熱泵在燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用

摘 要

摘要：介紹了某生態(tài)園燃氣冷熱電聯(lián)供能源站的技術方案。采用水源熱泵利用夜間城市電網(wǎng)低谷電進行蓄冷、蓄熱，白天用于供冷、供熱，延長了燃氣發(fā)電機組的運行時間，降低了運行成本，提
摘要：介紹了某生態(tài)園燃氣冷熱電聯(lián)供能源站的技術方案。采用水源熱泵利用夜間城市電網(wǎng)低谷電進行蓄冷、蓄熱，白天用于供冷、供熱，延長了燃氣發(fā)電機組的運行時間，降低了運行成本，提高了供冷、供熱的安全可靠性。
關鍵詞：燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；燃氣發(fā)電機組；熱泵
Application of Heat Pump in Gas-fired Combined Cooling，Heating and Power System
YANG Jie，WANG Zheng，LIANG Yongjian，BAI Liying
Abstract：The technical scheme of gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)systern applied in an ecological garden is introduced.Heat and cold generated by valley electricity from electric network are stored by water-source heat pump at night and supplied as complements in the daytime.Thus，the running time of the gas-fired electricity generator is extended，the cost is reduced，and the safety of heat and cold supply is improved.
Key words：gas-fired combined cooling，heating and power(CCHP)system；gas-fired electricity generator；heat pump
1 工程概況
    隨著《中華人民共和國節(jié)約能源法》的修訂實施，國家對節(jié)能工作提出了更高的要求。降低建筑能耗是節(jié)能工作的一項重要任務，為提高能源綜合利用率，燃氣冷熱電聯(lián)供技術受到高度關注[1～6]，行業(yè)標準CJJ 145—2010《燃氣冷熱電三聯(lián)供工程技術規(guī)程》自2011年3月1日起實施。北京市自1999年以來開始著手進行燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的調研和工程試點工作，先后有燃氣集團指揮調度中心、文津國際大廈、北京會議中心9號樓、京豐賓館、蟹島綠色生態(tài)園等多項燃氣冷熱電聯(lián)供工程實施。
    蟹島綠色生態(tài)園位于北京市朝陽區(qū)金盞鄉(xiāng)機場輔路中段南側，距首都國際機場7km，集種植、養(yǎng)殖、餐飲、住宿、娛樂、會議接待為一體。為滿足生態(tài)園游泳館、會議樓、文化中心、俱樂部及賓館(總建筑面積為9.2×104m2)的冷熱負荷(設計總冷負荷為12588kW，設計總熱負荷為9027kW)，并考慮生態(tài)園用電需求，在生態(tài)園人工湖畔建設燃氣冷熱電聯(lián)供能源站。能源站于2009年底竣工，2010年1月成功投入運行，是世界銀行“北京環(huán)境二期項目”中“高效燃氣能源技術推廣的技術支持”子項目的示范工程。目前，能源站由北京蟹島集團公司管理。
2 能源站技術方案
2.1 系統(tǒng)流程
    能源站主要設備見表1。能源站優(yōu)先利用1360kW燃氣發(fā)電機組(采用燃氣內燃機)發(fā)電余熱(煙氣、缸套冷卻水)通過煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機組(以下簡稱溴化鋰機組)供應冷量、熱量。燃氣發(fā)電機組出口煙道以及冷卻水管道上分別安裝調節(jié)閥，根據(jù)負荷變化情況，調節(jié)煙氣、冷卻水流量。燃氣鍋爐房作為生活熱水和供熱系統(tǒng)的備用熱源。燃氣發(fā)電機組設有備用冷卻系統(tǒng)，冷卻水源為蟹島人工湖水，人工湖水同時作為熱泵機組冷熱源。
表1 能源站主要設備
名稱
主要技術參數(shù)
數(shù)量/臺
燃氣發(fā)電機組
發(fā)電功率為1360kW
2
發(fā)電功率為360kW
2
溴化鋰機組
制冷能力為1740kW，制熱能力為1400kW
2
熱泵
制冷能力為1590kW，制熱能力為2050kW
6
燃氣鍋爐
熱功率為4.2MW
1
熱功率為2.8MW
1
    能源站設1路10kV高壓進線，燃氣發(fā)電機組經(jīng)2臺容量為2000kVA變壓器升壓后分別接入10kV配電母線與市電并網(wǎng)運行，每臺變壓器各接入1臺1360kW及1臺360kW燃氣發(fā)電機組。燃氣發(fā)電機組采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式(或獨立運行方式)，在10kV進線側設有逆功率保護裝置，防止向城市電網(wǎng)送電。燃氣發(fā)電機組發(fā)電在生態(tài)園范圍內使用，除能源站設備用電外，用于生態(tài)園的為外供電量，不足部分由城市電網(wǎng)補充。為充分利用城市電網(wǎng)低谷時段電，并考慮夜間冷熱負荷較低，通常夜間燃氣發(fā)電機組不工作，熱泵利用城市電網(wǎng)低谷電進行蓄冷、蓄熱，蓄冷熱裝置采用共用方式。能源站系統(tǒng)流程見圖1。

2.2 生活熱水流程
    360kW燃氣發(fā)電機組只用于發(fā)電和制備生活熱水，其內置換熱器，利用余熱制備生活熱水，與現(xiàn)有太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合供應生活熱水，不足部分由燃氣鍋爐房補充。由于生活熱水負荷波動較大，因此設置了生活熱水儲罐，以保證燃氣發(fā)電機組余熱的充分利用。當生活熱水負荷較低時，將利用余熱制備的生活熱水儲存在生活熱水儲罐中，避免了燃氣發(fā)電機組余熱的浪費。
2.3 供冷供熱流程
    ① 夏季供冷
在白天，利用1360kW燃氣發(fā)電機組余熱通過溴化鋰機組供冷，并開啟蓄冷裝置進行供冷，不足部分由熱泵補充。
在夜間，城市電網(wǎng)低谷電價時段，熱泵利用人工湖水作為熱源通過蓄冷裝置蓄冷，燃氣發(fā)電機組不開啟。系統(tǒng)不單獨設置熱泵機組制備空蒯系統(tǒng)冷水，而是將空調系統(tǒng)冷水與蓄冷裝置換熱后向空調系統(tǒng)末端供冷，這樣簡化了系統(tǒng)流程，熱泵機組之間能互為備用。
    ② 冬季供熱
    在白天，利用1360kW燃氣發(fā)電機組發(fā)電余熱通過溴化鋰機組供熱，熱泵利用蓄熱裝置作為熱源供熱，而不再采用人工湖水作為冷源。
在夜間，城市電網(wǎng)低谷電價時段，熱泵利用人工湖水作為冷源通過蓄熱裝置蓄熱，燃氣發(fā)電機組不開啟?？照{系統(tǒng)熱水同樣來自蓄熱裝置，不單獨設置熱泵機組制備空調系統(tǒng)熱水。對于嚴寒期，夜間無法采用人工湖水作為熱泵冷源蓄熱時，全天采用燃氣鍋爐房供熱。
3 熱泵應用特點分析
    蟹島能源站采用熱泵配合蓄冷、蓄熱裝置供冷、供熱，在技術經(jīng)濟方面具有以下特點。
    ① 延長燃氣發(fā)電機組運行時間
    燃氣發(fā)電機組是燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中造價最高的設備之一，為充分發(fā)揮其作用，必須保證燃氣發(fā)電機組達到一定的運行時間。有資料顯示，燃氣冷熱電聯(lián)供項目應保證燃氣發(fā)電機組年運行時間達到3500h甚至4000h以上。因此，準確的負荷分析和合理的燃氣發(fā)電機組容量選擇是燃氣冷熱電聯(lián)供項目成功的關鍵。該項目燃氣發(fā)電機組的年滿負荷運行時間為3830h。若不采用熱泵機組，而采用電制冷機+燃氣鍋爐房供應冷熱量。因發(fā)電機追蹤負荷情況運行，當電負荷不高時，發(fā)電機不能滿負荷運行。在本工程中，夏季采用電制冷機和熱泵組同樣為電制冷，發(fā)電機夏季運行工況不變。冬季若不使用熱泵機組而使用燃氣鍋爐供熱，實際用電負荷減小，導致發(fā)電機負載下降，滿負荷運行時間縮短。燃氣發(fā)電機組年滿負荷運行時間將縮短至3260h。
   ② 提高項目經(jīng)濟效益
   燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)除了在提高能源綜合利用率、節(jié)能、環(huán)保等方面的貢獻較大以外，還可創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。能源站采用熱泵配合蓄冷熱裝置供應冷熱量，對比采用電制冷機+燃氣鍋爐房的方式，能源站的主要技術數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，若不采用熱泵配合蓄冷熱裝置，冬季燃氣發(fā)電機組開機時間縮短，余熱減少，不足熱量全部由燃氣鍋爐供應。對于能源站運行成本，雖然燃氣發(fā)電機組耗氣量減少，但供熱耗氣量增加，年耗氣量增加36×104m3/a，燃氣成本增加。對于能源站收益，若不采用熱泵配合蓄冷熱裝置，由于燃氣發(fā)電機組運行時間縮短，年外供電量減少265×104kW·h/a，能源站收益大幅下降。
表2 采用兩種冷熱源的能源站主要技術數(shù)據(jù)
冷熱源
熱泵+蓄冷熱裝置
電制冷機+燃氣鍋爐房
年發(fā)電量/(kW·h·a-1)
1017×104
865×104
年外供電量/(kW·h·a-1)
705×104
440×104
年耗氣量/(m3·a-1)
314.8×104
350.8×104
能源站年自耗電量(包括城市電網(wǎng)電)/(kW·h·a-1)
618.4×104
473.9×104
③ 提高供能安全性
    能源站在設備配置上，無論冬夏季，都實現(xiàn)了電能和天然氣雙能源供應冷熱量，但熱泵和溴化鋰機組并不是互為備用，而是共同運行滿足冷熱負荷。在實際運行中，冷熱負荷達到最大值只有較短的時間，因此在較長時段內，蟹島能源站可以選擇只用電能或只用燃氣供應冷熱量。既保證了冷熱量供應的安全性，還可根據(jù)電能和天然氣價格的變化隨時調整運行策略，以達到經(jīng)濟效益的最優(yōu)化。
4 結論
    ① 該項目采用燃氣冷熱電聯(lián)供的供能方式，解決了電力供應緊張的問題，具有良好的經(jīng)濟效益。
    ② 采用燃氣發(fā)電機組為熱泵供電，為應用可再生能源提供了更有利的條件。熱泵配合蓄冷熱裝置可以起到延長燃氣發(fā)電機組工作時間、提高能源站經(jīng)濟效益、提高供能安全性等作用。
    ③ 蟹島能源站已投入運行，它的成功實施，提供了燃氣冷熱電聯(lián)供能源站配置新模式，為燃氣冷熱電聯(lián)供項目的發(fā)展起到示范和推動作用。
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(本文作者：楊杰 王崢 梁永健 白麗瑩 北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032)