葉增增 張樹理

上海建科工程咨詢有限公司

隨著分布式能源系統(tǒng)日益受到重視， 冷熱電三聯(lián)供 （Combined Cooling Heating and Power,CCHP） 系統(tǒng)應(yīng)用越來越多， 其優(yōu)越性受到世界各國的關(guān)注。燃料首先通過內(nèi)燃機等動力裝置發(fā)電， 而后回收其排放的余熱用于供熱， 除濕或制冷， 在建筑物中同時解決電能， 熱能和冷能需要的能源供應(yīng)系統(tǒng) [1] 。本文圍繞上海虹橋能源中心冷熱電三聯(lián)供分布式供能系統(tǒng)， 展開對三聯(lián)供單機運行調(diào)試的問題研究。

1 虹橋能源站三聯(lián)供系統(tǒng)方案設(shè)計

虹橋能源站三聯(lián)供遵循以熱 （冷） 定電、 熱 （冷） 電平衡的原則設(shè)計，區(qū)域用戶全年運行時間在3000～4000 h的冷，熱負荷和電力負荷作為基本負荷，結(jié)合三聯(lián)供系統(tǒng)運行方式和運行時間， 確定分布式供能系統(tǒng)容量三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電優(yōu)先滿足能源中心自用，多余電力向區(qū)域用戶供電， 不足部分向市電購電。系統(tǒng)的余熱向用戶供冷或供熱， 見圖 1。

圖1 燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)工作原理示意圖

根據(jù)區(qū)域冷， 熱負荷預測分析， 能源站電力并網(wǎng)方式， 年滿負荷運行時間等對能源站經(jīng)濟性和節(jié)能特性的影響，確定分布式供能系統(tǒng)發(fā)電量。在 6:00～22:00分布式供能系統(tǒng)運行時段， 按區(qū)域用戶冷、 熱、 電負荷均能同時滿足、 分布式供能系統(tǒng)每天開停機一次、 全年累計運行大于3000～4000 h選擇分布式供能系統(tǒng)的原動機與余熱利用設(shè)備。

綜合比較， 南、 北區(qū)能源站各采用四臺1.5 MW燃氣內(nèi)燃機作為分布式供能系統(tǒng)的原動機， 額定發(fā)電量1409 kW的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，系統(tǒng)總發(fā)電量約占區(qū)域最大用電負荷的 21%。選用 4 臺額定制冷量為1454 kW的煙氣熱水型吸收式溴化鋰冷水機組，冷水供、 回水溫度為6/13℃。余熱包括發(fā)電機組高溫熱水余熱和高溫煙氣余熱，選用水 -水板式熱交換器和煙氣熱交換器作為余熱利用設(shè)備。每套聯(lián)供單元采用燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組和煙氣熱水型吸收式溴化鋰機組及輔助系統(tǒng)設(shè)備按一對一的原則配置組成。

南、 北站三聯(lián)供系統(tǒng)的硬件配置保持一致， 每個能源站配置了4套三聯(lián)供單元系統(tǒng)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 南（北）區(qū)三聯(lián)供系統(tǒng)主要參數(shù)

能源中心內(nèi)每臺燃氣內(nèi)燃發(fā)電機與板式熱交換器、 煙氣熱交換器采用一一對應(yīng)的配置原則， 組成聯(lián)供單元，煙氣熱交換器與水 -水板式熱交換器串聯(lián)的布置。

2 三聯(lián)供單機調(diào)試

每個能源站三聯(lián)供系統(tǒng)由4 套并聯(lián)的系統(tǒng)組成，先對每套系統(tǒng)進行制冷和制熱調(diào)試， 以期單機調(diào)試達到設(shè)計要求。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的主要評價指標包括電能質(zhì)量， 一次能源利用率PER， 發(fā)電效率hc， 熱電比等。調(diào)試在手動控制柜， 數(shù)據(jù)采集顯示柜和三聯(lián)供控制總屏的基礎(chǔ)上， 對 CCHP 進行了系統(tǒng)實驗， 將重點進行發(fā)電機運行特性分析， 溴化鋰機組運行特性分析和系統(tǒng)運行性能分析。

2.1 三聯(lián)供單機調(diào)試步驟

調(diào)試步驟：

1） 發(fā)電機組單機輔助系統(tǒng)檢查， 包含： 天然氣進氣系統(tǒng)管路檢查、 燃氣調(diào)壓閥整定。排煙管道檢查， 冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的檢查和調(diào)節(jié)閥的整定， 電氣系統(tǒng)的高壓絕緣測試。

2） 發(fā)電機組單機不帶載手動盤車和機組自動預潤滑后的點火盤車， 怠速暖機后達到額定轉(zhuǎn)速空載運行。

3） 發(fā)電機組空載額定轉(zhuǎn)速下測試各項發(fā)電機組參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)， 并進行調(diào)整， 輸入最新機組配置文件。發(fā)電機組孤島單機帶載試運行，接近滿載后調(diào)整煙氣氮氧化物 （NO x ） 排放量。

4） 溴化鋰空調(diào)冷態(tài)開機整定， 并抽真空。制冷模式下發(fā)電機組煙氣通過電動蝶閥進入煙氣型溴化鋰機組作為機組高發(fā)熱源， 缸套水進入溴化鋰機組作為低發(fā)熱源。制熱模式下發(fā)電機通過煙氣—水換熱板交直接換熱， 缸套水則給熱水預熱。

5） 發(fā)電機組孤島穩(wěn)定帶載后進行溴化鋰空調(diào)的制冷調(diào)試， 測量和記錄冷凍水的流量和溫差。

2.2 內(nèi)燃機的運行特性調(diào)試

內(nèi)燃機的發(fā)電效率和功率輸出隨燃氣熱值的不同而不同， 需要對內(nèi)燃機的運行特性進行試驗測量， 用以計算內(nèi)燃機的實際發(fā)電效率及排出尾氣所含的熱量。 內(nèi)燃機實際達到輸出功率最大值為1400 kW。 測量試驗中， 每隔5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)， 同一功率下記錄 5組數(shù)據(jù)取其平均值， 測量參數(shù)包括： 燃氣消耗量、 燃氣流量、 排煙溫度。表2為不同出力下內(nèi)燃機相關(guān)參數(shù)。

表2 內(nèi)燃機運行特性參數(shù)

發(fā)電效率hc指系統(tǒng)獲得單位電能所消耗的燃氣耗量：

式中：8100 為天然氣的低位熱值，單 位 kcal/Nm3， 4.1868/3600為單位kcal等價的kJ熱量。

圖2表示內(nèi)燃機輸出功率與發(fā)電效率的關(guān)系。由圖2可知，輸 出功率越大，內(nèi) 燃機的發(fā)電效率越高。故在有冷熱負荷的條件下， 發(fā)電機輸出功率越大越好。

圖2 內(nèi)燃機輸出功率與發(fā)電效率關(guān)系

2.3 發(fā)電機運行性能調(diào)試

電能質(zhì)量[2]是發(fā)電機的一個重要評價指標， 電能質(zhì)量指標主要包括： 頻率偏差， 電壓偏差， 電壓波動與閃變， 三相不平衡， 暫時或瞬態(tài)過電壓， 波形畸變， 電壓暫降與短時間中斷， 供電連續(xù)性等。

1） 電壓偏差： 電壓偏差定義為供電系統(tǒng)在正常運行方式下， 某一節(jié)點的實際電壓與系統(tǒng)的標準電壓之差對系統(tǒng)標稱電壓的百分數(shù)。其數(shù)學表達式：

式中：δU為電壓偏差；Ure為實際電壓，kV；UN為系統(tǒng)標稱電壓，k V。

GB12325-90《 電能質(zhì)量 -供電電壓允許偏差》[3]中規(guī)定：35 kV 及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10%。10 kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7 %。220 kV單相供電電壓允許偏差為額定電壓的＋7%，-10%。

圖3為實測的電壓偏差圖。從圖3中可以看出最大電壓偏差為 B相電壓，偏 差率 2.53%，低 于規(guī)定 7%的允許偏差額度。

圖3 電壓偏差圖

2） 電壓波動： 電壓波動定義為電壓均方根一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象， 其變化周期大于工頻周期。電壓波動值為相鄰最大與最小電壓方均根的兩個極限值之差， 常以其標稱電壓的百分數(shù)表示其相對百分值：

GB12326-2000《 電能質(zhì)量-電壓允許波動和閃變》中規(guī)定[4]： 在 公共供電點的電壓波動允許值如下：10 kV 以下為 2.5%，35～110 kV 為 2%，220 kV 以上為1.6%。

圖4為實測的電壓波動圖。從 圖5中可以看出，隨著發(fā)電功率的增加，電壓波動值震蕩上升，最高到2.45%，低 于規(guī)范要求2.5%。

圖4 電壓波動百分率

3） 電網(wǎng)諧波： 電網(wǎng)諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。諧波的一個重要指標就是總諧波畸變率 （THD）， 定義為畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度。

式中：THDh為電壓總諧波畸變率，Uh為各次諧波均方根值，U1為基波均方根值，M為所開率的諧波最高次數(shù)，由 波形的畸變程度和分析的準確度要求來決定，通 常取≤50。

GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)頻率諧波》[5]中規(guī)定：6～220 kV各級公用電網(wǎng)電壓（ 相電壓）總 諧波畸變率是：0 .38 kV 為 5.0%，6～10 kV 為 4.0%，35～66 kV為3.0%，110 kV為2.0%。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，國家規(guī)定各級電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的電壓總畸變率是：0.38 kV 為 2.6%，6～10 kV為 2.2%，35～66 kV 為 1.9%，110 kV 為 1.5%。

4）三 相電壓不平衡度：三 相電壓不平衡度是指電力系統(tǒng)在正常運行方式下，電 量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比。

式中：U1為三相電壓正序分量的均方根值，U2為三相電壓負序分量的均方根值。

表 3為內(nèi)燃發(fā)電機不同負荷下發(fā)電參數(shù)測量值，根據(jù)表三可計算出電壓偏差， 電壓波動， 總諧波畸變率和三相電壓不平衡度。

表3 電能參數(shù)測量值

2.4 吸收式溴化鋰機組運行調(diào)試

溴化鋰機組制冷效率受高溫發(fā)生器（簡稱高發(fā)）內(nèi)溫度的影響， 高發(fā)溫度越高， 制冷效率越大。反之，則越小。高發(fā)內(nèi)的溫度主要取決于進入溴化鋰機組的煙氣溫度， 高發(fā)的溫度隨著煙氣入口溫度的升高而升高， 實測的兩者之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 高發(fā)溫度與煙氣入口溫度的關(guān)系

溴化鋰機組的制冷功率計算如下：

式中：ρ為 水密度，k g/m3；v為冷凍水流量，m3/ h；c為水的比熱容，4.1868×103J/kg；ΔT為進出口水溫差,℃。

當流量一定時，溫 差的大小決定了制冷功率的大小。當冷凍出口溫度和水流量一定時，冷 凍水回水溫度的大小就決定了制冷功率的大小，回 水溫度越低即溫差越小，制 冷功率就越小。

3 CCHP系統(tǒng)運行分析

為了評價系統(tǒng)性能，需要計算一次能源利用率（PER） 和熱電比 （q）。 一次能源利用率定義為獲得單位有效能量與所消耗的一次能源 （即燃料耗量） 能量的比值一般來說， 分布式供能系統(tǒng)中獲得的有效能量有冷、熱和電三種不同的形式， 其一次能源利用率為：

式中：Qcold為制冷量，Qhot為制熱量，Pele為發(fā)電量，Qfuel為消耗的一次能源量。

影響三聯(lián)供系統(tǒng)PER的因素主要有， 發(fā)電機效率hc， 余熱回收率α， 熱量分配系數(shù)θ， 制冷機COP值。

在各影響因素中， 對提高系統(tǒng)PER值影響程度從大到小依次為h c，α， COP，θ。其中， 提高系統(tǒng)的發(fā)電效率對PER值影響最大。

熱電比q為系統(tǒng)所供冷量與電量的比值，則定義如下：

本文以 CCHP系統(tǒng)蓄熱工況試驗為例， 分析系統(tǒng)的一次能源利用率PER及熱電比q。表4為CCHP系統(tǒng)性能參數(shù)表。

表4 CCHP系統(tǒng)性能參數(shù)表

需要指出的是， 溴化鋰機組缸套水閥門只有在高發(fā)溫度超過100 ℃時才會打開，機組才會開始正常運行， 前面機組進出口溫度相同， 沒有負荷， 故沒有制冷量。內(nèi)燃機NOX排放量對發(fā)電效率有很大影響， 降低NOX會減少發(fā)電量， 但會增加煙氣量， 這會提高吸收式溴化鋰機組的制冷效率。

4 問題及解決方案

在調(diào)試過程中， 發(fā)現(xiàn)一些問題， 這里將分析幾個重要問題并提出解決方案。

1） 問題1： 未設(shè)置煙氣流量計， 只能推算煙氣量及發(fā)電機組輸出煙氣熱量。

建議： 應(yīng)完善圖紙， 設(shè)計階段設(shè)置煙氣流量計。

2） 問題2： 缸套水換熱器換熱量不滿足要求。

設(shè)計缸套水循環(huán)的熱側(cè)部分是以水作為介質(zhì)， 實際現(xiàn)場為50%水和 50%乙二醇溶液。導致流體比熱、粘度、 密度等物理性質(zhì)發(fā)生改變， 水—水板換實際換熱量低于設(shè)計值。

采取方法： 對于原水—水板換重新設(shè)計， 改變換熱器內(nèi)部換熱模塊板型， 增加換熱面積， 從而提高設(shè)計溫差。

3） 問題3： 煙氣管路電動閥門內(nèi)漏， 導致余熱流失現(xiàn)場電動閥閥門垂直安裝， 會導致閥板的下垂， 關(guān)閉時不能完全到位， 以至泄露。

采取方法： 在閥體下部， 下閥桿位置增加閥門限位調(diào)整裝置， 該裝置能有效限制閥桿軸向移動， 也可便利調(diào)整上下高度， 并內(nèi)置潤滑軸承， 以免轉(zhuǎn)動過程中阻力過大。

4） 問題 4： 煙氣 - 熱水熱交換器水側(cè)阻力遠遠大于設(shè)計值， 煙氣-熱水熱交換器的換熱量不足。

采取方法： 拆卸煙氣-水換熱器， 重新返廠做水壓試驗和冷態(tài)的水流試驗， 進行阻力驗證， 改造換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 將阻力降低到設(shè)計水平。

5） 問題5： 溴化鋰出口處煙氣倒灌， 增加了制冷模式下煙氣—水板換溫度及制熱模式下溴化鋰機組內(nèi)高發(fā)溫度。

采取方法： 現(xiàn)場在溴化鋰出口處加裝煙氣蝶閥。

建議： 設(shè)計時未考慮此類因素， 導致在制冷模式下煙氣倒灌進煙氣 -熱水換熱器，在制熱模式下煙氣倒灌如溴化鋰機組。應(yīng)在煙氣管路加裝止回閥。

6） 問題6： 發(fā)電機煙氣量不足， 導致溴化鋰機組高發(fā)溫度不滿足設(shè)計要求， 制冷量不滿足設(shè)計要求。

采取方法：現(xiàn)場降低發(fā)電機氮氧化合物排放量，但同時發(fā)電機出力有一定程度降低。

建議： 采用補燃式溴化鋰機組， 在高負荷的夏季采用直燃補燃[6]， 既能滿足設(shè)計煙氣量要求， 也可降低溴化鋰機組的制冷量， 節(jié)約成本。在過渡季節(jié)可直接使用， 滿足部分冷熱負荷。

5 總結(jié)

根據(jù)評價三聯(lián)供性能的各種指標包括系統(tǒng)中單個設(shè)備的評價指標， 進行了三聯(lián)供系統(tǒng)各主要設(shè)備的單機調(diào)試。針對調(diào)試過程中的問題， 提出了針對性的解決辦法和建議， 對以后三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計， 施工和調(diào)試過程具有指導性的重要價值。

三聯(lián)供系統(tǒng)比傳統(tǒng)的方式更具有技術(shù)、經(jīng)濟、 節(jié)能等方面的優(yōu)勢， 但冷熱電三聯(lián)供的系統(tǒng)設(shè)計有一定復雜性， 需要考慮好多方面的因素， 有很多大量細致的工作， 要重視系統(tǒng)容量的選擇， 不同使用階段的實現(xiàn)方法， 這樣既可以達到實際應(yīng)用過程中系統(tǒng)配置和運行方式選擇的最優(yōu)化， 又可以節(jié)約成本， 實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 付林,李輝. 天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2] 馮宇,唐軼. 電能質(zhì)量分析與參數(shù)估計的研究方法綜述電力系統(tǒng)及其自動化學報[J].2010,(6):78-85

[3] GB12325-90電能質(zhì)量 -供電電壓允許偏差[S].1990

[4] GB12326-2000電能質(zhì)量-電壓允許波動和閃變[S].2000

[5] GB/T14549-93電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)頻率諧波[S].1993

[6] 糜華,岳永亮.熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中的問題探討[J].制冷技術(shù),2005,(4):150-155