【干货】分布式热电联产系统规划设计理念与方法探析-第3页-北极星火力发电网

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1)设备选型。

原动机选型主要基于用户特性,特别是用户规模和负荷特性。一般而言,对于工业用户或区域供热供冷系统等大规模设施可选用燃气轮机,对独立建筑等小规模设施,燃气内燃机则较为适用[5]。同时,还可根据用户侧热电协同特性(如,平均热电比,热电比频率分布等)选择与之匹配的原动机类型。例如,燃气内燃机热电比较低,而燃气轮机热电比相对较高。此外,针对终端负荷类型,若热负荷以蒸汽为主,则可优先考虑燃气轮机;若热负荷以供热、供冷为主,则可优先选用燃气内燃机。

2)容量设定。

原动机容量设定是设备选型配置过程中的难点之一。根据设定方法的理论性和可操作性差异,大致可分为经验法、半经验法和优化方法3大类。

所谓经验法,是根据实际工程经验确定的,可使得系统获得较好运行效果的容量范围,一般以电、热负荷峰值的比例表示。根据国家规程,对于并网运行系统,原动机容量应根据基本电负荷曲线确定,同时要满足年平均能源综合利用率要求(不低于70%);这是一种相对保守、可靠的设计方法。实际规划过程中,对于一般公共建筑,可按照设计电负荷的20%~50%选择容量,全年负荷较稳定者取上限,负荷波动较大者取下限;对于数据中心等特殊功能用户,则可适当突破上述容量限制[5]。此外,考虑到原动机在部分负荷下效率会大幅降低,对于MW级以上系统建议采用多台机组并联,从而可以通过台数控制提高设备稼动率。

所谓半经验法,是建立在一定的理论分析基础上,同时又相对简单的容量设定方法,比较典型有所谓的“最大矩形法”。如图2所示,该方法可以简单地通过绘制负荷(电或热)持续曲线,以几何方法确定。具体而言,以负荷持续曲线上任意一点与圆点为对角线,均可与横坐标和纵坐标构成一个矩形;以全年逐时负荷延续曲线为例,便可形成8760个矩形。在所有矩形中,选取面积最大者(如图中OACB),其纵坐标所对应数值即为所确定的原动机容量(电或热)[15]。该方法所依据的基本原理是确保系统在额定功率运行时供能总量最大,是综合考虑系统供能率和稼动率的折中决策。

图2 基于“最大矩形法”的容量设定示意图

Fig. 2 Image of size determination based on maximum rectangle method

总体而言,前述经验和半经验方法大多以用户负荷为基本立足点,考虑的侧重点主要是系统的节能效果。然而,DCHP系统的实施除要考虑其物理边界,还有必要理清其与外界影响边界(经济和环境影响)、政策边界(能源、环境政策等)间的关系。不同层次边界的存在凸显出DCHP系统规划设计问题的复杂性。针对此问题,以优化为核心的系统工程方法得到广泛应用[16-17]。

3)工艺流程设计。

在DCHP系统中,原动机与余热利用设备一般要求一对一设置。由于余热可以用于供热、供冷和供热水等多种用途,有必要确定其优先顺序。根据热力学第二定律和能量梯级利用原理,热量应从高温向低温顺次使用,为此,可按热水、供暖和供冷的顺序确定热量流。但是,在工艺流程设计时,考虑到余热利用设备的上下游位置布局,则应首先将余热送到吸收式制冷机(以确保其性能系数),其回水再送至换热器进行利用。

此外,在工艺流程设计过程中甚至还可以打破DCHP系统热电并供的基本框架,通过辅以电动热泵,形成所谓的双源型供热系统[18]。即使原动机选型、配置与系统工艺流程设计较为合理,但由于用户侧负荷具有很大的不确定性,为了平衡供需矛盾,有必要引入适当的缓冲机制,而蓄热装置则是最佳选择[19]。

3.3 运行策略设定方法

1)常规运行策略。

“以热定电”和“以电定热”是DCHP系统所采取的最基本运行模式。所谓“以电定热”,是指DCHP系统根据电负荷变化调节发电量,余热产出与用户热需求之间的匹配只能被动调节;“以热定电”则相反[20]。如图3所示,无论采取哪一种模式,针对用户电力和热力需求,均可能产生供能不足或余剩情形;就DCHP系统的节能本质而言,很难说哪一种是完全合理的运行模式。此外,如前所述,由于电力和热力间相互转换的可能性,电热供需间存在复杂的关联性;上述2种运行模式很难在确保节能性的同时,理顺复杂的电热供求关系。考虑到上述2种模式在合理性和灵活性上的不足,可以考虑将2种模式结合形成所谓的“混合型模式”,也就是在确保不产生余能(电或热)的同时,实现本地产能最大化[21]。

图3 “以热定电”和“以电定热”模式示意图

Fig. 3 Image of heat-tracking and electricity-tracking operating modes

在我国,考虑到热能的合理利用是决定DCHP系统性能的关键所在,相关规程均要求按“以热定电”模式运行。然而,在此模式下,有可能产生余剩电力,而我国目前相关政策对“余电上网”还未全面放开,这是矛盾所在。一方面,随着政策的缓和,该矛盾可望得到有效解决;另一方面,也可以通过“电力直供”将多余产能在临近区域内消化,但这也依赖于政策革新。此外,就技术层面而言,前述混合型运行模式也不失为一种有效解决方案。

2)考虑大电网影响的运行策略。

作为常规大规模集中供电系统的替代产品,DCHP系统运行策略的设定有必要充分考虑其与大电网的关系。根据DCHP系统对大电网产生的可能影响,其运行模式大致可归纳为以下6类(参见附图2)。

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