不同运行模式下燃气轮机冷热电三联供系统仿真研究

周家秀，王露宁，刘雪洁，崔 苗，郭健翔，张敬奎，*(.青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 66033；.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 604)

能源是经济发展的基础和动力.随着社会的发展，能源需求量也越来越大.作为能源消耗大国，我国的能源消耗主要以煤炭、石油、天然气等不可再生能源为主，由此带来的环境污染问题使得提高能源利用效率、开发利用可再生能源、开展多能源互补利用、建立合理能源系统运行策略等研究工作有着重要的现实意义.

冷热电三联供系统作为一种将供电、供热、供冷集成一体的新型供能系统，因具有能源利用效率高、安全可靠、清洁环保等优点而受到广泛关注.近年来国内外针对冷热电三联供系统的研究相当丰富，主要涉及能源方式组合、设备选择、容量配置及优化运行等方面.秦鹏等[1]建立了三联供系统供电煤耗、当量热力系数、节煤量3种评价指标的数学模型，并对冷热电三联供系统和冷热电分供系统进行了节能性评价，得出节能与评价指标有关.熊霞利[2]对以燃气轮机为动力的楼宇冷热电三联供制冷系统和离心式制冷机分产制冷系统进行一次能源消耗量计算，得出三联供制冷系统相对于分产制冷系统节能率最高可达36%.王骞[3]建立了太阳能供暖与冷热电三联供系统的耦合系统，利用仿真软件进行系统模拟，并与常规能源系统进行比较，证明了太阳能供暖与三联供系统耦合的可行性.DI SOMMA M等[4]建立了分布式能源系统的热平衡模型，并以经济成本和效率为优化目标对北京市具体实例项目进行优化分析，找到了系统的最佳运行策略.CAO Y等[5]引入改进的猫头鹰搜索算法，并基于伊朗克尔曼地区的建筑负荷需求提出了冷热电三联供系统的优化配置，最终通过仿真证明了使用此方法进行系统优化配置的有效性.可见，冷热电三联供系统的研究与建筑用能特点、能源系统构建、系统运行策略等因素息息相关，并且仿真是验证系统合理化的有效手段之一.本文将综合考虑以上3个因素，同时借助TRNSYS软件平台对冷热电三联供系统进行建模和瞬时动态仿真，获得不同运行模式下的全年逐时运行结果，进而对不同运行模式的系统供能特性和效果进行评价.

1 建筑逐时负荷模拟

1.1 建筑概况

本文选取青岛市某综合建筑群为研究对象，对其进行冷、热、电负荷的逐时负荷模拟.该综合建筑群建筑总面积173 150 m2，占地面积28 858 m2，主要建筑类型包括办公楼、宾馆、住宅、商场.

1.2 逐时冷热电负荷模拟

本文选用DeST软件对建筑进行逐时负荷模拟.本次负荷模拟的供暖季时间为11月15日至次年4月15日，制冷季为6月20日至9月29日，其余时间为过渡季.模拟时间以1月1日0:00为起点，建筑全年逐时冷热电负荷见图1.

通过模拟结果可以得出，该建筑群制冷季冷负荷峰值为10 935.37 kW，冷负荷平均值为5 951.55 kW，全年累计冷负荷为5.24×1010kJ.供暖季热负荷峰值为6 742.88 kW，热负荷平均值为3 132.74 kW，全年累计热负荷为4.08×1010kJ.该建筑群全年电负荷需求比较稳定，局部放大的24 h逐时电负荷如图1中小图所示.电负荷峰值为4 405.44 kW，全年累计电负荷为7.61×1010kJ.建筑综合体供暖季平均热电需求比为1.29，制冷季平均热电需求比为2.47，全年(不考虑过渡季)平均热电需求比为1.77.

2 三联供系统构建

2.1 三联供系统设备选择

冷热电三联供系统主要由动力装置、余热利用装置及辅助装置组成.常见的动力装置包括蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、微燃机等.余热利用装置主要有余热锅炉、吸收式制冷机组、换热器等.辅助装置为水泵、控制系统等.根据建筑规模、逐时负荷模拟情况和动力装置特性，本系统采用燃气轮机为动力装置，余热利用装置选用余热锅炉、蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组和烟气/热水换热器.以天然气为燃料的燃气轮机驱动发电机发电满足用户电负荷需求，烟气余热在供暖季通过烟气/热水换热器实现供暖，在制冷季通过余热锅炉产生蒸汽驱动蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组为用户供冷.燃气轮机冷热电三联供系统原理见图2.

图2 燃气轮机冷热电三联供系统原理

2.2 TRNSYS软件构建三联供系统

本文以TRNSYS软件为平台对燃气轮机冷热电三联供系统进行建模与仿真，通过TRNSYS软件读取DeST输出的逐时冷热电负荷.燃气轮机冷热电三联供系统的TRNSYS构建如图3所示.

图3 燃气轮机冷热电三联供系统的TRNSYS构建

2.3 三联供系统评价指标

冷热电三联供系统的运行效果与评价指标有密切的关系.本研究采用基于热力学第一定律的一次能源利用率作为燃气轮机冷热电三联供系统不同运行模式的评价标准.一次能源利用率(Primary Energy Rate，PER)，也称能源综合利用率或系统热效率[6]，其定义为系统输出能量与输入能量的比值.在燃气轮机冷热电三联供系统中一次能源利用率为输出电量、热(冷)量之和与消耗天然气输入热量的百分比，反映燃气能量在数量上的有效利用程度.本文所构建的冷热电三联供系统的一次能源利用率RPE计算公式如下：

式中：RPE为冷热电三联供系统一次能源利用率，%；P为燃气轮机发电功率，kW；QHE为烟气/热水换热器换热功率，kW；QAC为吸收式制冷机制冷功率，kW；B为天然气消耗量，m3/h；QL为天然气低位发热量，kJ/m3，取QL=35 544 kJ/m3.

3 三联供系统数学模型

为了便于研究，在建模和分析过程中对系统作出以下假设：①系统中各设备在其额定容量范围内可正常运行；②设备在不同工况之间可实现连续切换；③系统运行工况可根据用户末端负荷需求变化而实时变化，不存在设备响应滞后的情况；④不同负荷下燃气轮机的效率不同，已经考虑了热损失.

3.1 燃气轮机数学模型

燃气轮机作为冷热电三联供系统的动力设备，其模型特性对系统模拟有极其重要的影响.燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平组成(图1)，外界空气进入压气机被压缩成高压空气后进入燃烧室，与供应的天然气混合燃烧生成高温高压的气体，气体进入透平后推动叶片旋转做功带动发电机发电，做功后的高温烟气从燃气轮机排出，通过余热回收用于冬季供暖或夏季制冷[7].

燃气轮机发电功率的数学表达式如下：

式中：P为燃气轮机发电功率，kW；ηe为逐时发电效率，%；Δt为时间步长.

燃气轮机在部分负荷工况下运行时的发电效率、天然气消耗量和排出烟气热量从TRNSYS软件燃气轮机部件的外部文件中读取，如图4—6所示.

3.2 余热锅炉数学模型

余热锅炉利用燃气轮机的排烟余热加热锅炉内的水，将水加热成为具有一定压力的饱和水蒸气，进而作为热源驱动蒸汽型溴化锂制冷机组制冷.余热锅炉输出热功率数学表达式如下：

QB=ηB·QGT

式中：QB为余热锅炉输出热功率，kW；ηB为余热锅炉换热效率，%，取65%；QGT为燃气轮机的排烟热量，kW.

3.3 溴化锂吸收式制冷机组数学模型

本系统利用的溴化锂吸收式制冷机组为蒸汽型，以余热锅炉产生的蒸汽为热源，以水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，经溴化锂溶液和制冷剂2个循环完成制冷过程.溴化锂吸收式制冷机组制冷功率的数学表达式如下：

QAC=C·QB

式中：QAC为制冷机组制冷功率，kW；C为吸收式制冷机组制冷系数.

吸收式制冷机组的制冷系数与负荷比和进入机组的冷却水温度等因素有关[8].机组部分负荷运行时不同冷却水进口温度下制冷系数随负荷比的变化从TRNSYS软件外部文件读取，如图7所示.

3.4 烟气/热水换热器数学模型

在供暖季，本系统利用烟气/热水换热器回收燃气轮机排烟余热进行供暖.烟气/热水换热器换热功率数学表达式如下：

QHE=ηHE·QGT

式中：QHE为烟气/热水换热器换热功率，kW；ηHE为烟气/热水换热器换热效率，%，取65%.

4 模拟结果与分析

4.1 “以热定电”模式下的仿真

“以热定电”运行模式下系统优先满足冷负荷和热负荷需求，发电量不能满足电负荷的部分由外部电网补充，发电量多于电负荷的部分可根据不同地区政策考虑上网或存储利用.刘高科等[9]利用线性函数拟合不同环境温度下发电量、烟气流量、烟气温度及天然气消耗量与部分负荷率的关系，建立燃气轮机的热力学模型，证明了采用线性函数拟合是可行的.因为燃气轮机是通过发电量来计算排烟余热量的，同时考虑到燃气轮机排烟余热量与室外干球温度也有关系，所以此运行模式下，本文依据某厂家燃气轮机性能参数采用多元线性回归模型拟合出发电量与排烟余热量和室外干球温度的函数关系，并利用可决系数确定拟合函数的精度.可决系数R2∈[0,1]为回归平方和和总偏差平方和的比值，其值越大表示回归模型越能成功地解释因变量的变化规律[10].本拟合函数的可决系数R2=0.995 54，说明此拟合模型可以很好地反映发电量与排烟余热量、室外干球温度之间的关系.针对本文所选用的燃气轮机容量获得拟合关系式如下：

P=-2788.6772+0.74×QGT+4.46×T

式中：T为室外干球温度，℃.

由负荷模拟结果(图1)知冷负荷峰值高于热负荷峰值，所以在确定燃气轮机容量时要让燃气轮机排烟余热满足制冷需求.建筑冷负荷峰值为10 935.37 kW，根据选取的溴化锂吸收式制冷机组性能参数，其COP取1.2，根据选取的余热锅炉性能参数，其换热效率为65%，计算出所需燃气轮机排烟余热量为14 019.71 kW.结合青岛市气象参数，冷负荷峰值出现时的室外干球温度为24 ℃，并考虑一定的容量富余量,最终确定燃气轮机装机容量为7800 kW.

因为“以热定电”运行模式下冷热负荷都满足用户需求，所以对发电量进行了仿真，并得出需要补充或多余的电量，如图8所示.图中纵坐标轴数据小于0为需要补充的电量，大于0为多余的电量.

图8 “以热定电”运行模式下综合建筑需要补充或多余电量的逐时变化

从模拟结果可以看出，此运行模式下为了满足冷热负荷需求，燃气轮机以满足热量需求而确定负载比，因此发电量不一定能够满足电负荷需求.在供暖季，发电量满足电负荷需求的时间仅占供暖季时间的24.61%，造成这种现象的原因是供暖季热负荷需求较制冷季冷负荷需求偏小，以满足热量需求而确定负载比的燃气轮机在供暖季低负载比运行，燃气轮机发电效率偏低，发电量少.在制冷季，发电量满足电负荷需求的时间占制冷季时间的77.25%，仍有部分时间需从外部电网购电.这是因为“以热定电”运行模式下按照满足制冷峰值负荷确定的燃气轮机装机容量，而制冷季冷负荷有很多时候较制冷峰值负荷偏小，所以燃气轮机低负载比运行，同时由于制冷季环境温度较高，燃气轮机发电效率下降，导致发电量不足以满足用户需求.

“以热定电”运行模式下冷热电三联供系统的逐时输入能量、输出能量以及系统一次能源利用率如图9所示.

由图9可以得出，此运行模式下供暖季系统最大输入能量为19 238.79 kW，累计输入能量为1.48×1011kJ；最大输出能量为12 585.66 kW，累计输出能量为6.34×1010kJ；系统一次能源利用率平均值为42.84%.在制冷季，系统最大输入能量为12 585.66 kW，累计输入能量为1.49×1011kJ；最大输出能量为18 462.63 kW，累计输出能量为1.05×1011kJ；系统一次能源利用率平均值为70.47%.供暖季和制冷季系统一次能源利用率平均值为56.70%.

4.2 “以电定热”模式下的仿真

与“以热定电”模式相反，“以电定热”模式是优先满足用户电负荷需求.供暖季排烟进入烟气/热水换热器产生热水为用户提供热量，制冷季排烟进入余热锅炉产生蒸汽驱动溴化锂吸收式制冷机组为用户提供冷量，不足部分可考虑其他能源补充.

此运行模式下通过电负荷来确定燃气轮机容量.由电负荷模拟结果知，电负荷峰值为4405.44 kW，所以确定燃气轮机装机容量为4500 kW.

由于“以电定热”运行模式下电负荷都满足用户需求，所以对制热量和制冷量进行了仿真，并得出需要补充或多余的冷热量，如图10所示.图中纵坐标轴数据小于0为需要补充的热量或冷量，大于0为多余的热量或冷量.

从模拟结果可以看出，此运行模式下燃气轮机以满足电负荷需求而确定负载比，因此制冷量和制热量可能存在不满足冷热负荷需求的情况.在供暖季，制热量满足热负荷需求的时间占供暖季时间的90.84%，只有极少数时间需要补充热量，这是因为热负荷需求和电负荷需求相差不大，燃气轮机平稳运行的排烟热量能够满足大部分时间的热负荷需求.在制冷季，制冷量满足冷负荷需求的时间占制冷季时间的比例仅为7.52%，这是由于冷负荷需求远大于电负荷需求，“以电定热”运行模式下根据电负荷峰值确定的燃气轮机装机容量其排烟热量不足以满足冷负荷需求，因此大部分时间是需要补充冷量的.

“以电定热”运行模式下冷热电三联供系统的逐时输入能量、输出能量以及系统一次能源利用率如图11所示.

由图11可知，此运行模式下供暖季系统最大输入能量为14 483.27 kW，累计输入能量为1.26×1011kJ；最大输出能量为11 686.92 kW，累计输出能量为7.57×1010kJ；系统一次能源利用率平均值为60.08%.在制冷季，系统最大输入能量为12 652.37 kW，累计输入能量为7.93×1010kJ；最大输出能量为10 254.87 kW，累计输出能量为6.15×1010kJ；系统一次能源利用率平均值为77.55%.供暖季和制冷季系统一次能源利用率平均值达66.83%.

5 结论

本文针对青岛市某综合建筑群，模拟了建筑冷热电瞬时负荷，构建了由燃气轮机、余热锅炉、溴化锂吸收式制冷装置、烟气/热水换热器等组成的冷热电三联供系统，并在“以热定电”和“以电定热”2种不同模式下对系统供能进行了动态模拟.通过研究获得以下结论：

1) 对于本文所述的综合建筑冷热电三联供系统，“以热定电”和“以电定热”模式下构建的系统存在显著供能差异.“以热定电”模式下构建的系统，在满足冷热负荷需求的条件下，仅能够满足占供暖季时间24.61%的供电需求和占制冷季时间77.25%的供电需求.“以电定热”模式下构建的系统，在满足电负荷需求的条件下，能够满足占供暖季时间90.84%的供热需求和占制冷季时间7.52%的制冷需求.

2) “以电定热”运行模式下系统一次能源利用率平均值为66.83%，这明显高于“以热定电”运行模式的系统平均一次能源利用率56.70%.因此基于本文所述综合建筑群负荷特性和系统设备特性，当采用以燃气轮机为动力的天然气冷热电三联供系统供能时“以电定热”运行模式更优于“以热定电”运行模式.

由此可见，系统在单一的“以热定电”或“以电定热”运行模式下均出现了系统供能与用户需求不匹配的现象，所以要想进一步提高三联供系统能源综合利用效果，改进运行模式是有效途径之一.