热电冷联供系统的主要设备设计

热电冷联供系统的主要设备设计

1热电冷联供系统发展历程能源是人类生存和社会发展的基本前提。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消费日益增长，造成了多项影响。比如在电力方面,由于电力的紧缺,造成目前全国已经有24个省市出现拉闸限电现象。能源问题已经成为人们日益关注的焦点,随着西气东输工程的拓展,天然气在城市能源系统中已显示出日益重要的作用,城市合理利用天然气的一个重要途径是发展热电冷联供系统,热电冷联供系统将天然气利用、发电、制冷和供暖技术整合在一起,具有能源利用率高、经济效益高、实现能源消耗季节平衡、环保、保证城市能源供应稳定可靠等优点。目前从中央到地方的各级政府和职能部门对其发展应用都给予了高度重视,2000年由国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部和国家环保总局联合下发了《关于发展热电联产的规定》,再次明确了国家鼓励发展热电联产的政策,特别支持发展以天然气为燃料的燃气轮机热电联产项目,同时强调了国家积极支持发展小型燃气机组组成的热电联产和热电冷联产系统。全国各地根据国家政策、法规,结合当地经济发展形势、天然气供应条件及电力紧缺现状,都在积极进行热电冷联产系统的发展应用规划。但要使热电冷联产系统的推广应用在我国得以健康、稳定和快速发展,就必须重视热电冷联产规划、设计和应用中的方案论证、设备配置等相关事项。2冷热交换器的组成2.1热电冷联供系统根据热电冷联供系统中发电机组的不同及系统主要功能的不同,热电冷联供系统主要分成以下三类:2.1.1以蒸汽轮机为发电机组的热电冷联供系统,其主要功能是供热和供电(如热电厂),夏季可以将一部分或全部供热能力转换为供冷,从而实现热电冷联供。2.2.2以燃气轮机和蒸汽轮机为发电机组(燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电)的热电冷联供系统,其主要功能是发电,供冷(热)作为次要功能。2.2.3供冷(热)及供电并重的区域热电冷联供系统(CCHP)或建筑热电冷联供系统(BCHP),系统中的发电机组可采用燃气轮机发电机组(包括微型燃气轮机)、内燃机发电机组、外燃机发电机组、燃料电池,其中,燃气轮机发电机组和内燃机发电机组为常用发电机组。热电冷联供系统中的主要设备有发电机组、余热锅炉、换热器和溴化锂吸收式冷(热)水机组。2.2排热回收方式根据发电机种类以及热源的用途不同,如表1所示,主要有以下几种排热回收方式。根据排热回收方式的不同,热电冷联供系统可以划分为以下几种模式:2.2.1控制温度的控制这种系统如图1所示,其特点为:1)系统控制比较简单,运行安全、可靠;2)适用于电负荷较大而空调负荷相对较小及对热水需求量较大的场所,比如:旅馆、酒店等。2.2.2烟气及热水系统这种系统如图2所示,其特点为:1)单台烟气热水型机组可实现同时利用烟气及热水;2)系统配置简单,占地面积小;3)适用于电负荷较大而空调负荷相对较小的场所(如:工厂等);4)控制比较复杂,对系统运行的安全可靠性要求较高,需要解决溴冷机与发电机组之间的集中控制各种问题。2.2.3大负荷大时以电负荷较大而空调负荷相对较小的部位这种系统如图3所示,其特点为:1)系统占地面积相对较小;2)适用于电负荷较大而空调负荷相对较小的场所(如:工厂等);3)溴冷机机组结构及控制系统比较复杂,对系统运行的安全可靠性要求比较高,需要解决溴冷机与发电机之间的集中控制各种问题。2.2.4热、电、冷联供系统这种系统如图4所示,其特点为:1)采用燃气轮机——蒸汽轮机联合循环发电,发电效率较高;2)采用该热、电、冷联供系统可以提高系统的热用量,提高发电机组的负荷率,从而提高经济效益;3)适用于电负荷及热负荷均较大的场所,比如工厂、商业区或区域性集中供电、供冷、供热的场所,也可以适用于有大量蒸汽需求的场所,如工厂、医院等。2.2.5热、电、冷联供系统运行效果这种系统如图5所示,其特点为:1)系统设备配置及控制简单,运行安全、可靠;2)采用热、电、冷联供系统可以提高系统的热用量,提高发电机组的负荷率,从而提高经济效益;3)适用于热负荷较大(或对蒸汽有大量需求)的场所,比如工厂、医院等。2.2.6余热利用系统这种系统如图6所示,其特点为:1)系统设备配置及控制简单,运行安全性可靠性较高;2)采用热、电、冷联供系统可以提高系统的热用量,提高发电机组的负荷率,提高经济效益;3)适用于热负荷较大(或对热水有大量需求)的场所,比如宾馆、休闲娱乐中心、游泳池等。这种系统如图7所示,其特点为:1)直接利用排气吸收冷温水机对排气进行回收,实现制冷供热功能,设备配置简单,占地面积小;2)可以适用于小型热电冷联供系统,包括微燃机及发电功率较小的小型燃气轮机;3)设备控制系统较复杂,对控制系统的安全性要求较高,需要解决烟气型机组与发电机组的控制配合问题及彻底解决防止烟气泄漏入制冷机问题。2.2.8适用于空调负荷大而电负荷小的小型热电冷联供系统这种系统如图8所示,其特点为:1)对于部分项目而言配置简单,占地面积小;2)适用于空调负荷较大而电负荷较小的小型热电冷联供系统;3)设备控制系统非常复杂,对控制系统的安全可靠性要求很高,需要解决烟气型机组与发电机组的集中控制问题及彻底解决防止烟气泄露入制冷机问题。2.2.9利用蒸汽实现冷房运转这种系统如图9所示,其特点为:1)提高系统热利用量,夏季可利用蒸汽实现冷房运转,提高机组效率;2)系统控制简单,安全性较高;3)可用于各种规模的火电厂或热电厂。3各方案的确定热电联供系统设备较多,涉及面广,实际设计中,必须考虑合理的企划设计流程,如何确定最佳的企划设计流程,将决定整个系统投资及运行的经济性及实用性。根据国、内外在热电联供系统方面的有关经验,一般认为应该考虑以下几方面的内容:3.1.1与当地条件相关连内容的调查,包括基础设施、建筑使用功能、电力政策、电价、当地气(燃料)价、气源使用政策、补助政策、各项关连法规等的调查。3.1.2对建筑物负荷容量进行确定,包括电力负荷、热负荷(供热、制冷、热水、蒸汽等)的大小及用途的调查。3.1.3运转模式及发电机运转时间的确定,确定电主热从运转或者热主电从运转方式,确定发电机是高峰运转还是低峰运转。3.1.4电力系统基本方针的确定,确定电力系统要否并网发电和逆送电。3.1.5系统构成的确定,包括电力系统的规模(容量)、发电机种类、台数的确定:排热系统的热回收方式(温水、蒸汽、温水+蒸汽、烟气、烟气+温水)、排热利用的用途及优先顺序、吸收式制冷机容量的确定;以及辅助热源系统的确定。3.1.6针对以上内容拟定不同方案。3.1.7对不同方案计算出系统的性能参数,包括每年的发电量、每年的排热量、每年的燃料消耗量、排热利用量、排热利用率、综合效率等。3.1.8对不同方案计算出各个方案的设备投资费用。3.1.9对不同的企划方案进行评价,包括以下4个方面:1)节省能源评价,比较各个方案一年的能源消耗量;2)经济性评价,比较各个方案的设备投资、运转费用、设备利用率、热回收率、投资回收年限(一般投资回收期小于5年比较理想)、系统占地及建造费用;3)环保性评价,比较NOX、C02排放量;4)综合评价,从社会和用户两个角度对系统的节省能源性、经济性和环保性进行综合评价,确定最佳设计方案。3.1.10最后确定是否采用及引进热电冷联供系统。3.2该系统的规划和设计中应该解决的问题3.2.1酒店负荷与热负荷的特性热电冷联供系统在运行时,发电与热回收是同时进行的,因此,要根据不同功能的建筑物确定电力与热(蒸汽、热水、供热、制冷)的最大负荷及每个月、每天各个时刻的负荷变化趋势。根据不同的建筑物功能用途,电力负荷与热负荷一般有以下几种特性:1)一年中电力负荷与热负荷比较稳定;2)电力负荷与热负荷的变化趋势比较类似;3)建筑物的热电比比较高。下面,以酒店及医院为例进行说明。1)酒店的特性:a.建筑物内一般有宴会厅、客房、西餐厅、商店等;b.酒店的营业时间一般为一年365天,一天24小时,因此设备的使用率比较高;c.电力、制冷、供热、热水负荷即使在夜间也会有,整个一天的负荷都比较大;d.宴会厅、西餐厅即使在冬季也有可能需要制冷;e.热水负荷(客房淋浴、厨房)的比率比较高,甚至还需要加湿。根据以上特性作出酒店的电力负荷与热负荷的变化趋势如图10所示。医院的电力负荷及热负荷变化趋势如图11所示。目前热电冷联供系统采用的发电机组主要有蒸汽轮机发电机组,燃气轮机发电机组(常用)、内燃机发电机组(常用)、燃料电池(在国内尚未普及应用)。燃气轮机发电机组与内燃机发电机组两者的价格、发电功率、发电质量、余热排放参数等相差比较大,在一个特定系统中选用何种发电机组更合适,需要进行详细的经济性分析,才能作出选择。1)燃气轮机发电机组特性分析:a.设备费用要高于内燃机;b.发电效率较低,一般为20～30%;c.发电质量(指输出电压和频率的稳定性)较高;d.烟气排热量较大,排烟温度一般高于450℃(带回热装置的微燃机除外),便于进行余热回收利用;2)内燃机发电机组的特性分析:a.设备费用低于燃气轮机发电机组;b.发电效率较高,一般为30～45%;c.排放的余热包括烟气余热缸套水余热,缸套水温度一般低于100℃。一般而言,如果系统中的热(冷)负荷较大,而电负荷较小,宜选用燃气轮机发电机组,否则应选用内燃机发电机组。3.2.3发电机容量配置原则a发电机组的容量配置决定设备的投资以及系统应用的经济性。在确定发电机组的配置容量时,要注意发电设备部分负荷时的发电效率及运行可行性。为了使系统实现能源的综合利用及高效运行,必须使用发电机组排放的余热量得以全部或尽可能回收利用,尽量避免或减少单独发电的运行工况。因此,要合理确定系统中热(冷)、电负荷的匹配。发电机容量配置原则:a.在以热(冷)定电的系统中,发电设备可以按照空调负荷的50～70%进行负荷匹配;b.在以电定热的系统中,可以采用以基本电力负荷确定发电机容量的原则。不足的空调负荷可以通过补燃或其它热(冷)设备满足,峰值不足时的电力可从电网中补充。这样,既可以减少发电设备的配置容量,降低设备的投资费用,又可以提高发电设备的满负荷运转率,保证系统运行的经济性。国外的发电机容量配置经验:a.对于酒店、医院等热电比比较大的功能建筑,发电设备的容量按照占整个电力容量的30～40%确定;b.对于商店、商务楼等热电比比较小的功能建筑,发电设备容量按照占整个电力容量的20～30%确定。3.2.4发电系统运转模式分类热电联供系统中,由于涉及到发电机系统、排热(烟气和温水)利用系统以及排热排放系统等,要想使这些系统有效配合运行并且达到最优的能源综合运用性能,这就需要考虑系统的运行运转模式,运转模式的合理性,将直接决定系统的能源综合利用效率。目前设计中一般采用以下两种运转模式。1)电主热从运转(电力负荷为主)模式:是指根据电力负荷大小进行发电,同时尽可能利用发电系统产生的排热,剩余的部分排热进行放热运转的控制模式。如图12所示。在用电高峰期进行发电运转,补充电力。在电主热从模式下运转,发电系统不需要考虑建筑物的冷暖负荷,按照电力需求进行发电运转,不会产生多余的电力。但是,当热负荷较小时,系统产生的排热只能部分利用,大量的排热将被排放,能源的综合利用率较低。2)热主电从运转(热负荷为主)模式:是指根据热负荷大小进行发电运转的模式。如图13所示,发电机产生的电力基本由自身建筑功能消耗,如有可能,也可以并网发电,输出电力。在热主电从模式下运转,系统不会产生多余的排热,能源利用率较高。但是,对于热负荷变化较大的建筑物或者负荷率很低的场所,能源综合利用效率一般很难达到期望的效果,并且发电机的使用寿命也会受到影响。3.2.5能源综合利用效率目前,我国电力资源紧张,大多城市开始实行波峰高电价收费,在此情况下,发电机运行的时间也将决定系统的能源综合利用效率。如图14所示。1)高峰运转模式,发电机在用电高峰时运行,这可以有效避免高峰电力的使用,降低电力使用费用,同时变配电设备的投资也将减小。2)低峰运输模式,发电机在用电低峰时运行,这可以保证发电机长时间在额定负荷下运行,发电设备的运转效率较高,经济性较好。3.2.6热电联供系统相关控制的设计要点发电机发电系统一般采用两种设置方式:系统并网发电和系统分离发电。目前我国部分省市已有相关法律法规对发电机的并网发电进行了规定。一般情况下,根据电网并网方式和电网分离方式的不同,热电联供系统的控制方式也有所区别。但是不管采用哪种方式,都需要综合考虑系统各设备的运转效率,以此为目标决定最佳的控制方式。一般设计中需要解决以下几方面的问题:1)同步投入控制;2)发电与商用电的电力使用控制;3)发电机功率因数控制;4)发电机运转台数控制。3.2.7在设备中的应用目前发电机组的余热回收设备主要有以下两种配置方式1)在系统中配置余热锅炉,将发电机组排放的余热转换为蒸汽或热水,再利用蒸汽型或温水型溴化锂吸收式制冷机进行供冷,并且配置热交换器提供空调采暖热水,或直接利用余热锅炉提供的热水进行采暖。优点:a.控制系统简单、安全性高,运行可靠性强;b.可以满足除空调热(冷)源外的其他热需求的场所,供应方式灵活。缺点:设备投资费用及设备占地空间相对较高。2)在系统中配置余热型溴化锂吸收式制冷机,直接利用发电机组排放的余热驱动溴化锂吸收式制冷机进行制冷(供暖)运行。优点:对部分针对性项目能相对减少设备投资费用及占地空间。缺点:a.吸收冷温水机与发电机运行互受影响,系统集中控制比较复杂;b.对设备运行的安全性、可靠性及系统集中控制要求较高;c.需要解决处理好吸收式制冷机与发电机组之间的控制衔接问题以及彻底防止烟气泄漏入机组问题;d.难以满足系统中除空调冷(热)源外的其它热需求场所。热电冷联供系统是配置余热锅炉还是配置余热型溴冷机,不仅要考虑其初投资及占地面积,还要考虑建筑物的使用功能及冷(热)负荷分布情况,更要考虑系统的运行安全及可靠性。3.2.8项目分析的项目发电机组按基本空调负荷进行匹配时,当发电机排放的余热不能满足峰值空调负荷需求时,系统中可以考虑配置余热补燃型溴化锂吸收式制冷机,以满足使用需求,同时也可以减少设备投资费用及节省占地空间。但是,并不是所有的项目采用余热补燃型溴化锂吸收式制冷机就有优势,有的还会适得其反,需要具体项目具体分析。1)在系统中只有一台余热型机组时,没有其它冷(热)负荷调节设备,而且设备间不充足的情况下,可以考虑配置补燃型余热型溴化锂吸收式制冷机。但是由于补燃型机组本身控制系统较复杂,而且与发电机配置在一起,集中控制会更加复杂,对设备运行的安全可靠性要求很高,需要解决各种问题,因此,需要慎重决定。2)系统中有多台余热型溴化锂吸收式制冷机,不宜将每台都配置成补燃型溴化锂吸收式制冷机。3)系统中对高峰时的空调负荷需求量很大时,不应该配置补燃型机组,而应该考虑另配置标准型机组,这样也更安全可靠。3.2.9发电机与烟气型溴化锂吸收式制冷机间装置的配合目前各个厂家都在积极推出直接利用烟气的余热型溴化锂吸收式制冷机(包括补燃型),主要考虑出发点是采用烟气型机组可以省却余热锅炉,节省空间及设备投资,但是前期需要解决一些关键性问题,否则会带来安全隐患。1)当机组正常或异常停机时,应该有可靠的防范措施,彻底防止烟气进入高压再生器导致出现结晶及其它问题而影响运行。目前一般在发电机排烟出口与烟气型溴化