宜采用輸出能量比例可調、蓄能調節,同時考慮部分常規分產系統與聯產系統優化整合,以及與網電配合的優化運行模式等集成措施予以協調。

2.2 區域型分布式冷熱電聯供系統 區域型分布式冷熱電聯供系統面對的是一定區域內若干建筑共同構成的一片建筑群。建筑群的能量需求規模擴大,而且由于不同建筑的功能通常不同,相應的能量需求及其變化也會有所不同;因此不同用戶的負荷變化很少同步,通常不會同時出現高峰或低谷的情況。因此聯產系統運行時需考慮負荷的“同時使用系數”,這將加大供應與需求之間的回旋余地,從而降低了對聯產系統的全工況性能要求。因此當規模適當大時,就可以引進高效的燃氣輪機-汽輪機發電機組,實現燃氣、蒸汽、電力、冷氣、熱水的最佳匹配,進一步提高一次能源利用率。

3 天然氣分布式能源存在的問題與特點

3.1 負荷波動較快,機組調整不及時 CCHP能源系統運行即將供應的負荷情況無法得出,只能通過長期運行經驗預估負荷變化情況,這樣無法提前調整機組的供能負荷。例如在樓宇型CCHP系統下,內燃機-溴化鋰機組提供園區的電負荷和冷負荷,空調系統熱慣性較大,在空調負荷變化時,及時調整或提前調整供冷機組的負荷可以減少超調情況的發生,防止空調系統因負荷變化發生運行參數的大幅波動。

3.2 運行模式仍存在較大的優化調整空間 機組的運行模式或設備的負荷分配一般依靠運行人員的經驗,所以負荷分配隨意性強,且冷熱負荷分配時往往存在一定的滯后性,易引起負荷超調。根據機組的實時特性曲線和用戶負荷情況為機組的運行模式和設備負荷分配提供優化指導,使能源站經濟效益最大化。

3.3 調控機組關鍵運行參數所采用的調控策略和方法不具備自適應性 常規控制系統(如DCS)的控制回路中,其控制參數一經調試便不會改變,無自適應負荷調節和運行方式調整功能,對于以后機組特性和工況的變化無能為力,嚴重影響機組的工作效率。

3.4 空調供水一次側和二次側流量不匹配 對于樓宇型冷熱電聯供系統,能源站空調供水流量和樓宇空調水用水流量往往不匹配,導致空調水未經換熱流回能源站、或換熱后的空調水直接混入分水器,造成供水溫度偏離設計溫度,這種情況可能造成水泵電耗和供能成本增加。根據負荷變化調整各個樓座的供能參數,進而調節能源站空調水的供能參數使一次側和二次側保持供水平衡,有利于提高能源站的經濟性。

3.5 機組實時特性和健康狀態未知 這是天然氣CCHP能源系統運行時最常遇見的問題,機組的實時效率情況無法得出,只能通過值長日志按天或月進行統計,這樣無法根據機組實時效率情況調整機組的運行方式。全廠機組的性能指標不具備在線實時分析功能,如實時內燃機熱耗、制冷設備能耗,管道各種流量、壓力損耗等。這些性能指標可以粗略地指示全廠設備運行情況。

4 國內外天然氣分布式能源發展狀況

4.1 國外天然氣CCHP能源系統的發展現狀 歐美和日本等發達國家針對天然氣CCHP能源系統的研究開發較早,目前已經掌握了相對成熟的設備開發和設計經驗。美國在1978年執行《公改法令》后開始倡導天然氣CCHP能源技術,并計劃到2020年新建公共建筑群中的天然氣CCHP能源系統使用率達到50%,總裝機容量新增95GW。日本的天然氣CCHP能源項目主要為樓宇式CCHP能源系統,2007年投入商業用途的天然氣CCHP能源站已經達到5200個。歐盟國家則計劃通過發展天然氣CCHP能源系統減少二氧化碳排放,并實現到2020年能源消耗減少20%的目標。發達國家針對天然氣CCHP能源系統的研究主要集中在系統優化、算法改進領域。

4.2 我國天然氣CCHP能源系統的研究現狀 我國的天然氣CCHP能源系統起步較晚,在技術方面仍存在一些不足,對天然氣CCHP能源技術的系統優化還停留在實驗室模擬仿真階段。目前建立了含吸收式制冷機和電制冷機的天然氣CCHP能源系統的優化配置模型,其中系統的電制冷功率與冷負荷的比例隨著系統電熱負荷比的變化而改變,并基于此提出一種新的運行策略。

5 展望

綜上所述,推廣應用天然氣分布式能源技術,對提高一次能源利用效率、優化能源結構、減少溫室氣體排放、降低環境污染、平衡電力、燃氣的季節性峰谷差,增加供電安全性和可靠性都有著十分重大的現實意義和戰略意義。

隨著天然氣供應量的日趨增多,智能電網建設步伐加快,我國已經具備大規模發展天然氣分布式能源的條件。在當前形勢下,燃氣企業未雨綢繆,了解天然氣分布式能源新技術及其發展趨勢,把握國家政策走向,抓住機遇,布局公司未來發展規劃,迎接挑戰就顯得很有必要。