郭洪賓，于惠鈞，申 廣

(湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

0 引言

近年來以美國、歐洲國家為首的西方各國都出現(xiàn)過大面積停電事故，如2003年布魯克林大橋大停電和2007年歐洲大停電。電網(wǎng)的脆弱或電力策略的失衡都會導致巨大的經(jīng)濟損失，嚴重影響正常工作生活秩序[1]。我國也出現(xiàn)過停電事故，如2008年雪災對南方地區(qū)的電網(wǎng)設備造成了巨大的破壞，嚴重影響了工業(yè)和農業(yè)的發(fā)展，對居民生活造成了嚴重干擾。因此，傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)存在的弊端已經(jīng)成為亟待解決的能源問題之一。

目前，各國正在大力發(fā)展的分布式能源系統(tǒng)是針對集中式能源供電方式的全新一代能源系統(tǒng)(第二代能源系統(tǒng))，是利用潔凈能源(燃氣)、生物質能和新型氫能源等作為一次能源[2]，再加上相應的熱力設備或電力設備和制冷機組，構成一個能夠提供冷、熱、電的小型自給自足的能源系統(tǒng)，并最終分布在終端用戶的附近。

我國已經(jīng)頒布了相關的政策，鼓勵分布式能源的發(fā)展，國家發(fā)展和改革委員會頒布的《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》、由國務院頒布的《分布式發(fā)電管理暫行辦法》等[3]。一些大型的分布式能源系統(tǒng)集成工程也取得了較大的成就，如長沙黃花國際集成冷熱電多聯(lián)供能源站-航空民用型，新奧熱力分布式能源項目工業(yè)園供熱型等。但是我國在理論方面的研究發(fā)展還不夠成熟，研究的問題普遍具有一定的局限性，有關的政策、法規(guī)、標準還不是十分完善。

1 分布式能源系統(tǒng)組成及能量分析

分布式能源系統(tǒng)的類型多種多樣，除了以天然氣為一次能源的冷熱電三聯(lián)產系統(tǒng)外，還包括由太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、燃料電池發(fā)電以及地熱能發(fā)電等結合而成的綜合能源利用系統(tǒng)。但分布式能源系統(tǒng)的內部設備結構大致都相同，可分為：發(fā)電設備(內燃機、燃氣輪機)、余熱回收設備(對能源系統(tǒng)過程中產生的中溫燃氣余熱的熱量進行回收)、調節(jié)裝置(調節(jié)機組的蒸汽參數(shù))等[4]。

以燃氣為主的分布式能源系統(tǒng)的一般結構形式如圖1所示。燃氣進入發(fā)電設備后產生電能進入城市電網(wǎng)中，同時吸收式制冷機組會對燃氣經(jīng)過發(fā)電機后產生的尾氣余熱進行回收利用，可用于夏季制冷和冬季供熱。

圖1 燃氣分布式能源系統(tǒng)結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas distributed energy system structure

分布式能源系統(tǒng)能夠充分利用能量梯級利用的原則，在滿足電能供應的基本要求下，夏季利用電制冷裝置或吸收式溴化鋰制冷機組向用戶供冷，冬季利用設備產生的熱量供暖，利用余熱換熱管道來實現(xiàn)全年提供生活熱水的功能[5]。

1.1 以內燃機為核心的技術方案

內燃機型余熱利用系統(tǒng)結構如圖2所示[6]，該系統(tǒng)由內燃機組、發(fā)電機、吸收式制冷機組和冷卻水熱回收系統(tǒng)所組成。系統(tǒng)的余熱回收包括回收內燃機組中的全部熱量，還能提高內燃機的效率以及延長內燃機的壽命。本方案可同時用于夏季制冷和冬季取暖。

圖2 內燃機型余熱利用系統(tǒng)Fig.2 Internal combustion engine type waste heat utilization system

1.2 以燃氣輪機為核心的技術方案

燃氣輪機型分布式能源系統(tǒng)通常由發(fā)電機系統(tǒng)、燃氣輪機機組、煙氣余熱回收裝置、吸收式制冷機組、余熱供熱系統(tǒng)、輔助燃氣系統(tǒng)裝置組成[7]。其結構形式有如下2種：

(1) 燃氣輪機+余熱鍋爐+(備用鍋爐)+蒸汽型吸收式制冷機，其結構如圖3所示。燃氣首先進入燃氣輪機中產生高溫蒸汽帶動發(fā)電機轉子轉動，大部分燃氣一次能量則可用于冬季供暖；當進入吸收式制冷機組模式時，可用于夏季制冷。備用鍋爐的加入，可以使主燃氣輪機不工作時，直接利用補燃氣體來輔助整個燃氣能源系統(tǒng)的小規(guī)模運行，起到了安全備用的作用[8]。該方案的系統(tǒng)機構較為復雜，在余熱鍋爐的基礎上又增加了備用鍋爐，且各裝置之間管網(wǎng)聯(lián)系密切，明顯增加了系統(tǒng)的構建和維護成本；但備用鍋爐的投入明顯能保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，若智能化協(xié)調好各裝置管網(wǎng)之間的關系，整個系統(tǒng)的運行效率也會大大提高。因此這個系統(tǒng)常用于發(fā)電容量大、蒸汽需求量高的工程場所，如產業(yè)園區(qū)、機場等。

圖3 燃氣輪機+余熱鍋爐+(備用鍋爐)+蒸汽型吸收式制冷機Fig.3 Gas turbine+waste heat boiler+(spare boiler)+steam absorption chiller

(2) 燃氣輪機+補燃型吸收式冷暖機(直燃型)，其結構如圖4所示。與圖3類似，燃氣首先進入燃氣輪機中產生高溫蒸汽帶動發(fā)電機轉子轉動，大部分燃氣能源轉化為電力進入城市電網(wǎng)中。還有一部分中溫燃氣直接導入煙氣溴化鋰吸收型冷熱水機組中，同樣可起到夏季制冷、冬季取暖以及全年獲得生活熱水的目的。與圖3的裝置一樣，當主燃氣輪機不工作時，補燃氣體可進入吸收型冷熱水機組中，輔助系統(tǒng)的局部運行[9]。

圖4 燃氣輪機十補燃型吸收式冷暖機(直燃型)Fig.4 Gasturbine and complementary combustion type heating and cooling(direct-fired type)

該方案沒有傳統(tǒng)方案中的余熱鍋爐，燃氣直接轉化為電力進入城市電網(wǎng)中。還有一部分中溫燃氣進入余熱鍋爐后在進行二次余熱利用，當進入冷卻水熱交換器模式時，備用蒸汽鍋爐系統(tǒng)，從而明顯降低了系統(tǒng)的建造、運行和維護成本，顯著提高了效率。此外，系統(tǒng)連接更加簡單合理，用于對生活中熱水需求量不高的場所。

2 兩種配置方式的參數(shù)分析

分別針對“以電定熱”和“以熱定電”這2種配置方式建立計算模型[10]，令系統(tǒng)一次能源利用率Pe，系統(tǒng)的熱電比為Hp1，系統(tǒng)的冷電比為Hp2，余熱鍋爐效率η1=0.8，補燃鍋爐的效率η2=0.937 5，內燃機的發(fā)電效率ηe=0.3，內燃機的功率為Pd，電制冷機的制冷系數(shù)為Co1=5.0, 吸收式制冷機組的制冷系數(shù)為Co2=1.2，內燃機的發(fā)電效率ηh=0.6。

2.1 “以熱定電”配置方式參數(shù)分析

現(xiàn)假設系統(tǒng)產生的電量為Pg，而用戶的電負荷為P0，在春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率Pe1，當系統(tǒng)輸出的電量大于用戶需求，即Pg≥P0，則系統(tǒng)的Pe1值為

參照《中國2型糖尿病防治指南》中提出的周圍神經(jīng)病變診斷標準進行診斷，對比有無周圍神經(jīng)病變對象的心電圖檢查自主神經(jīng)功能指標。同時將以上指標，與正中神經(jīng)、尺神經(jīng)運動神經(jīng)傳導速度（MCV）、感覺神經(jīng)傳導速度(SCV）進行相關性分析。

(1)

當系統(tǒng)輸出的電量小于用戶需求，即Pg

(2)

綜合式(1)(2)可得出在春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率Pe1與熱電比Hp1之間的關系為

(3)

在夏季工況下，系統(tǒng)的一次能源利用率為Pe2，Pe2與系統(tǒng)產生的電量之間的關系，即為Pe2與Hp2、Hp1之間的關系[11]。為便于對比分析不同季節(jié)工況，現(xiàn)假定冷電比為定值Hp2=1.2，則Pe2與Hp1之間的關系為

(4)

夏季工況和春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率與熱電比的關系如圖5所示。

圖5 “以熱定電”方式下夏季工況和春秋冬三季工況的Hp1與Pe關系曲線Fig.5 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining electricity by heat’

由圖5可知：

(1) 分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用率隨著熱電比的增大，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當實際工況下的Hp1值大于最佳熱電比時，系統(tǒng)的Pe值會隨著Hp1值的增大而減小，此時系統(tǒng)產生的總供暖量大于用戶的需求，從而降低系統(tǒng)的一次能源利用率；同理，當實際工況下的Hp1值小于最佳熱電比時，系統(tǒng)的Pe值會隨著Hp1值的增大而增大，但仍小于Pemax值，因為此時系統(tǒng)需要從城市電網(wǎng)中獲取電量以滿足用戶的需求。

(2) 系統(tǒng)的最佳熱電比會隨著運行工況的改變而變化。一般而言，燃氣分布式能源系統(tǒng)夏季工況的最佳熱電比較春、秋和冬季的最佳熱電比小。但是，夏季工況的最佳熱電比對應的Pemax值比春秋冬三季的最佳熱電比對應Pemax值大[12]。

2.2 “以電定熱”配置方式參數(shù)分析

現(xiàn)假設系統(tǒng)產生的電量為Plw，用戶所需的熱量為P1，系統(tǒng)產生的電量為Pg，在春秋冬三季工況下系統(tǒng)一次能源利用率Pe1，系統(tǒng)產生的總能量為Pn。當系統(tǒng)產生的電量高于用戶需求的熱量時，即Plw≥P1則系統(tǒng)的Pe1值為

(5)

當系統(tǒng)產生的電量小于用戶需求的熱量時，即Plw

(6)

在公式(5)(6)中，令未加補燃鍋爐時原系統(tǒng)的熱電比為k=Plw/pg=1.2則滿足k<η1η2/ηe-1，春秋冬三季工況的函數(shù)關系為單調遞增：

(7)

在夏季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率為Pe2，計算出系統(tǒng)一次能源利用率Pe2與系統(tǒng)產生的冷熱量之間的關系，即Pe2與Hp2、Hp1之間的關系。為便于不同季節(jié)工況的對比分析，現(xiàn)令未加補燃鍋爐時原系統(tǒng)的熱電比為k=Plw/pg=1.2，未加補燃鍋爐時原系統(tǒng)的效率為ηk，同時可假設未加電制冷機原系統(tǒng)的冷電比為PlwCo2/pg=k=1.2滿足

(8)

此時函數(shù)y單調遞增[14]，且此時系統(tǒng)的Hp2=1.4。故只考慮Pe2與熱電比之間關系為

(9)

夏季工況和春秋冬三季工況下，系統(tǒng)一次能源利用率與熱電比的關系如圖6所示。

圖6 “以電定熱”方式下夏季工況和春秋冬三季工況的Hp1與Pe關系曲線Fig.6 Relationship curves between Hp1 and Pe in summer and spring, autumn, winter under ‘determining heat by electricity’

由圖6可知：

(1) “以電定熱”的模式下，夏季的一次能源節(jié)約率的均值明顯高于春秋冬三季一次能源節(jié)約率的均值。在春秋冬三季，隨著熱電比的增加，一次能源利用率增加，當熱電比增加到某一定點附近，一次能源利用率的增加趨勢平緩，系統(tǒng)輸出的能量能滿足用戶需求，此點即為最佳冷熱電比。正是因為這一點當熱電比繼續(xù)增大，系統(tǒng)輸出熱量不足時，可以利用補燃鍋爐來彌補欠缺的熱量，但是會導致系統(tǒng)對一次能源燃氣的消耗增加，系統(tǒng)的Pe值增加趨勢變緩，同理對于夏季，隨著熱電比的增大，系統(tǒng)的一次能源利用率逐漸呈現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展趨勢。

(2) 由圖表可知由于整個系統(tǒng)的原始冷電比k、原始熱電比k及機組相關參數(shù)都處于假設的理想定值，導致當增大熱力設備的效率時，在夏季狀況下，一次能源利用率可能會超過100%，但圖6(a)的關系曲線仍能反映出一次能源利用率隨著熱電比增大與變小的變化趨勢。并且系統(tǒng)處在不同的運行工況時，其最佳熱電比是不同的。無論系統(tǒng)處在什么季節(jié)中運行熱力設備的發(fā)電效率越高，其最佳熱電比反而降低。

(3) 當熱電比一定時，熱力設備的發(fā)電效率越高，其Pe值越大，故當系統(tǒng)采用“以電定熱”的配置方式時，常采用發(fā)電效率高的熱力機組[15]。

3 結論

(1) 在夏季,若系統(tǒng)采用“以熱定電”的配置方式，當系統(tǒng)的熱電比Hp1在0.5左右時，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；在夏季，若系統(tǒng)采用以電定熱”的配置方式，當內燃機發(fā)電效率為ηe=0.4，系統(tǒng)的熱電比Hp1在0.5左右時，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；當內燃機發(fā)電效率為ηe=0.3，系統(tǒng)的熱電比Hp1在1.2左右時，系統(tǒng)的一次能源利用率Pe最高；能夠對分布式能源系統(tǒng)的節(jié)能性起到一定的建議作用。

(2) “以熱定電”和“以電定熱”是分布式能源系統(tǒng)常用到的2種配置運行方式，都從不同的需求點出發(fā)去解決用戶負荷與電廠供給的矛盾。結果表明，在“以熱定電”模型中，當系統(tǒng)發(fā)出的電量大于用戶負荷時，無論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源利用率都和系統(tǒng)的冷熱電比成反比關系;當系統(tǒng)輸出的電量不能滿足用戶負荷時，無論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率都和系統(tǒng)的冷熱電比成正比關系。在“以電定熱”模型中，當系統(tǒng)的輸出的冷熱量大于用戶需求時，無論處于什么季節(jié)，系統(tǒng)的一次能源節(jié)約率都和系統(tǒng)的冷熱電比成正比關系，當系統(tǒng)的輸出的冷熱量大于用戶需求時，系統(tǒng)的一次能源利用率都和系統(tǒng)的冷熱電比之間的關系與系統(tǒng)內部結構參數(shù)有關。

(3) 對“以熱定電”和“以電定熱”的數(shù)學模型進行參數(shù)化分析，此時選取的是雙效嗅化銼制冷機組，可明顯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，此外內燃機發(fā)電效率的提高也能明顯改善全年的平均一次能源利用率。