多能源互补的分布式供能系统

分布式冷热电联供系统（以下称CCHP系统）作为一种由动力、余热利用及蓄能等多个子系统集成构成的复杂系统，目前尚处于快速发展的阶段，正在得到逐步深入的研究。CCHP系统的构成特点是输入与输出的能源形式以及内部的构成形式均具有显著的多样性。它是由多种形式的热力过程和多个供能系统所集成的总能系统，其内部相对独立的各个热力子系统之间存在大量的能量、物质传递和交换过程。它的总体性能不仅与各子系统的具体形式和性能参数有关，更为重要的是还取决于系统构成流程形式以及各子系统间的热力参数匹配情况。在CCHP系统的设计、优化和运行过程中涉及到两种类型工况，即设计工况和变工况，且两者存在本质差异。在联产系统的配置和优化过程中，对两种工况都需要关注。CCHP系统集成要综合考虑上述诸多复杂因素，不断丰富和完善，形成系统集成优化的理论体系。基于能的梯级利用、不同形式能量间的互补和全工况运行等原理，本文介绍CCHP系统集成优化的理论框架，其中包括能的综合梯级利用，能源、资源与环境的综合互补，以及基于全工况特性的系统集成等CCHP系统的集成优化思路及措施。  　　1．基于能的综合梯级利用的系统集成   　　（1）热能品位对口，梯级利用   　　CCHP系统中，通常高品位的热能多来自于化石燃料燃烧。而中、低品位的热能主要来自于联产系统上游某热力子系统的输出，但有时也可能来自于联产系统相关外界的可再生能源系统或外界环境。因此，在利用中温和低温热能时，需要对用户的需求以及各个热力子系统的功能进行仔细分析。动力子系统的输出为高品位的电，因而对输入热能的品位要求很高。对于吸收式制冷机和吸收式热泵而言，需要的热源温度则更低一些，如双效溴化锂吸收式制冷机要求热源温度在120℃左右。而用户需要的生活热水和供暖所需热量的温度只需60℃左右。由此可见，燃料燃烧产生的高热量应优先用于提供给动力子系统，做功发电，经过这一级利用后，再为吸收循环提供热源，驱动制冷或热泵，温度进一步降低后，再通过简单换热生产热水。经过上述若干级热能利用后，动力子系统排气中余热的品位大幅度降低，可利用的数量也大幅度减少，利用价值显著下降，无利用意义的余热最后将被直接排向环境。   　　（2）正循环与逆循环耦合   　　分布式联产系统常常是由多个循环集成得到的总能系统。联产系统所采用的循环基本上可分为两大类，即正循环和逆循环。动力子系统的功能在于输出电，目前普遍采用的传统热转功系统属于正循环。制冷子系统通常利用动力子系统的余热驱动的吸收式制冷循环，输出低于环境温度的冷量，属于逆循环。在CCHP系统中，正是通过正循环和逆循环的耦合来实现冷热电的多能源供应。正逆循环耦合的关键在于两循环之间能量传递与转换利用时，量与质同时优化匹配，以最大程度降低能量转换利用过程的损失。通常，动力正循环和制冷逆循环运行的温度区间分别位于环境状态以上和以下，两者具有多方面的互补性。在此基础上，将动力系统与制冷系统进行系统集成，构成正逆耦合循环，即制冷系统的高温换热器充当动力系统的低温热源，而动力系统的排热充当制冷系统的高温驱动热源，两种系统的有效整合可大幅度提高联产系统的性能。   　　（3）热力循环与非热力循环耦合   　　高温燃料电池等新型动力系统，采用的不是传统意义上的热力循环。若把它们和传统热力循环耦合，则可以充分体现燃料的化学能与物理能综合梯级利用，将可以达到更高的能源利用率。燃料电池可以单独作为联产系统的动力子系统，也可以与传统热机（如燃气轮机、内燃机等）共同构成复合动力子系统。单独作为动力子系统时，燃料的化学能在燃料电池中直接转换为电，未转化部分可在余热锅炉、余热型机组等热量回收装置中通过二次燃烧转化为热能，然后与来自燃料电池的高温热能混合，再到制冷子系统、供热子系统对其进行梯级利用。在由复合动力子系统驱动的联产系统中，未被燃料电池有效利用的化学能在后面流程的热机中燃烧转化为热能，再与上游的高温热能混合共同进行热功转换，最后用于制冷、供热。与传统热机构成的联产系统相比，这种热力循环与非热力循环耦合的联产系统增加了对化学能的直接利用，降低了燃料利用过程中的品位损失。   　　（4）中低温热能与燃料转换反应集成   　　在CCHP系统集成时，可利用合适的热化学反应（例如重整或热解）对燃料进行预处理，而且该过程可与尾部的热力系统整合在一起。对燃料进行的热化学预处理，可将较低品位的热能转化为合成气燃料的化学能，以合成气燃料的形式储存，然后通过合适的热机实现其热转功。燃料化学能，如甲烷或甲醇的化学能可以通过水蒸气重整反应转化为氢气的化学能，将反应吸收的热能转变为合成气燃料的化学能。上述过程在使热能品位得到大幅提升的同时，还使燃料更清洁、更易于利用，同时热值也得到增加。这种集成方式显著提高了整个联产系统的热力学性能，同时为高效利用太阳能或系统中的中温和低温余热提供了新途径。   　　2.能源、资源与环境的综合互补   　　（1）多能源互补   　　可再生能源具有分布广、能量密度低、不稳定、无污染等特点，而化石能源则具有分布不均匀、能的品位高、可连续供应、有污染等特点。因此，太阳能、地热能、生物质能等可再生能源与化石能源有很强的互补性，可再生能源在CCHP系统中有广泛的应用前景，化石燃料与可再生能源形成互补的CCHP系统。通过太阳能与化石燃料的互补，提供合适温度的热能，既可以减少化石能源的消耗量，又可以使集热器具有较高的集热效率。由于地质条件的差异，根据不同地区可以提供的地热能温度，将地热能导入联产系统。生物质能与化石燃料也可一起构成双燃料系统，通过生物质的气化或直接燃烧利用，可以减少联产系统对化石燃料的消耗。   　　（2）燃料能源与环境能源整合   　　CCHP系统与外界存在物质和能量的交换，而它的中温和低温热能利用子系统与外界进行的交换主要是热能交换。在进行系统设计配置时，应根据当地具体的技术、经济、环境条件，尽可能结合周围的环境热源进行统筹安排。环境热源通常是指系统附近的环境水热源和空气热源。用吸收式热泵替代简单的余热锅炉，使环境热源的温度提升到可以利用的水平，大幅度提高中品位热能的利用效果。也可以有效利用环境作为冷阱，起到改善联产系统效率的作用。城市中水和污水温度相对空气温度较高，而且较地表水稳定，具有比较好的可用性。   　　3.基于全工况特性的联产系统集成原则   　　变工况一般会使联产系统的性能降低，而偏离设计工况越远，联产系统性能下降得越明显。为了缓解变工况运行对联产系统性能的负面影响，应在联产系统集成时考虑基于全工况特性的系统集成原则与必要的相应措施。   　　（1）输出能量比例可调的集成措施   　　CCHP系统面向的是小范围的用户，其冷、热、电负荷通常存在较强的动态性，相应联产系统输出需要进行调整。可以根据用户能源需求的变化情况，采取措施调节不同子系统的能源输入量，进而控制不同子系统的输出，使系统的输出可以满足用户的需求，则联产系统的全工况性能将得到明显改善。例如采用燃气轮机注蒸汽（STIG）技术将余热产生的蒸汽部分返回到燃气轮机中做功，通过改变回注蒸汽量来调节系统冷热负荷与电负荷之间的比例，进而改善联产系统的全工况性能。也可以采用可调回热循环的联产系统集成措施。可调回热循环燃气轮机透平出口的高温燃气分成两股，一股燃气进入回热器，回收热能用于预热压气机出口的空气；另一股燃气被直接引到回热器的燃气出口侧，与回热器出口的燃气重新混合，然后共同进入余热锅炉。最后，系统尾部的余热锅炉回收排气中的余热，用于供热或制冷。可根据用户的需求对通过回热器的烟气量进行调整，能增强联产系统的负荷应变能力，大大改善系统的全工况性能。  　　（2）采用蓄能调节手段的联产系统集成   　　一般说来，小型供能系统在能量供应和需求之间通常存在差异。产生差异的情况可分为两种，一种是由能量需求变化引起的，即存在高峰负荷问题，使用蓄能系统可以在负荷超出供应时，起到调节或者缓冲的作用；另一种是由供应侧引起的，外界的供应量超过需求量时。蓄能系统就担负着保持能量供应均衡的任务。蓄能不但可以削减能量输出量的负荷高峰，还可以填补输出量的负荷低谷。在CCHP系统中配置的蓄能系统的作用还可以强化。可以利用蓄能实现平衡峰谷和增效节能双重目的。通常，应对用户侧的部分负荷需求时，供能设备效率会明显下降。但是，机组若能与蓄能设备配合，可以确保机组始终在高效率的额定工况下运行，多出的输出储存于蓄能装置中，而在用户侧的尖峰负荷时，蓄能装置释放出蓄存的能量。因此，集成蓄能的CCHP系统既能满足负荷动态变化，又能保持联产系统全工况高效运行，是一种“主动”型能源转换与利用模式。   　　（3）系统配置与运行优化的系统集成   　　为适应用户负荷的变化，CCHP系统通常使用常规分产系统作为补充，合理整合两种系统有利于提高用户能量供应的可靠性，但需要仔细考虑系统的容量和运行方式。为此，可以采用多种系统配置与运行优化模式。   　　1）多个独立小规模联产系统的优化组合   　　当用户的需求开始下降时，各个独立的小系统可以依次降负荷，直至全部停运，也就是说，能够始终保证同一时间内最多只有一个独立系统处于部分负荷状态，而其他投运的系统均处于满负荷状态，可以有效地改善整个能量供应系统的性能。   　　2）部分常规系统与联产系统的优化整合   　　当用户负荷需求与联产系统的设计工况偏差较小时，分产系统可以不运行；在偏差较大时，联产系统单独运行效率不高，则在满足联产系统高效运行前提下，采用分产系统或分产、联产系统联合运行，使整个能源供应系统的全工况性能尽可能达到最佳配置。   　　3）与网电配合的优化运行模式   　　通过优化配合，既可以降低联产系统的容量，节省建设成本，也可以有效利用常规系统的资源，减少整个系统的运行成本，同时还可以通过联产系统调峰作用，改善常规电力系统的性能。   　　4.结语   　　到目前为止，CCHP系统的集成水平可概括为三个层次：第一层次代表了联产系统发展初期的水平，主要是实现了常规动力技术与余热利用技术的简单集成，但存在余热利用不充分、吸收式制冷系统的补燃量过大、电压缩式系统的份额过大等问题，相对节能率在5%～10%；第二个层次的相对节能率达到10%～20%，主要是由于动力与中温余热利用构成了较好的梯级利用，目前实施的多数CCHP系统可以达到这一水平；第三个层次仍处于发展中，它仔细考虑用户不同冷、热需求的具体要求，采用最佳的优化控制方式使每种需求均得到满足，用户的需求与系统的供应紧密耦合，系统的集成程度显著增加，能的梯级利用程度进一步深化。第三代系统的相对节能率将达到20%～30%，是CCHP系统的发展方向。因此，系统集成是新一代CCHP系统的关键技术。