多能源互補的分布式供能系統專(zhuān)題五：系統集成技術(shù)

分布式冷熱電聯(lián)供系統（以下稱(chēng)CCHP系統）作為一種由動(dòng)力、余熱利用及蓄能等多個(gè)子系統集成構成的復雜系統，目前尚處于快速發(fā)展的階段，正在得到逐步深入的研究。CCHP系統的構成特點(diǎn)是輸入與輸出的能源形式以及內部的構成形式均具有顯著(zhù)的多樣性。它是由多種形式的熱力過(guò)程和多個(gè)供能系統所集成的總能系統，其內部相對獨立的各個(gè)熱力子系統之間存在大量的能量、物質(zhì)傳遞和交換過(guò)程。它的總體性能不僅與各子系統的具體形式和性能參數有關(guān)，更為重要的是還取決于系統構成流程形式以及各子系統間的熱力參數匹配情況。在CCHP系統的設計、優(yōu)化和運行過(guò)程中涉及到兩種類(lèi)型工況，即設計工況和變工況，且兩者存在本質(zhì)差異。在聯(lián)產(chǎn)系統的配置和優(yōu)化過(guò)程中，對兩種工況都需要關(guān)注。CCHP系統集成要綜合考慮上述諸多復雜因素，不斷豐富和完善，形成系統集成優(yōu)化的理論體系?；谀艿奶菁壚?、不同形式能量間的互補和全工況運行等原理，本文介紹CCHP系統集成優(yōu)化的理論框架，其中包括能的綜合梯級利用，能源、資源與環(huán)境的綜合互補，以及基于全工況特性的系統集成等CCHP系統的集成優(yōu)化思路及措施。

1．基于能的綜合梯級利用的系統集成

（1）熱能品位對口，梯級利用

CCHP系統中，通常高品位的熱能多來(lái)自于化石燃料燃燒。而中、低品位的熱能主要來(lái)自于聯(lián)產(chǎn)系統上游某熱力子系統的輸出，但有時(shí)也可能來(lái)自于聯(lián)產(chǎn)系統相關(guān)外界的可再生能源系統或外界環(huán)境。因此，在利用中溫和低溫熱能時(shí)，需要對用戶(hù)的需求以及各個(gè)熱力子系統的功能進(jìn)行仔細分析。動(dòng)力子系統的輸出為高品位的電，因而對輸入熱能的品位要求很高。對于吸收式制冷機和吸收式熱泵而言，需要的熱源溫度則更低一些，如雙效溴化鋰吸收式制冷機要求熱源溫度在120℃左右。而用戶(hù)需要的生活熱水和供暖所需熱量的溫度只需60℃左右。由此可見(jiàn)，燃料燃燒產(chǎn)生的高熱量應優(yōu)先用于提供給動(dòng)力子系統，做功發(fā)電，經(jīng)過(guò)這一級利用后，再為吸收循環(huán)提供熱源，驅動(dòng)制冷或熱泵，溫度進(jìn)一步降低后，再通過(guò)簡(jiǎn)單換熱生產(chǎn)熱水。經(jīng)過(guò)上述若干級熱能利用后，動(dòng)力子系統排氣中余熱的品位大幅度降低，可利用的數量也大幅度減少，利用價(jià)值顯著(zhù)下降，無(wú)利用意義的余熱最后將被直接排向環(huán)境。

（2）正循環(huán)與逆循環(huán)耦合

分布式聯(lián)產(chǎn)系統常常是由多個(gè)循環(huán)集成得到的總能系統。聯(lián)產(chǎn)系統所采用的循環(huán)基本上可分為兩大類(lèi)，即正循環(huán)和逆循環(huán)。動(dòng)力子系統的功能在于輸出電，目前普遍采用的傳統熱轉功系統屬于正循環(huán)。制冷子系統通常利用動(dòng)力子系統的余熱驅動(dòng)的吸收式制冷循環(huán)，輸出低于環(huán)境溫度的冷量，屬于逆循環(huán)。在CCHP系統中，正是通過(guò)正循環(huán)和逆循環(huán)的耦合來(lái)實(shí)現冷熱電的多能源供應。正逆循環(huán)耦合的關(guān)鍵在于兩循環(huán)之間能量傳遞與轉換利用時(shí)，量與質(zhì)同時(shí)優(yōu)化匹配，以最大程度降低能量轉換利用過(guò)程的損失。通常，動(dòng)力正循環(huán)和制冷逆循環(huán)運行的溫度區間分別位于環(huán)境狀態(tài)以上和以下，兩者具有多方面的互補性。在此基礎上，將動(dòng)力系統與制冷系統進(jìn)行系統集成，構成正逆耦合循環(huán)，即制冷系統的高溫換熱器充當動(dòng)力系統的低溫熱源，而動(dòng)力系統的排熱充當制冷系統的高溫驅動(dòng)熱源，兩種系統的有效整合可大幅度提高聯(lián)產(chǎn)系統的性能。

（3）熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合

高溫燃料電池等新型動(dòng)力系統，采用的不是傳統意義上的熱力循環(huán)。若把它們和傳統熱力循環(huán)耦合，則可以充分體現燃料的化學(xué)能與物理能綜合梯級利用，將可以達到更高的能源利用率。燃料電池可以單獨作為聯(lián)產(chǎn)系統的動(dòng)力子系統，也可以與傳統熱機（如燃氣輪機、內燃機等）共同構成復合動(dòng)力子系統。單獨作為動(dòng)力子系統時(shí)，燃料的化學(xué)能在燃料電池中直接轉換為電，未轉化部分可在余熱鍋爐、余熱型機組等熱量回收裝置中通過(guò)二次燃燒轉化為熱能，然后與來(lái)自燃料電池的高溫熱能混合，再到制冷子系統、供熱子系統對其進(jìn)行梯級利用。在由復合動(dòng)力子系統驅動(dòng)的聯(lián)產(chǎn)系統中，未被燃料電池有效利用的化學(xué)能在后面流程的熱機中燃燒轉化為熱能，再與上游的高溫熱能混合共同進(jìn)行熱功轉換，最后用于制冷、供熱。與傳統熱機構成的聯(lián)產(chǎn)系統相比，這種熱力循環(huán)與非熱力循環(huán)耦合的聯(lián)產(chǎn)系統增加了對化學(xué)能的直接利用，降低了燃料利用過(guò)程中的品位損失。

（4）中低溫熱能與燃料轉換反應集成

在CCHP系統集成時(shí)，可利用合適的熱化學(xué)反應（例如重整或熱解）對燃料進(jìn)行預處理，而且該過(guò)程可與尾部的熱力系統整合在一起。對燃料進(jìn)行的熱化學(xué)預處理，可將較低品位的熱能轉化為合成氣燃料的化學(xué)能，以合成氣燃料的形式儲存，然后通過(guò)合適的熱機實(shí)現其熱轉功。燃料化學(xué)能，如甲烷或甲醇的化學(xué)能可以通過(guò)水蒸氣重整反應轉化為氫氣的化學(xué)能，將反應吸收的熱能轉變?yōu)楹铣蓺馊剂系幕瘜W(xué)能。上述過(guò)程在使熱能品位得到大幅提升的同時(shí)，還使燃料更清潔、更易于利用，同時(shí)熱值也得到增加。這種集成方式顯著(zhù)提高了整個(gè)聯(lián)產(chǎn)系統的熱力學(xué)性能，同時(shí)為高效利用太陽(yáng)能或系統中的中溫和低溫余熱提供了新途徑。

2. 能源、資源與環(huán)境的綜合互補

（1）多能源互補

可再生能源具有分布廣、能量密度低、不穩定、無(wú)污染等特點(diǎn)，而化石能源則具有分布不均勻、能的品位高、可連續供應、有污染等特點(diǎn)。因此，太陽(yáng)能、地熱能、生物質(zhì)能等可再生能源與化石能源有很強的互補性，可再生能源在CCHP系統中有廣泛的應用前景，化石燃料與可再生能源形成互補的CCHP系統。通過(guò)太陽(yáng)能與化石燃料的互補，提供合適溫度的熱能，既可以減少化石能源的消耗量，又可以使集熱器具有較高的集熱效率。由于地質(zhì)條件的差異，根據不同地區可以提供的地熱能溫度，將地熱能導入聯(lián)產(chǎn)系統。生物質(zhì)能與化石燃料也可一起構成雙燃料系統，通過(guò)生物質(zhì)的氣化或直接燃燒利用，可以減少聯(lián)產(chǎn)系統對化石燃料的消耗。

（2）燃料能源與環(huán)境能源整合

CCHP系統與外界存在物質(zhì)和能量的交換，而它的中溫和低溫熱能利用子系統與外界進(jìn)行的交換主要是熱能交換。在進(jìn)行系統設計配置時(shí)，應根據當地具體的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境條件，盡可能結合周?chē)沫h(huán)境熱源進(jìn)行統籌安排。環(huán)境熱源通常是指系統附近的環(huán)境水熱源和空氣熱源。用吸收式熱泵替代簡(jiǎn)單的余熱鍋爐，使環(huán)境熱源的溫度提升到可以利用的水平，大幅度提高中品位熱能的利用效果。也可以有效利用環(huán)境作為冷阱，起到改善聯(lián)產(chǎn)系統效率的作用。城市中水和污水溫度相對空氣溫度較高，而且較地表水穩定，具有比較好的可用性。

3. 基于全工況特性的聯(lián)產(chǎn)系統集成原則

變工況一般會(huì )使聯(lián)產(chǎn)系統的性能降低，而偏離設計工況越遠，聯(lián)產(chǎn)系統性能下降得越明顯。為了緩解變工況運行對聯(lián)產(chǎn)系統性能的負面影響，應在聯(lián)產(chǎn)系統集成時(shí)考慮基于全工況特性的系統集成原則與必要的相應措施。

（1）輸出能量比例可調的集成措施

CCHP系統面向的是小范圍的用戶(hù)，其冷、熱、電負荷通常存在較強的動(dòng)態(tài)性，相應聯(lián)產(chǎn)系統輸出需要進(jìn)行調整?？梢愿鶕脩?hù)能源需求的變化情況，采取措施調節不同子系統的能源輸入量，進(jìn)而控制不同子系統的輸出，使系統的輸出可以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，則聯(lián)產(chǎn)系統的全工況性能將得到明顯改善。例如采用燃氣輪機注蒸汽（STIG）技術(shù)將余熱產(chǎn)生的蒸汽部分返回到燃氣輪機中做功，通過(guò)改變回注蒸汽量來(lái)調節系統冷熱負荷與電負荷之間的比例，進(jìn)而改善聯(lián)產(chǎn)系統的全工況性能。也可以采用可調回熱循環(huán)的聯(lián)產(chǎn)系統集成措施?？烧{回熱循環(huán)燃氣輪機透平出口的高溫燃氣分成兩股，一股燃氣進(jìn)入回熱器，回收熱能用于預熱壓氣機出口的空氣；另一股燃氣被直接引到回熱器的燃氣出口側，與回熱器出口的燃氣重新混合，然后共同進(jìn)入余熱鍋爐。最后，系統尾部的余熱鍋爐回收排氣中的余熱，用于供熱或制冷?？筛鶕脩?hù)的需求對通過(guò)回熱器的煙氣量進(jìn)行調整，能增強聯(lián)產(chǎn)系統的負荷應變能力，大大改善系統的全工況性能。

（2）采用蓄能調節手段的聯(lián)產(chǎn)系統集成

一般說(shuō)來(lái)，小型供能系統在能量供應和需求之間通常存在差異。產(chǎn)生差異的情況可分為兩種，一種是由能量需求變化引起的，即存在高峰負荷問(wèn)題，使用蓄能系統可以在負荷超出供應時(shí)，起到調節或者緩沖的作用；另一種是由供應側引起的，外界的供應量超過(guò)需求量時(shí)。蓄能系統就擔負著(zhù)保持能量供應均衡的任務(wù)。蓄能不但可以削減能量輸出量的負荷高峰，還可以填補輸出量的負荷低谷。在CCHP系統中配置的蓄能系統的作用還可以強化?？梢岳眯钅軐?shí)現平衡峰谷和增效節能雙重目的。通常，應對用戶(hù)側的部分負荷需求時(shí)，供能設備效率會(huì )明顯下降。但是，機組若能與蓄能設備配合，可以確保機組始終在高效率的額定工況下運行，多出的輸出儲存于蓄能裝置中，而在用戶(hù)側的尖峰負荷時(shí)，蓄能裝置釋放出蓄存的能量。因此，集成蓄能的CCHP系統既能滿(mǎn)足負荷動(dòng)態(tài)變化，又能保持聯(lián)產(chǎn)系統全工況高效運行，是一種“主動(dòng)”型能源轉換與利用模式。

（3）系統配置與運行優(yōu)化的系統集成

為適應用戶(hù)負荷的變化，CCHP系統通常使用常規分產(chǎn)系統作為補充，合理整合兩種系統有利于提高用戶(hù)能量供應的可靠性，但需要仔細考慮系統的容量和運行方式。為此，可以采用多種系統配置與運行優(yōu)化模式。

1）多個(gè)獨立小規模聯(lián)產(chǎn)系統的優(yōu)化組合

當用戶(hù)的需求開(kāi)始下降時(shí)，各個(gè)獨立的小系統可以依次降負荷，直至全部停運，也就是說(shuō)，能夠始終保證同一時(shí)間內最多只有一個(gè)獨立系統處于部分負荷狀態(tài)，而其他投運的系統均處于滿(mǎn)負荷狀態(tài)，可以有效地改善整個(gè)能量供應系統的性能。

2）部分常規系統與聯(lián)產(chǎn)系統的優(yōu)化整合

當用戶(hù)負荷需求與聯(lián)產(chǎn)系統的設計工況偏差較小時(shí)，分產(chǎn)系統可以不運行；在偏差較大時(shí)，聯(lián)產(chǎn)系統單獨運行效率不高，則在滿(mǎn)足聯(lián)產(chǎn)系統高效運行前提下，采用分產(chǎn)系統或分產(chǎn)、聯(lián)產(chǎn)系統聯(lián)合運行，使整個(gè)能源供應系統的全工況性能盡可能達到最佳配置。

3）與網(wǎng)電配合的優(yōu)化運行模式

通過(guò)優(yōu)化配合，既可以降低聯(lián)產(chǎn)系統的容量，節省建設成本，也可以有效利用常規系統的資源，減少整個(gè)系統的運行成本，同時(shí)還可以通過(guò)聯(lián)產(chǎn)系統調峰作用，改善常規電力系統的性能。

4. 結語(yǔ)

到目前為止，CCHP系統的集成水平可概括為三個(gè)層次：第一層次代表了聯(lián)產(chǎn)系統發(fā)展初期的水平，主要是實(shí)現了常規動(dòng)力技術(shù)與余熱利用技術(shù)的簡(jiǎn)單集成，但存在余熱利用不充分、吸收式制冷系統的補燃量過(guò)大、電壓縮式系統的份額過(guò)大等問(wèn)題，相對節能率在5%～10%；第二個(gè)層次的相對節能率達到10%～20%，主要是由于動(dòng)力與中溫余熱利用構成了較好的梯級利用，目前實(shí)施的多數CCHP系統可以達到這一水平；第三個(gè)層次仍處于發(fā)展中，它仔細考慮用戶(hù)不同冷、熱需求的具體要求，采用最佳的優(yōu)化控制方式使每種需求均得到滿(mǎn)足，用戶(hù)的需求與系統的供應緊密耦合，系統的集成程度顯著(zhù)增加，能的梯級利用程度進(jìn)一步深化。第三代系統的相對節能率將達到20%～30%，是CCHP系統的發(fā)展方向。因此，系統集成是新一代CCHP系統的關(guān)鍵技術(shù)。

作者：分布式供能與可再生能源實(shí)驗室 隋軍