基于负荷分析的分布式能源站发电技术的选择

黄洁 沈致和 吴亚平

1合肥工业大学土木与水利工程学院

2安徽拓普能源科技管理股份有限公司

基于负荷分析的分布式能源站发电技术的选择

黄洁1沈致和1吴亚平2

1合肥工业大学土木与水利工程学院

2安徽拓普能源科技管理股份有限公司

通过对某大型工业园的冷、热、电负荷的分析，选择在分布式能源站中采用天然气燃气内燃机，为了更好地实现能源的梯级利用，在后置循环中选择采用蒸汽轮机循环，形成了燃气内燃机—蒸汽轮机联合循环的运行方案，介绍了燃气内燃机—蒸汽轮机联合循环的特点，并简述了天然气燃气内燃机—蒸汽轮机联合循环在冷热电三联供分布式能源系统项目中应用推广前景。

分布式能源站负荷热电比联合循环

在分布式能源站中，系统设计选型的最基本的依据之一就是负荷计算。电、冷、热负荷是选取发电装置及其它配备设备、运行调节、系统评价等方面的基础资料。热（冷）电比是负荷分析中的一个重要参数，一般根据用户需求热（冷）电比来选择相应的燃气发电装置类型和容量，使得系统设计的热（冷）电比能够与用户需求一致，尽量避免补燃和余热排空现象，从而获得较大的节能和经济效益[1～2]。

1 某大型工业园的分布式能源系统

某大型工业园有三个工作厂区，分别为一、二、三厂区。工业园中生产设备以及辅助设备的数量繁多，一方面耗电量大；另一方面设备发热量也很大，夏季须制取冷量进行降温，而非夏季设备的发热量就能满足工厂的热负荷，则无需供暖；同时工业园对车间的湿度有严格的要求，则需对车间进行加湿处理。

为创建经济、环保、人性化的大型工业园，在空调冷热源的选择上，原设计考虑夏季采用电制冷冷水机组，非夏季加湿则用深井水作为加湿水源，且工业园所用的电均为市政电网供电。虽然其能源系统简单可靠，但综合考虑工业园对冷、热（蒸汽加湿）、电的需求，且知分布式能源站是靠近用户端直接向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，冷热电联供系统是分布式能源站的主要实现形式，冷热电分布式能源站具有能源利用率高，污染物排放少，没有输变电损耗，可同时提供多种能量产品等优点。那么为了节约能源，降低成本，建立冷热电分布式能源站是最好选择。

2 工业园的负荷情况

2.1 电负荷

工业园中的工作设备全年345天×24h不间断运行，电力负荷比较稳定受时段的影响小。由统计结果显示，工业园2009～2011年三年平均耗电量见表1。

由于该地区实施峰平谷电价政策，其分时电价情况见表2。

由表2的峰平谷电价情况制定节能经济的运行方案，即在峰段和平段工业园用电由分布式能源站供应，在低谷期由市政供电，那么表1中峰段、平段以及照明用电才是分布式能源站用电负荷的分析对象，而照明负荷很小，在此先不考虑。

可知，非夏季的电价峰段平均电负荷= 28452600kWh/(255×8h)=13947.4kW；非夏季的电价平段平均电负荷=27417960kWh/(255×7h)=15360.2kW；夏季的电价峰段平均电负荷=10311228kWh/(90×8h)= 14321.2kW；夏季的电价平段平均电负荷= 9936276kWh/(90×7h)=15771.9kW。

由以上所得数据可知，该工业园的电负荷应取最大平均电负荷，则为15771.9kW。

2.2 冷负荷

工业园内工作人员是轮班制24h工作，工业园供应冷量是全年90天×24h不间断运行。通过统计工业园2009～2011年三年各月的用冷数据，计算得出工业园三年各月平均空调冷冻用电结果见表3。

一般七、八月份是用冷典型月，根据电制冷机铭牌信息，且知电制冷机是2004年投入使用的，考虑到电制冷机COP的衰减，取电制冷机的COP值为3.8，根据表中的数据，分析得出：夏季制冷机平均电功率=夏季总用冷耗电量/夏季用冷小时数=10035480/(90×24) =4646.1kW；夏季平均冷负荷=夏季制冷机平均电功率×COP=4646.1×3.8=17655kW。

2.3 热负荷

工业园由于其工艺的特殊性，对湿度控制很严格，一般要求相对湿度控制在65%～75%为佳。通过前述可知，工业园改造后是通过冷热电分布式能源站提供各种形式的能量产品的，包括电、烟气、蒸汽和中低温热水等，在此，对纺织厂房采取蒸汽加湿的方法。在非夏季对蒸汽的需求量大于夏季，非夏季蒸汽需求量为每小时8.41t，0.2MPa的饱和蒸汽，查表可知0.2MPa的饱和蒸汽焓值h''为2706.53kJ/kg，则热负荷=8.41× 1000×2706.53/3600=6322.8kW。

2.4 负荷分析

由以上负荷计算结果，根据热电比=(空调制冷+蒸汽加湿)能耗/电力能耗，可得非夏季峰段的热电比为0.45，平段的热电比为0.41，夏季峰段的热电比为1.23，平段的热电比为1.12。燃气内燃机的发电效率较高，一般在30%～45%之间，但热电比小，在1左右；燃气轮机的发电效率一般在20%～38%，较内燃机而言要低，但热电比大，一般为2～3。根据文献[3]关于不同的用户负荷热电比下系统的选择上的研究可知，燃气内燃机联供系统在各种热电比范围内，一次能源利用效率均高于常规分供系统，而燃气轮机联供系统在热电比低于0.6时，一次能源利用效率还不如常规分供系统；当用户负荷的平均热电比在1.5～2.5范围内时燃气轮机和燃气内燃机的一次能源利用效率不相上下；热电比低于这一范围时，燃气内燃机系统的节能性占优势；热电比高于这一范围内时，燃气轮机联供系统的节能性占优势。而该工业园的需求热电比在0.41～1.23之间，根据上述结论，该工业园适合采用燃气内燃机联供系统。

3 设备的选型匹配和运行方案的确定

3.1 发电装置和其它配备设备的选型匹配流程

以热（冷）定电一般适用于办公和居住建筑等热（冷）负荷大于电负荷的场合，应优先选用产热量较大的燃气轮机发电装置，系统并将发电机发出的一部分电驱动电制冷装置，辅助提高系统产热和制冷能力，优化匹配电制冷和烟气余热吸收式溴化锂机组，以满足用冷、用热负荷，提高系统经济性；以电定热（冷）一般适用于厂房和数据中心等热（冷）负荷小于电负荷的场合，应该优先采用发电效率较高的燃气内燃机发电装置，满足用电需求，并考虑用其它配备设备向邻近区域供冷、供暖，提高能源的利用率。通过上述分析可知，该工业园采取以电定热（冷）的方式进行配置。燃气内燃机和其它配备设备的选型匹配和优化过程如图1所示。

3.2 运行方案

根据冷、热、电负荷分析及以电定冷（热）流程图，首先确定装机容量，由于电负荷大小是逐时变化的，发电负荷一般取平均用电负荷的75%左右比较合适，其余25%的电量由市网提供。

在本项目中，统计平均最大用电负荷采用夏季电价平段平均用电负荷15771.9kW，夏季制冷机平均电功率为4646.1kW，富余量取5%，则平均用电负荷= 155771.9-4646.1+(155771.9-4646.1)×5%=11682.1kW，装机容量=平均用电负荷×75%=11682.1×75%= 8761.6kW。

故此选取8台额定功率为1100kW的燃气内燃机作为发电机组，在长期运行的情况下，其实际发电功率为1020kW，在非夏季有经余热锅炉换热产生大量的高温高压蒸汽产品，为了更好地实现能源的梯级利用，提高能源利用效率，在系统后置循环中加入发电功率为420kW的蒸汽轮机循环发电，从蒸汽轮机末端出来的低压饱和蒸汽经喷水后送到各厂房进行加湿。

通过分析可知，上述运行方案中夏季采用的是常规的燃气内燃机联供系统，非夏季则采用燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环联供系统，内燃机-蒸汽轮机联合循环是在现今普遍采用的大型以燃气轮机循环为前置循环，蒸汽轮机循环为后置循环的联合循环基础上并结合该工业园的负荷特点提出来的。

3.3 燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环系统的特点

针对该工业园地提出燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环，即以燃气内燃机循环为前置循环，以蒸汽轮机循环为后置循环所组成的联合循环的流程图见图2。

与常规的燃气内燃机联供系统（即内燃机+烟气型溴冷机+直燃性型溴冷机）相比，燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环的三联供系统有以下特点[4]：

1）系统使用内燃机将一次能源-燃料的化学能生成高温烟气的热能，按品质分别转化为二次能源-电能和经余热锅炉产生的蒸汽热能，蒸汽进入背压式蒸汽轮机转化为电能，从汽轮机中抽取的低压蒸汽用于纺织工业园的加湿，实现了对一次能源（天然气）合理的梯级利用，提高了一次能源的利用率，减少了污染物的排放。如该工业园的能源站内燃机发电机组，其额定工况下的发电效率为36.8%，而内燃机-汽轮机联合循环后的发电效率约为51%，热效率为25.9%，总效率为76.9%。

2）当冷热负荷波动大时，与常规的燃气内燃机联供系统相比，天然气燃气内燃机-汽轮机联合循环调节性能更强，运作更灵活，能源利用更充分。对于常规的燃气内燃机联供系统，发电系统排出的高温烟气进入吸收式制冷机，冬季用于供暖，夏季用于制冷，烟气热量若有多余则排空，此时会出现能源的浪费；若不足，则由制冷机直燃天然气来弥补，此时一次能源的利用率不高。而对于燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环三联供系统，蒸汽热量若有多余则用于蒸汽轮机发电；若不足，则采用电制冷或市政蒸汽补充，由此可见，联合循环调控更灵活，能源利用率更高。

与以燃气轮机循环为前置循环，蒸汽轮机循环为后置循环的联合循环相比，燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环有以下特点:

1）燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环较燃气轮机-蒸汽轮机联合循环除了有占地面积小，发电效率高的优势外，还有一个优势是内燃机有温度约为81～87℃缸套水可以利用，缸套水这部分废热的利用在该项目里十分明显：在夏季，缸套水作为热源的一部分进入溴冷机达到制冷的效果，在非夏季，缸套水作为中低温热源进入第二类吸收式热泵制取加湿用的蒸汽。

2）燃气内燃机具有比燃气轮机更好地部分负荷特性，主要体现在燃气内燃机的余热利用效率随负荷率的降低有所提高，而燃气轮机余热利用效率随原动机负荷率的降低而降低，所以对于冷热负荷变化大的用户，宜选择内燃机-蒸汽轮机联合循环三联供系统。

4 结语

通过上述工业园实例对发电技术的选择可知，热（冷）电比是选择热电比选择发电装置的类型和其它配备设备的关键参数。根据该工业园的热（冷）电比和系统热电比的匹配选定的燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环发电技术适用于热电比小，且电负荷大的分布式能源站项目。燃气内燃机-蒸汽轮机联合循环发电技术的应用，实现了系统热电比和用户需求热电比的最佳匹配，对能源合理经济的梯级利用，提高了能源的利用率。可见，推广内燃机-蒸汽轮机联合循环发电在冷热电分布式能源站中的应用是我国能源产业发展的一条道路，并为可再生能源的开发与利用开辟新的方向，有利于改变我国的能源消费结构，具有良好的经济效益与社会效益。

[1]任华华,马克·利普尔.燃气内燃发电机及冷热电三联供系统在数据中心的应用浅析[J].智能建筑电气技术,2011,5(5):57-61

[2]宋鸿明,王明友,杨智勇,等.燃气冷热电三联供系统发电装置的选择[J].供电与配电,2011,30(7):397-400

[3]陆伟,张士杰,肖云汉.燃气轮机与燃气内燃机在联供系统中的应用比较[J].工程热物理学报,2008,29(6):905-910

[4]赵斌.燃气轮机与燃气内燃机在联供系统中的应用比较[J].化学工程与装备,2010,(6):113-114

Se le c tion o f Gene ra ting Te c hno logy fo r Dis tribu ted Ene rgy Sys tem based on Loa d Ana lys is

HUANG Jie1,SHEN Zhi-he1,WU Ya-ping2
1Schoolof Civil Engineering,HefeiUniversity of Technology
2 AnhuiTop New Erergy Co.,Ltd.

Based on the load featuresofone industrialpark,the distributed energy system applies the program of the gas internalcombustion engine.In order to achieve thegradientutilization ofenergy asmuch aspossible,the steam turbine is applied in the bottoming cycle.Thus the operation program of this project comes into being gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle.The feature of the gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle is introduced.Prospectof gas internal combustion engine and steam turbine combined cycle technology in CCHP (Combined Cooling,Heating&Power)system aredescribed.

distributed energy system,load,heat-to-power ratio,combined cycle

1003-0344（2014）03-046-4

2013-5-6

黄洁（1987～），女，硕士研究生；合肥工业大学土木与水利工程学院合肥（230009）；E-mail:230009634887952@qq.com