分布式能源系统配置优化

郭洪宾，于惠钧，申 广

(湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

0 引言

近年来以美国、欧洲国家为首的西方各国都出现过大面积停电事故，如2003年布鲁克林大桥大停电和2007年欧洲大停电。电网的脆弱或电力策略的失衡都会导致巨大的经济损失，严重影响正常工作生活秩序[1]。我国也出现过停电事故，如2008年雪灾对南方地区的电网设备造成了巨大的破坏，严重影响了工业和农业的发展，对居民生活造成了严重干扰。因此，传统的集中式能源系统存在的弊端已经成为亟待解决的能源问题之一。

目前，各国正在大力发展的分布式能源系统是针对集中式能源供电方式的全新一代能源系统(第二代能源系统)，是利用洁净能源(燃气)、生物质能和新型氢能源等作为一次能源[2]，再加上相应的热力设备或电力设备和制冷机组，构成一个能够提供冷、热、电的小型自给自足的能源系统，并最终分布在终端用户的附近。

我国已经颁布了相关的政策，鼓励分布式能源的发展，国家发展和改革委员会颁布的《关于发展天然气分布式能源的指导意见》、由国务院颁布的《分布式发电管理暂行办法》等[3]。一些大型的分布式能源系统集成工程也取得了较大的成就，如长沙黄花国际集成冷热电多联供能源站-航空民用型，新奥热力分布式能源项目工业园供热型等。但是我国在理论方面的研究发展还不够成熟，研究的问题普遍具有一定的局限性，有关的政策、法规、标准还不是十分完善。

1 分布式能源系统组成及能量分析

分布式能源系统的类型多种多样，除了以天然气为一次能源的冷热电三联产系统外，还包括由太阳能发电、风能发电、燃料电池发电以及地热能发电等结合而成的综合能源利用系统。但分布式能源系统的内部设备结构大致都相同，可分为：发电设备(内燃机、燃气轮机)、余热回收设备(对能源系统过程中产生的中温燃气余热的热量进行回收)、调节装置(调节机组的蒸汽参数)等[4]。

以燃气为主的分布式能源系统的一般结构形式如图1所示。燃气进入发电设备后产生电能进入城市电网中，同时吸收式制冷机组会对燃气经过发电机后产生的尾气余热进行回收利用，可用于夏季制冷和冬季供热。

图1 燃气分布式能源系统结构原理图Fig.1 Schematic diagram of gas distributed energy system structure

分布式能源系统能够充分利用能量梯级利用的原则，在满足电能供应的基本要求下，夏季利用电制冷装置或吸收式溴化锂制冷机组向用户供冷，冬季利用设备产生的热量供暖，利用余热换热管道来实现全年提供生活热水的功能[5]。

1.1 以内燃机为核心的技术方案

内燃机型余热利用系统结构如图2所示[6]，该系统由内燃机组、发电机、吸收式制冷机组和冷却水热回收系统所组成。系统的余热回收包括回收内燃机组中的全部热量，还能提高内燃机的效率以及延长内燃机的寿命。本方案可同时用于夏季制冷和冬季取暖。

图2 内燃机型余热利用系统Fig.2 Internal combustion engine type waste heat utilization system

1.2 以燃气轮机为核心的技术方案

燃气轮机型分布式能源系统通常由发电机系统、燃气轮机机组、烟气余热回收装置、吸收式制冷机组、余热供热系统、辅助燃气系统装置组成[7]。其结构形式有如下2种：

(1) 燃气轮机+余热锅炉+(备用锅炉)+蒸汽型吸收式制冷机，其结构如图3所示。燃气首先进入燃气轮机中产生高温蒸汽带动发电机转子转动，大部分燃气一次能量则可用于冬季供暖；当进入吸收式制冷机组模式时，可用于夏季制冷。备用锅炉的加入，可以使主燃气轮机不工作时，直接利用补燃气体来辅助整个燃气能源系统的小规模运行，起到了安全备用的作用[8]。该方案的系统机构较为复杂，在余热锅炉的基础上又增加了备用锅炉，且各装置之间管网联系密切，明显增加了系统的构建和维护成本；但备用锅炉的投入明显能保障整个系统的稳定运行，若智能化协调好各装置管网之间的关系，整个系统的运行效率也会大大提高。因此这个系统常用于发电容量大、蒸汽需求量高的工程场所，如产业园区、机场等。

图3 燃气轮机+余热锅炉+(备用锅炉)+蒸汽型吸收式制冷机Fig.3 Gas turbine+waste heat boiler+(spare boiler)+steam absorption chiller

(2) 燃气轮机+补燃型吸收式冷暖机(直燃型)，其结构如图4所示。与图3类似，燃气首先进入燃气轮机中产生高温蒸汽带动发电机转子转动，大部分燃气能源转化为电力进入城市电网中。还有一部分中温燃气直接导入烟气溴化锂吸收型冷热水机组中，同样可起到夏季制冷、冬季取暖以及全年获得生活热水的目的。与图3的装置一样，当主燃气轮机不工作时，补燃气体可进入吸收型冷热水机组中，辅助系统的局部运行[9]。

图4 燃气轮机十补燃型吸收式冷暖机(直燃型)Fig.4 Gasturbine and complementary combustion type heating and cooling(direct-fired type)

该方案没有传统方案中的余热锅炉，燃气直接转化为电力进入城市电网中。还有一部分中温燃气进入余热锅炉后在进行二次余热利用，当进入冷却水热交换器模式时，备用蒸汽锅炉系统，从而明显降低了系统的建造、运行和维护成本，显著提高了效率。此外，系统连接更加简单合理，用于对生活中热水需求量不高的场所。

2 两种配置方式的参数分析

分别针对“以电定热”和“以热定电”这2种配置方式建立计算模型[10]，令系统一次能源利用率Pe，系统的热电比为Hp1，系统的冷电比为Hp2，余热锅炉效率η1=0.8，补燃锅炉的效率η2=0.937 5，内燃机的发电效率ηe=0.3，内燃机的功率为Pd，电制冷机的制冷系数为Co1=5.0, 吸收式制冷机组的制冷系数为Co2=1.2，内燃机的发电效率ηh=0.6。

2.1 “以热定电”配置方式参数分析

现假设系统产生的电量为Pg，而用户的电负荷为P0，在春秋冬三季工况下，系统一次能源利用率Pe1，当系统输出的电量大于用户需求，即Pg≥P0，则系统的Pe1值为

参照《中国2型糖尿病防治指南》中提出的周围神经病变诊断标准进行诊断，对比有无周围神经病变对象的心电图检查自主神经功能指标。同时将以上指标，与正中神经、尺神经运动神经传导速度（MCV）、感觉神经传导速度(SCV）进行相关性分析。

(1)

当系统输出的电量小于用户需求，即Pg

(2)

综合式(1)(2)可得出在春秋冬三季工况下，系统一次能源利用率Pe1与热电比Hp1之间的关系为

(3)

在夏季工况下，系统的一次能源利用率为Pe2，Pe2与系统产生的电量之间的关系，即为Pe2与Hp2、Hp1之间的关系[11]。为便于对比分析不同季节工况，现假定冷电比为定值Hp2=1.2，则Pe2与Hp1之间的关系为

(4)

夏季工况和春秋冬三季工况下，系统一次能源利用率与热电比的关系如图5所示。

图5 “以热定电”方式下夏季工况和春秋冬三季工况的Hp1与Pe关系曲线Fig.5 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining electricity by heat’

由图5可知：

(1) 分布式能源系统的一次能源利用率随着热电比的增大，呈现出先增加后减小的趋势。当实际工况下的Hp1值大于最佳热电比时，系统的Pe值会随着Hp1值的增大而减小，此时系统产生的总供暖量大于用户的需求，从而降低系统的一次能源利用率；同理，当实际工况下的Hp1值小于最佳热电比时，系统的Pe值会随着Hp1值的增大而增大，但仍小于Pemax值，因为此时系统需要从城市电网中获取电量以满足用户的需求。

(2) 系统的最佳热电比会随着运行工况的改变而变化。一般而言，燃气分布式能源系统夏季工况的最佳热电比较春、秋和冬季的最佳热电比小。但是，夏季工况的最佳热电比对应的Pemax值比春秋冬三季的最佳热电比对应Pemax值大[12]。

2.2 “以电定热”配置方式参数分析

现假设系统产生的电量为Plw，用户所需的热量为P1，系统产生的电量为Pg，在春秋冬三季工况下系统一次能源利用率Pe1，系统产生的总能量为Pn。当系统产生的电量高于用户需求的热量时，即Plw≥P1则系统的Pe1值为

(5)

当系统产生的电量小于用户需求的热量时，即Plw

(6)

在公式(5)(6)中，令未加补燃锅炉时原系统的热电比为k=Plw/pg=1.2则满足k<η1η2/ηe-1，春秋冬三季工况的函数关系为单调递增：

(7)

在夏季工况下，系统一次能源利用率为Pe2，计算出系统一次能源利用率Pe2与系统产生的冷热量之间的关系，即Pe2与Hp2、Hp1之间的关系。为便于不同季节工况的对比分析，现令未加补燃锅炉时原系统的热电比为k=Plw/pg=1.2，未加补燃锅炉时原系统的效率为ηk，同时可假设未加电制冷机原系统的冷电比为PlwCo2/pg=k=1.2满足

(8)

此时函数y单调递增[14]，且此时系统的Hp2=1.4。故只考虑Pe2与热电比之间关系为

(9)

夏季工况和春秋冬三季工况下，系统一次能源利用率与热电比的关系如图6所示。

图6 “以电定热”方式下夏季工况和春秋冬三季工况的Hp1与Pe关系曲线Fig.6 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining heat by electricity’

由图6可知：

(1) “以电定热”的模式下，夏季的一次能源节约率的均值明显高于春秋冬三季一次能源节约率的均值。在春秋冬三季，随着热电比的增加，一次能源利用率增加，当热电比增加到某一定点附近，一次能源利用率的增加趋势平缓，系统输出的能量能满足用户需求，此点即为最佳冷热电比。正是因为这一点当热电比继续增大，系统输出热量不足时，可以利用补燃锅炉来弥补欠缺的热量，但是会导致系统对一次能源燃气的消耗增加，系统的Pe值增加趋势变缓，同理对于夏季，随着热电比的增大，系统的一次能源利用率逐渐呈现出先增大后减小的发展趋势。

(2) 由图表可知由于整个系统的原始冷电比k、原始热电比k及机组相关参数都处于假设的理想定值，导致当增大热力设备的效率时，在夏季状况下，一次能源利用率可能会超过100%，但图6(a)的关系曲线仍能反映出一次能源利用率随着热电比增大与变小的变化趋势。并且系统处在不同的运行工况时，其最佳热电比是不同的。无论系统处在什么季节中运行热力设备的发电效率越高，其最佳热电比反而降低。

(3) 当热电比一定时，热力设备的发电效率越高，其Pe值越大，故当系统采用“以电定热”的配置方式时，常采用发电效率高的热力机组[15]。

3 结论

(1) 在夏季,若系统采用“以热定电”的配置方式，当系统的热电比Hp1在0.5左右时，系统的一次能源利用率Pe最高；在夏季，若系统采用以电定热”的配置方式，当内燃机发电效率为ηe=0.4，系统的热电比Hp1在0.5左右时，系统的一次能源利用率Pe最高；当内燃机发电效率为ηe=0.3，系统的热电比Hp1在1.2左右时，系统的一次能源利用率Pe最高；能够对分布式能源系统的节能性起到一定的建议作用。

(2) “以热定电”和“以电定热”是分布式能源系统常用到的2种配置运行方式，都从不同的需求点出发去解决用户负荷与电厂供给的矛盾。结果表明，在“以热定电”模型中，当系统发出的电量大于用户负荷时，无论处于什么季节，系统的一次能源利用率都和系统的冷热电比成反比关系;当系统输出的电量不能满足用户负荷时，无论处于什么季节，系统的一次能源节约率都和系统的冷热电比成正比关系。在“以电定热”模型中，当系统的输出的冷热量大于用户需求时，无论处于什么季节，系统的一次能源节约率都和系统的冷热电比成正比关系，当系统的输出的冷热量大于用户需求时，系统的一次能源利用率都和系统的冷热电比之间的关系与系统内部结构参数有关。

(3) 对“以热定电”和“以电定热”的数学模型进行参数化分析，此时选取的是双效嗅化锉制冷机组，可明显得到夏季的平均一次能源利用率高于春、秋、冬季的平均一次能源利用率，此外内燃机发电效率的提高也能明显改善全年的平均一次能源利用率。