不同運行模式下燃氣輪機冷熱電三聯供系統仿真研究

周家秀，王露寧，劉雪潔，崔 苗，郭健翔，張敬奎，*(.青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 66033；.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 604)

能源是經濟發展的基礎和動力.隨著社會的發展，能源需求量也越來越大.作為能源消耗大國，我國的能源消耗主要以煤炭、石油、天然氣等不可再生能源為主，由此帶來的環境污染問題使得提高能源利用效率、開發利用可再生能源、開展多能源互補利用、建立合理能源系統運行策略等研究工作有著重要的現實意義.

冷熱電三聯供系統作為一種將供電、供熱、供冷集成一體的新型供能系統，因具有能源利用效率高、安全可靠、清潔環保等優點而受到廣泛關注.近年來國內外針對冷熱電三聯供系統的研究相當豐富，主要涉及能源方式組合、設備選擇、容量配置及優化運行等方面.秦鵬等[1]建立了三聯供系統供電煤耗、當量熱力系數、節煤量3種評價指標的數學模型，并對冷熱電三聯供系統和冷熱電分供系統進行了節能性評價，得出節能與評價指標有關.熊霞利[2]對以燃氣輪機為動力的樓宇冷熱電三聯供制冷系統和離心式制冷機分產制冷系統進行一次能源消耗量計算，得出三聯供制冷系統相對于分產制冷系統節能率最高可達36%.王騫[3]建立了太陽能供暖與冷熱電三聯供系統的耦合系統，利用仿真軟件進行系統模擬，并與常規能源系統進行比較，證明了太陽能供暖與三聯供系統耦合的可行性.DI SOMMA M等[4]建立了分布式能源系統的熱平衡模型，并以經濟成本和效率為優化目標對北京市具體實例項目進行優化分析，找到了系統的最佳運行策略.CAO Y等[5]引入改進的貓頭鷹搜索算法，并基于伊朗克爾曼地區的建筑負荷需求提出了冷熱電三聯供系統的優化配置，最終通過仿真證明了使用此方法進行系統優化配置的有效性.可見，冷熱電三聯供系統的研究與建筑用能特點、能源系統構建、系統運行策略等因素息息相關，并且仿真是驗證系統合理化的有效手段之一.本文將綜合考慮以上3個因素，同時借助TRNSYS軟件平臺對冷熱電三聯供系統進行建模和瞬時動態仿真，獲得不同運行模式下的全年逐時運行結果，進而對不同運行模式的系統供能特性和效果進行評價.

1 建筑逐時負荷模擬

1.1 建筑概況

本文選取青島市某綜合建筑群為研究對象，對其進行冷、熱、電負荷的逐時負荷模擬.該綜合建筑群建筑總面積173 150 m2，占地面積28 858 m2，主要建筑類型包括辦公樓、賓館、住宅、商場.

1.2 逐時冷熱電負荷模擬

本文選用DeST軟件對建筑進行逐時負荷模擬.本次負荷模擬的供暖季時間為11月15日至次年4月15日，制冷季為6月20日至9月29日，其余時間為過渡季.模擬時間以1月1日0:00為起點，建筑全年逐時冷熱電負荷見圖1.

通過模擬結果可以得出，該建筑群制冷季冷負荷峰值為10 935.37 kW，冷負荷平均值為5 951.55 kW，全年累計冷負荷為5.24×1010kJ.供暖季熱負荷峰值為6 742.88 kW，熱負荷平均值為3 132.74 kW，全年累計熱負荷為4.08×1010kJ.該建筑群全年電負荷需求比較穩定，局部放大的24 h逐時電負荷如圖1中小圖所示.電負荷峰值為4 405.44 kW，全年累計電負荷為7.61×1010kJ.建筑綜合體供暖季平均熱電需求比為1.29，制冷季平均熱電需求比為2.47，全年(不考慮過渡季)平均熱電需求比為1.77.

2 三聯供系統構建

2.1 三聯供系統設備選擇

冷熱電三聯供系統主要由動力裝置、余熱利用裝置及輔助裝置組成.常見的動力裝置包括蒸汽輪機、燃氣輪機、內燃機、微燃機等.余熱利用裝置主要有余熱鍋爐、吸收式制冷機組、換熱器等.輔助裝置為水泵、控制系統等.根據建筑規模、逐時負荷模擬情況和動力裝置特性，本系統采用燃氣輪機為動力裝置，余熱利用裝置選用余熱鍋爐、蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機組和煙氣/熱水換熱器.以天然氣為燃料的燃氣輪機驅動發電機發電滿足用戶電負荷需求，煙氣余熱在供暖季通過煙氣/熱水換熱器實現供暖，在制冷季通過余熱鍋爐產生蒸汽驅動蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機組為用戶供冷.燃氣輪機冷熱電三聯供系統原理見圖2.

圖2 燃氣輪機冷熱電三聯供系統原理

2.2 TRNSYS軟件構建三聯供系統

本文以TRNSYS軟件為平臺對燃氣輪機冷熱電三聯供系統進行建模與仿真，通過TRNSYS軟件讀取DeST輸出的逐時冷熱電負荷.燃氣輪機冷熱電三聯供系統的TRNSYS構建如圖3所示.

圖3 燃氣輪機冷熱電三聯供系統的TRNSYS構建

2.3 三聯供系統評價指標

冷熱電三聯供系統的運行效果與評價指標有密切的關系.本研究采用基于熱力學第一定律的一次能源利用率作為燃氣輪機冷熱電三聯供系統不同運行模式的評價標準.一次能源利用率(Primary Energy Rate，PER)，也稱能源綜合利用率或系統熱效率[6]，其定義為系統輸出能量與輸入能量的比值.在燃氣輪機冷熱電三聯供系統中一次能源利用率為輸出電量、熱(冷)量之和與消耗天然氣輸入熱量的百分比，反映燃氣能量在數量上的有效利用程度.本文所構建的冷熱電三聯供系統的一次能源利用率RPE計算公式如下：

式中：RPE為冷熱電三聯供系統一次能源利用率，%；P為燃氣輪機發電功率，kW；QHE為煙氣/熱水換熱器換熱功率，kW；QAC為吸收式制冷機制冷功率，kW；B為天然氣消耗量，m3/h；QL為天然氣低位發熱量，kJ/m3，取QL=35 544 kJ/m3.

3 三聯供系統數學模型

為了便于研究，在建模和分析過程中對系統作出以下假設：①系統中各設備在其額定容量范圍內可正常運行；②設備在不同工況之間可實現連續切換；③系統運行工況可根據用戶末端負荷需求變化而實時變化，不存在設備響應滯后的情況；④不同負荷下燃氣輪機的效率不同，已經考慮了熱損失.

3.1 燃氣輪機數學模型

燃氣輪機作為冷熱電三聯供系統的動力設備，其模型特性對系統模擬有極其重要的影響.燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和透平組成(圖1)，外界空氣進入壓氣機被壓縮成高壓空氣后進入燃燒室，與供應的天然氣混合燃燒生成高溫高壓的氣體，氣體進入透平后推動葉片旋轉做功帶動發電機發電，做功后的高溫煙氣從燃氣輪機排出，通過余熱回收用于冬季供暖或夏季制冷[7].

燃氣輪機發電功率的數學表達式如下：

式中：P為燃氣輪機發電功率，kW；ηe為逐時發電效率，%；Δt為時間步長.

燃氣輪機在部分負荷工況下運行時的發電效率、天然氣消耗量和排出煙氣熱量從TRNSYS軟件燃氣輪機部件的外部文件中讀取，如圖4—6所示.

3.2 余熱鍋爐數學模型

余熱鍋爐利用燃氣輪機的排煙余熱加熱鍋爐內的水，將水加熱成為具有一定壓力的飽和水蒸氣，進而作為熱源驅動蒸汽型溴化鋰制冷機組制冷.余熱鍋爐輸出熱功率數學表達式如下：

QB=ηB·QGT

式中：QB為余熱鍋爐輸出熱功率，kW；ηB為余熱鍋爐換熱效率，%，取65%；QGT為燃氣輪機的排煙熱量，kW.

3.3 溴化鋰吸收式制冷機組數學模型

本系統利用的溴化鋰吸收式制冷機組為蒸汽型，以余熱鍋爐產生的蒸汽為熱源，以水為制冷劑，溴化鋰為吸收劑，經溴化鋰溶液和制冷劑2個循環完成制冷過程.溴化鋰吸收式制冷機組制冷功率的數學表達式如下：

QAC=C·QB

式中：QAC為制冷機組制冷功率，kW；C為吸收式制冷機組制冷系數.

吸收式制冷機組的制冷系數與負荷比和進入機組的冷卻水溫度等因素有關[8].機組部分負荷運行時不同冷卻水進口溫度下制冷系數隨負荷比的變化從TRNSYS軟件外部文件讀取，如圖7所示.

3.4 煙氣/熱水換熱器數學模型

在供暖季，本系統利用煙氣/熱水換熱器回收燃氣輪機排煙余熱進行供暖.煙氣/熱水換熱器換熱功率數學表達式如下：

QHE=ηHE·QGT

式中：QHE為煙氣/熱水換熱器換熱功率，kW；ηHE為煙氣/熱水換熱器換熱效率，%，取65%.

4 模擬結果與分析

4.1 “以熱定電”模式下的仿真

“以熱定電”運行模式下系統優先滿足冷負荷和熱負荷需求，發電量不能滿足電負荷的部分由外部電網補充，發電量多于電負荷的部分可根據不同地區政策考慮上網或存儲利用.劉高科等[9]利用線性函數擬合不同環境溫度下發電量、煙氣流量、煙氣溫度及天然氣消耗量與部分負荷率的關系，建立燃氣輪機的熱力學模型，證明了采用線性函數擬合是可行的.因為燃氣輪機是通過發電量來計算排煙余熱量的，同時考慮到燃氣輪機排煙余熱量與室外干球溫度也有關系，所以此運行模式下，本文依據某廠家燃氣輪機性能參數采用多元線性回歸模型擬合出發電量與排煙余熱量和室外干球溫度的函數關系，并利用可決系數確定擬合函數的精度.可決系數R2∈[0,1]為回歸平方和和總偏差平方和的比值，其值越大表示回歸模型越能成功地解釋因變量的變化規律[10].本擬合函數的可決系數R2=0.995 54，說明此擬合模型可以很好地反映發電量與排煙余熱量、室外干球溫度之間的關系.針對本文所選用的燃氣輪機容量獲得擬合關系式如下：

P=-2788.6772+0.74×QGT+4.46×T

式中：T為室外干球溫度，℃.

由負荷模擬結果(圖1)知冷負荷峰值高于熱負荷峰值，所以在確定燃氣輪機容量時要讓燃氣輪機排煙余熱滿足制冷需求.建筑冷負荷峰值為10 935.37 kW，根據選取的溴化鋰吸收式制冷機組性能參數，其COP取1.2，根據選取的余熱鍋爐性能參數，其換熱效率為65%，計算出所需燃氣輪機排煙余熱量為14 019.71 kW.結合青島市氣象參數，冷負荷峰值出現時的室外干球溫度為24 ℃，并考慮一定的容量富余量,最終確定燃氣輪機裝機容量為7800 kW.

因為“以熱定電”運行模式下冷熱負荷都滿足用戶需求，所以對發電量進行了仿真，并得出需要補充或多余的電量，如圖8所示.圖中縱坐標軸數據小于0為需要補充的電量，大于0為多余的電量.

圖8 “以熱定電”運行模式下綜合建筑需要補充或多余電量的逐時變化

從模擬結果可以看出，此運行模式下為了滿足冷熱負荷需求，燃氣輪機以滿足熱量需求而確定負載比，因此發電量不一定能夠滿足電負荷需求.在供暖季，發電量滿足電負荷需求的時間僅占供暖季時間的24.61%，造成這種現象的原因是供暖季熱負荷需求較制冷季冷負荷需求偏小，以滿足熱量需求而確定負載比的燃氣輪機在供暖季低負載比運行，燃氣輪機發電效率偏低，發電量少.在制冷季，發電量滿足電負荷需求的時間占制冷季時間的77.25%，仍有部分時間需從外部電網購電.這是因為“以熱定電”運行模式下按照滿足制冷峰值負荷確定的燃氣輪機裝機容量，而制冷季冷負荷有很多時候較制冷峰值負荷偏小，所以燃氣輪機低負載比運行，同時由于制冷季環境溫度較高，燃氣輪機發電效率下降，導致發電量不足以滿足用戶需求.

“以熱定電”運行模式下冷熱電三聯供系統的逐時輸入能量、輸出能量以及系統一次能源利用率如圖9所示.

由圖9可以得出，此運行模式下供暖季系統最大輸入能量為19 238.79 kW，累計輸入能量為1.48×1011kJ；最大輸出能量為12 585.66 kW，累計輸出能量為6.34×1010kJ；系統一次能源利用率平均值為42.84%.在制冷季，系統最大輸入能量為12 585.66 kW，累計輸入能量為1.49×1011kJ；最大輸出能量為18 462.63 kW，累計輸出能量為1.05×1011kJ；系統一次能源利用率平均值為70.47%.供暖季和制冷季系統一次能源利用率平均值為56.70%.

4.2 “以電定熱”模式下的仿真

與“以熱定電”模式相反，“以電定熱”模式是優先滿足用戶電負荷需求.供暖季排煙進入煙氣/熱水換熱器產生熱水為用戶提供熱量，制冷季排煙進入余熱鍋爐產生蒸汽驅動溴化鋰吸收式制冷機組為用戶提供冷量，不足部分可考慮其他能源補充.

此運行模式下通過電負荷來確定燃氣輪機容量.由電負荷模擬結果知，電負荷峰值為4405.44 kW，所以確定燃氣輪機裝機容量為4500 kW.

由于“以電定熱”運行模式下電負荷都滿足用戶需求，所以對制熱量和制冷量進行了仿真，并得出需要補充或多余的冷熱量，如圖10所示.圖中縱坐標軸數據小于0為需要補充的熱量或冷量，大于0為多余的熱量或冷量.

從模擬結果可以看出，此運行模式下燃氣輪機以滿足電負荷需求而確定負載比，因此制冷量和制熱量可能存在不滿足冷熱負荷需求的情況.在供暖季，制熱量滿足熱負荷需求的時間占供暖季時間的90.84%，只有極少數時間需要補充熱量，這是因為熱負荷需求和電負荷需求相差不大，燃氣輪機平穩運行的排煙熱量能夠滿足大部分時間的熱負荷需求.在制冷季，制冷量滿足冷負荷需求的時間占制冷季時間的比例僅為7.52%，這是由于冷負荷需求遠大于電負荷需求，“以電定熱”運行模式下根據電負荷峰值確定的燃氣輪機裝機容量其排煙熱量不足以滿足冷負荷需求，因此大部分時間是需要補充冷量的.

“以電定熱”運行模式下冷熱電三聯供系統的逐時輸入能量、輸出能量以及系統一次能源利用率如圖11所示.

由圖11可知，此運行模式下供暖季系統最大輸入能量為14 483.27 kW，累計輸入能量為1.26×1011kJ；最大輸出能量為11 686.92 kW，累計輸出能量為7.57×1010kJ；系統一次能源利用率平均值為60.08%.在制冷季，系統最大輸入能量為12 652.37 kW，累計輸入能量為7.93×1010kJ；最大輸出能量為10 254.87 kW，累計輸出能量為6.15×1010kJ；系統一次能源利用率平均值為77.55%.供暖季和制冷季系統一次能源利用率平均值達66.83%.

5 結論

本文針對青島市某綜合建筑群，模擬了建筑冷熱電瞬時負荷，構建了由燃氣輪機、余熱鍋爐、溴化鋰吸收式制冷裝置、煙氣/熱水換熱器等組成的冷熱電三聯供系統，并在“以熱定電”和“以電定熱”2種不同模式下對系統供能進行了動態模擬.通過研究獲得以下結論：

1) 對于本文所述的綜合建筑冷熱電三聯供系統，“以熱定電”和“以電定熱”模式下構建的系統存在顯著供能差異.“以熱定電”模式下構建的系統，在滿足冷熱負荷需求的條件下，僅能夠滿足占供暖季時間24.61%的供電需求和占制冷季時間77.25%的供電需求.“以電定熱”模式下構建的系統，在滿足電負荷需求的條件下，能夠滿足占供暖季時間90.84%的供熱需求和占制冷季時間7.52%的制冷需求.

2) “以電定熱”運行模式下系統一次能源利用率平均值為66.83%，這明顯高于“以熱定電”運行模式的系統平均一次能源利用率56.70%.因此基于本文所述綜合建筑群負荷特性和系統設備特性，當采用以燃氣輪機為動力的天然氣冷熱電三聯供系統供能時“以電定熱”運行模式更優于“以熱定電”運行模式.

由此可見，系統在單一的“以熱定電”或“以電定熱”運行模式下均出現了系統供能與用戶需求不匹配的現象，所以要想進一步提高三聯供系統能源綜合利用效果，改進運行模式是有效途徑之一.