基于建筑负荷的微型热电联产系统性能分析

李岩学，阮应君，刘青荣

（1同济大学机械与能源工程学院，上海200092；2上海电力学院能源与机械工程学院，上海201300）

引言

分布式供能系统作为一种新型的能源系统，主要是通过建立在用户附近减少输配系统投资和能量损失，实现更加灵活、可靠、高效的能源利用方式。目前，世界上许多发达国家纷纷研究和开发以天然气为燃料的小型或微型的能源技术，高效的微型热电联产系统成为分布式能源系统的一个重要发展方向。微型燃气轮机单机功率为25～1000 kW［1-2］，多采用回热循环，发电效率在30%左右，虽然单纯发电效率不高，但在热电联产系统中可以实现较高的能源利用率，另外因其尺寸小、质轻、燃料适应性强、污染排放低等优势，广泛应用到微小型的分布式发电系统［3-4］。

根据联产系统运行模式及特点的不同，联供系统供能形式主要分为以下几种［5-6］：基于满足用户热负荷运行，不足电量通过电网购电补充，即 “以热定电”的模式；基于满足用户电负荷运行，不足热量由分产子系统提供，即 “以电定热”的模式；基于用户热电负荷选取合理的微燃机容量，联产系统不向外输出电量与热量，不足电量及热量通过电网和供热子系统补充。目前国内一般主要通过 “以热定电”的模式来对热电联产系统进行规划，但是其前提一般需要 “并网且上网”的模式来运行，会对公共输配电网的供电稳定性产生影响。微型联产系统原动机发电效率相对较低，采用 “以电定热”模式运行可能会造成冗余热量的浪费，影响联产系统经济性［7-8］。与传统的分产供能方式相比，热电联产系统热电由原动机同时产生，热电输出比值恒定，而用户需求端的热电负荷及热电比值具有很强的逐时波动性，用户峰值负荷往往需要结合购电电网及分产系统共同承担［9］。然而，目前很多研究主要集中于热电联产系统自身能耗特性［9］或大型的热（冷）电联产系统方案［10］。微型热电联产系统选取及性能往往需要结合用户具体的热电动态负荷特性来分析。本研究主要结合实测建筑物的用能负荷特性及原动机 （微燃机C60）热电输出特性，导入微型热电联产合理的配置方案，在用户热电比及购电量变化条件下从一次能源利用率、热力学第二定律及相对节能率角度来分析评价微型热电联产系统的用能效果。

1 微燃机热电联产系统

1.1 模型建立

微燃机热电联产系统主要是利用燃烧天然气发电，提供用户电负荷，同时对发电后高温烟气进行余热回收，承担部分热负荷。由于热电联产系统不可能提供用户所有热与电负荷，目前微型热电联产系统主要由原动机、分产锅炉组成，设置锅炉作为补充热源，系统在 “并网不上网”的原则下运行。为分析热电联产系统一次能源利用效率及 效率，选取参照对象为传统电厂供电及热水锅炉供暖形式，如图1所示。

原动机发电效率、余热回收效率、一次能源利用率及热电比输出可由式 （1）～式 （4）计算

图1 热电联产系统Fig.1 CHP system

1.2 模型分析

本研究主要通过分析满足用户动态热电负荷需求，在 “并网不上网”模式下选取原动机合理容量及运行模式，分析微型热电联产系统在用户具体热电负荷需求下运行的性能。

联产系统与分产系统相对节能率可以通过下面的公式计算［11-13］

计算微型热电联产系统的相对节能率，需要确定参照对象：目前传统发电厂发电效率33.3%［7］；热水锅炉效率一般在85%～90%，选取锅炉热效率为88%。目前微型燃气轮机发电效率集中在25%～30%，选取微燃机发电效率为27%，机组热电比 （1／σc）为2.0 （热效率ηth，CHP=54%），计算在用户端不同热电负荷比及电网购电比下联产系统的相对节能率，如图2所示。

图2 联产供能与传统供能系统能源消耗比Fig.2 Primary energy consumption ratio for CHP in comparison with conventional system

从图2可以看出热电联产系统节能率主要与用户热电负荷比及电网购电量有关。当用户热电需求比不变时，随着电网购电比例的增加，热电联产系统相对节能率降低；当用户热电需求比大于联产系统中原动机热电产出比时，在一定的电网购电比例的条件下，随着用户热电需求比的增加，热电联产系统的节能效果随之降低。理想工况条件下，即当原动机发电恰好满足用户电负荷需求且用户热电负荷比等于原动机热电产出比时，用户导入微型热电联产系统可以达到最佳节能效果。

从图2观察发现，在极限情况下，当用户用电全部来自电网 （ΔPel／Pel=1）或用户热电需求比趋向于无穷大 （1／σ=∞）时，联产系统一次能耗与传统分产供能系统一次能耗相当 （PE／PE＊=1）。从图2可以看出，对于微燃机为原动机组的热电联产系统，当用户热电需求比 （1／σ）接近原动机热电产出比 （1／σc）且购电量相对用户电负荷需求比例较小时，联产系统相对传统供能方式可体现出较好的节能潜力。

2 微型热电联产系统方案

2.1 建筑热电负荷分析

为分析微型热电联产系统带来的效益，本研究选取山东地区某办公建筑楼作为实际案例。该办公楼高度为47.5m，建筑面积为11880m2，工作人员上下班时间为9：00～17：30，每周工作5d。供热季为11月17日～次年4月5日。建筑能耗信息采集通过GPRS无线数据采集器记录，监测数据的采集频率为3～5min。用户整个供热季逐时热电负荷如图3所示。

2.2 热电联产系统方案

图3 实测建筑供热季逐时热电负荷Fig.3 Hourly measured heat and power load of building

微型热电联产系统与传统供能方式比较，原动机工作发电的同时输出热量，系统发电量与余热利用之间存在一定的约束关系，因此系统设计过程中需要结合人员作息情况考虑建筑热电逐时负荷波动性影响。本研究分别对办公楼供热季工作日与非工作日逐时平均热电负荷进行分析，确定原动机容量，同时结合分产热水锅炉及电网购电共同满足用户热电负荷需求。

结合图4和图5反映的用户工作日及非工作日逐时热电负荷特性，工作日热电负荷变化较为明显，8：00～16：00为用户热电负荷需求峰值段，非工作日热电逐时负荷需求则相对平缓。本研究选用2台C60微型燃气轮机发电机组，原动机组性能参数见表1。

图4 工作日平均逐时热电负荷Fig.4 Hourly average heat and power load for working days

在一定的逐时热电需求比条件下，尽量保证电网购电量相对用户电负荷需求比例较小时，联产系统节能效果较为明显。同时考虑燃气轮机变工况运行性能较差，低负荷运行发电效率较低，结合建筑日均逐时用能负荷，维持原动机额定工况出力，同时保证原动机发电及回收余热在用户需求端完全消耗，最终确定原动机运行方案如下：工作日8：00～16：00用能高峰时段两台原动机同时开启，16：00～次日8：00开启单台原动机组，不足电量及热量分别通过电网购电及锅炉提供；非工作日全天只开启单台原动机组，结合电网购电及热水锅炉满足用户的热电需求。联产系统日热电负荷构成如图6～图9所示。

图5 非工作日平均逐时热电负荷Fig.5 Hourly average heat and power load for weekends

表1 Capstone C60技术指标Table 1 Technical indicators of Capstone C60

图6 工作日逐时电负荷构成Fig.6 Power load composition on working day

图7 工作日热负荷构成Fig.7 Heating load composition on working day

图8 非工作日电负荷构成Fig.8 Power load composition on weekends

图9 非工作日热负荷构成Fig.9 Heating load composition on weekends

3 微型热电联产系统评价

3.1 能源利用效率分析

依据式 （6）～式 （9），结合建筑供暖季日逐时热电负荷及热电联产系统运行方式计算供暖季联产供能方式与传统供能方式的日逐时一次能源消耗比，其分布如图10所示。其中工作日8：00～16：00时刻能耗比相对增加，主要因为用户热电负荷比（1／σ）增加及为保证用户电负荷需求从电网补充电量的比例有所增加。

图10 供热季日逐时能耗比Fig.10 Hourly primary energy consumption ratio during heating season day

从图10可以发现，工作日7：00时刻用户从电网购电量占用户需求比例较大，部分热量通过分产锅炉提供，用户热电需求比偏离原动机热电产出比例较大，联供系统节能效果较差；非工作日8：00～20：00时段，联供系统节能效果相对较差，主要是因为原动机发电所占用户电需求比例较小，同时需锅炉产热的提供余热量较大。

从图11和图12可以看出，用户热电负荷比主要集中在2.0～3.0之间，大于原动机额定工况下的热电输出比 （1.92）。结合用户热电负荷构成图，当用户热电需求比接近原动机的热电产出且从电网购电比例较小时，微型热电联产系统体现出较好的节能特性，一次能源消耗约为分产供能能耗的0.7～0.75；用户热电负荷峰值时段，随着用户热电需求比及电网购电比例的增加，联产供能方式相对节能效果减弱。

由式 （6）～式 （8）分别计算供热季工作日和非工作日传统供能方式及联产供能方式一次能耗，能耗信息见表2。

图11 工作日能耗比散点图Fig.11 Scatter diagram of energy consumption ratio on working day

图12 非工作日能耗比散点图Fig.12 Scatter diagram of energy consumption ratio on weekends

联产系统同时输出热量与电量不同质的能量，实现能源梯级利用，但从一次能源利用率角度分析存在一定的局限性，例如现代化电站锅炉能量按热效率计算高达90%，而 效率约为40%。微型热电联产系统发电效率相对较低，但对输出的低位烟气余热实现进一步利用，通过 分析可进一步体现联供系统的特性。

气态燃料CaHb的化学ε可用式 （10）计算［2］

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

4 结 论

通过热力学模型对微型热电联产 （micro-CHP）进行了分析，根据目前技术水平确定微型联产系统在 “并网不上网”条件下运行，不向外界输出热量与电量，选取参照对象分析微型热电联产系统的供能特性，并在用户具体用能条件下通过向建筑办公楼导入微型热电联产系统分析其热力性能，得到以下结论。

（1）微型热电联产系统的节能潜力主要与微燃机的热电输出特性及用户热电需求有关，在原动机热电产出比接近用户热电负荷比及电网购电比例较小的情况下微型热电联产供能系统体现出较好的节能潜力。

（2）结合办公建筑的实测供热季度负荷，通过分析其日逐时用能情况导入微型热电联产方案，计算日逐时一次能耗为传统供能能耗的0.720～0.825，供热季工作日、非工作日联产供能系统日均节能率分别为23.16%、22.76%。

（3）微型热电联产系统同时不同质的电能与热能，通过原动机组低品位烟气余热的回收再利用，实现能量的梯级利用，计算C60原动机热电联产的 效率可达48.06%。

符号说明

cp——烟气比定压热容，kJ·kg-1·K-1

Eex1——烟气通过换热器前的 ，kW

Eex2——烟气通过换热器后的 ，kW

m——烟气质量流量，kg·s-1

mfuel——燃料质量流量，kg·s-1

Pc——原动机一次能源消耗，kW

Pel——用户侧电负荷，kW

Pel，CHP——联产系统发电量，kW

ΔPel——用户从电网购得电量，kW

PE——联供系统总能耗，kW·h

PEB——分产锅炉一次能耗，kW·h

PEc——联产原动机一次能耗，kW·h

PEp——联产系统中购电能耗，kW·h

PE＊——分产系统总能耗，kW·h

QB——用户侧热负荷，kW

Qex——热量 ，kW

Qth，CHP——联产系统产热量，kW

Tg——烟气温度，℃

T0——环境温度，℃ε——化学 ，kW

ηB——热水锅炉效率，%

ηc——联产机组一次能源利用率，%

ηel——传统电厂发电效率，%

ηel，CHP——原动机发电效率，%

ηth，CHP——原动机热效率，%

σ——用户电负荷与热负荷比值

σ

c——机组发电量与产热量比值

［1］ Jin Hongguang （金红光），Zheng Danxing （郑丹星），Xu Jianzhong（徐建中）.Device and Application of Distributed CCHP System （分布式冷热电联产系统装置及应用）［M］.Beijing：China Power Press，2008：108-115.

［2］ Chen Qiang（陈强），Han Wei（韩巍），Zhang Na（张娜），Jin Hongguang （金红光）.Thermodynamic analysis on a novel CCHP system consisting of a micro gas turbine，a Rankine cycle，and a LiBr-H2O absorption chiller ［J］.JournalofEngineeringThermophysics（工程热物理学报），2014，35 （7）：1253-1259.

［3］ Ehyaei M A，Mozafari A.Energy，economic and environmental（3E）analysis of a micro gas turbine employed for on-site combined heat and power production ［J］.Energy andBuildings，2010，42：259-264.

［4］ Bianchi M， De Pascale A， Melino F， Peretto A.Performance prediction of micro-CHP systems using simple virtual operating cycle ［J］.AppliedThermalEngineering，2014，71：771-779.

［5］ Mago P J，Fumo N，Chamra L.Performance analysis of CCHP and CHP systems operating following the thermal and electric load ［J］.InternationalJournalofEnergy Research，2009，33：852-864.

［6］ Mago P J，Chamra L M，Ramsay J.Micro-combined cooling，heating and power systems hybrid electric-thermal load following operation ［J］.AppliedThermalEngineering，2010，30：800-806.

［7］ Jiang Runhua （蒋润花），Yang Xiaoxi（杨晓西），Yang Minlin（杨敏林），Qin Guanfeng（秦贯丰），Yang Xiaoping（杨小平）.The optimal analysis of CCHP operatng modes'performance ［J］.JournalofEngineeringThermophysics（工程热物理学报），2013，34 （10）：1818-1822.

［8］ Yin Ping （殷平）.Research of combined cooling heating and power system （2）：Is it needed to determine power by heating load in the system？［J］.HV&AC（暖通空调），2013，43 （5）：82-87.

［9］ Liu Qingrong （刘青荣），Ruan Yingjun （阮应君），Ren Jianxing（任建兴）.Theory analysis of energy saving and emission reduction effect in CCHP system ［J］.EastChina ElectricPower（华东电力），2010，38 （2）：267-270.

［10］ Li Peifeng （李沛峰），Yang Yongping （杨勇平），Chen Yuyong （陈 玉 勇）.Energy Conservation analysis and improvement on combined heat and power heating system［J］.JournalofEngineeringThermophysics（工程热物理学报），2013，34 （8）：1411-1415.

［11］ Lucas K.On the thermodynamics of cogeneration ［J］.InternationalJournalofThermalScience，2000，39 （9-11）：1039-1046.

［12］ Elmar Pohl，David Diarra.Assessment of primary energy savings by means of CHP systems in domestic energy supply［J］.AppliedThermalEngineering，2014，71 （2）：830-837.

［13］ Lian Leming（廉乐明），Tan Yufei（谭羽非），Wu Jiazheng（吴 家 正 ），Zhu Tong （朱 彤 ）.Engineering Thermodynamics（工程热力学）［M］.5th ed.Beijing：China Building Industry Press，2007：97-102.