[電力]熱電冷冰電池聯(lián)合循環(huán)——異步融錯(cuò) 能源系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的夢(mèng)之組合

1、電力熱電冷/冰電池聯(lián)合循環(huán)異步融錯(cuò) 能源系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的夢(mèng)之組合【摘要】燃機(jī)進(jìn)氣冷卻異步融錯(cuò)能源系統(tǒng)：將熱電系統(tǒng)與冰蓄冷（冰電池）組合，實(shí)現(xiàn)能量的互換。將不同的能源需求，在不同的需求時(shí)段，針對(duì)不同的用戶，根據(jù)不同的負(fù)荷特性進(jìn)行異步式融合交錯(cuò)。利用燃?xì)廨啓C(jī)、離心制冷機(jī)組和冰蓄冷的特性將能量進(jìn)行隨機(jī)調(diào)節(jié)，互相轉(zhuǎn)化。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的異步配合，協(xié)調(diào)互補(bǔ)。隨時(shí)將多余電力轉(zhuǎn)換為冰存儲(chǔ)，用存冰應(yīng)對(duì)冷需求的峰谷變化，同時(shí)根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)受到環(huán)境溫度變化的影響甚大的特性，通過(guò)冰水來(lái)預(yù)冷燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣以獲得更大出力來(lái)調(diào)節(jié)電力峰谷的變化，從而達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化、降低綜合系統(tǒng)造價(jià)和節(jié)能的多重目的。關(guān)鍵詞：異步融錯(cuò)分布式能源冰蓄冷冰電池

2、超冷燃機(jī)進(jìn)氣冷卻異步融錯(cuò)能源系統(tǒng)：將熱電系統(tǒng)與冰蓄冷（冰電池）組合，實(shí)現(xiàn)能量的互換。將不同的能源需求，在不同的需求時(shí)段，針對(duì)不同的用戶，根據(jù)不同的負(fù)荷特性進(jìn)行異步式融合交錯(cuò)。利用燃?xì)廨啓C(jī)、離心制冷機(jī)組和冰蓄冷的特性將能量進(jìn)行隨機(jī)調(diào)節(jié)，互相轉(zhuǎn)化。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的異步配合，協(xié)調(diào)互補(bǔ)。隨時(shí)將多余電力轉(zhuǎn)換為冰存儲(chǔ)，用存冰應(yīng)對(duì)冷需求的峰谷變化，同時(shí)根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)受到環(huán)境溫度變化的影響甚大的特性，通過(guò)冰水來(lái)預(yù)冷燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣以獲得更大出力來(lái)調(diào)節(jié)電力峰谷的變化，從而達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化、降低綜合系統(tǒng)造價(jià)和節(jié)能的多重目的。2003 年 11 月，由世界著名超冷技術(shù)公司-美國(guó)璦瑪斯（Imux）公司與中國(guó)分布式能源技術(shù)推廣機(jī)構(gòu)-

3、群鷹公司組合團(tuán)隊(duì)正式提出：將采用熱電冷聯(lián)產(chǎn)與冰蓄冷（冰電池）技術(shù)組合為一能夠異步式協(xié)調(diào)運(yùn)行，具有熱電冷融錯(cuò)能力的分布能源系統(tǒng)來(lái)解決廣州大學(xué)城 18 平方公里內(nèi) 10 所大學(xué) 14 萬(wàn)學(xué)生的制冷、生活熱水、部分電力的綜合供應(yīng)。在分布式能源項(xiàng)目中，熱電冷需求的同步問(wèn)題是一個(gè)非常困擾的問(wèn)題，往往用電高峰與用熱或冷的高峰難以同步，或者過(guò)于同步，從而導(dǎo)致了巨大的需求變化差異與峰谷問(wèn)題，使得系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)。分布式能源系統(tǒng)是在一個(gè)相對(duì)狹小的區(qū)域空間內(nèi)對(duì)能源需求進(jìn)行整合，優(yōu)化空間小，手段有限，導(dǎo)致設(shè)備利用率降低，能源浪費(fèi)增加，最后很難使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)的能源效率與經(jīng)濟(jì)效果。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若按照用電用冷和熱的高峰確定

4、容量，勢(shì)必系統(tǒng)容量太大，全年多數(shù)時(shí)間無(wú)法運(yùn)行；若按照基本負(fù)荷設(shè)計(jì)容量，又必然會(huì)發(fā)生可能是高峰能力不足，低谷能力過(guò)剩。如果不能找到一種手段來(lái)解決分布式能源的同步問(wèn)題，將影響該技術(shù)的健康發(fā)展。筆者曾經(jīng)三度推廣了采用余熱吸收式制冷的分布式三聯(lián)供系統(tǒng)，然而這一系統(tǒng)只能同步進(jìn)行熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱電冷異步調(diào)節(jié)，除非采用直接補(bǔ)燃或再燃才能解決對(duì)冷和熱的正相調(diào)節(jié)問(wèn)題，而負(fù)相調(diào)節(jié)則必須通過(guò)將余熱資源排空浪費(fèi)的辦法才能解決，其節(jié)能性雖然好于熱電冷分產(chǎn)，但經(jīng)濟(jì)效益還是受到不小影響。廣州大學(xué)城今后將有 14 萬(wàn)學(xué)生在此就讀，總?cè)丝谶_(dá)到 30 萬(wàn)人，這樣大的一個(gè)項(xiàng)目用戶使用能源的方式又非常相似，同時(shí)上課，同時(shí)下課

5、，同時(shí)吃飯，同時(shí)睡覺(jué)。無(wú)論是電、熱、冷都會(huì)出現(xiàn)巨大的峰谷差異，如果采用傳統(tǒng)觀念和技術(shù)將根本不可能解決。有專家建議利用大學(xué)城南部江對(duì)岸的一座 5.5 萬(wàn) kW 燃煤熱電廠，建設(shè)一條過(guò)江隧道，將 10bar 蒸汽送入全島，采用溴化鋰吸收式空調(diào)為10 所大學(xué) 800 多萬(wàn)平方米進(jìn)行制冷。然而，所有大學(xué)都會(huì)在 8 點(diǎn)開始上課，8-9 點(diǎn)將可能出現(xiàn)全島制冷高峰，而此時(shí)正好是廣州電網(wǎng)的用電高峰，熱電廠如果并網(wǎng)電廠運(yùn)行，就需要接受廣州地調(diào)指揮。它面臨著必須一邊應(yīng)對(duì)發(fā)電高峰，一邊應(yīng)對(duì)制冷蒸汽需求的蒸汽供應(yīng)高峰。根據(jù)抽凝式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組特性，由于進(jìn)汽通流量限制，當(dāng)抽氣量增加，凝汽量減少時(shí)，發(fā)電量將會(huì)下降。而制

6、冷高峰期過(guò)后，制冷蒸汽需求降低時(shí)，正好也是電網(wǎng)越過(guò)用電高峰進(jìn)入平峰的階段，即便有足夠的蒸汽發(fā)電了，電網(wǎng)也不需要了，因?yàn)閺V州電網(wǎng)的峰谷特性與制冷空調(diào)特性曲線非常吻合，如果采用只能同步的技術(shù)，沒(méi)有蓄能措施將無(wú)法應(yīng)對(duì)這種需求的復(fù)雜變化。若是作為大學(xué)城自備電廠解網(wǎng)運(yùn)行，卻又面對(duì)大學(xué)城自身的電負(fù)荷與冷負(fù)荷同步性差的問(wèn)題，大學(xué)用戶的電力負(fù)荷如果電制冷被集中制冷代替，用電將主要以照明為主，將會(huì)出現(xiàn)當(dāng)日照好時(shí)，需要制冷增加，而照明電力減少的問(wèn)題；而入夜，照明電力達(dá)到高峰時(shí)，因?yàn)闅鉁貢?huì)有所下降，空調(diào)負(fù)荷也會(huì)隨之減少。尤其夜間電力需求將會(huì)變的很低，但空調(diào)負(fù)荷依然會(huì)有。還有一個(gè)問(wèn)題是負(fù)荷變化將會(huì)非常明顯，非常迅速。

7、例如一場(chǎng)暴雨，可能會(huì)使電力負(fù)荷迅速增加，而隨之空調(diào)負(fù)荷又可能迅速下降，燃煤機(jī)組將很難適應(yīng)這種激烈復(fù)雜的變化，即便今后安裝的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組若沒(méi)有一個(gè)有效的緩沖系統(tǒng)，也很難適應(yīng)這種變化多端的負(fù)荷特性。解決上述問(wèn)題首先需要一種技術(shù)將發(fā)電、供熱、制冷分離，解決系統(tǒng)的異步工作問(wèn)題，可以分別使用各種能源的變化，并使三種能源不僅具備獨(dú)立的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)和轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換應(yīng)該是廉價(jià)的。為解決這一問(wèn)題，璦瑪斯與群鷹經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，決定將兩種非常成熟的技術(shù)進(jìn)行銜接-冰蓄冷與燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻增容技術(shù)。經(jīng)過(guò)測(cè)算，系統(tǒng)各種能源的保障容量完全可以異步適應(yīng)大學(xué)城各種復(fù)雜的需求變化。分布式能源站的燃?xì)廨啓C(jī)因而可以保

8、持在一條最佳工況直線下運(yùn)行，達(dá)到最佳的能源效率與最低的排放狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)還不僅于此，它還可以幫助大學(xué)城用戶對(duì)于網(wǎng)電的需求進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以使電網(wǎng)供電變?yōu)橐粭l恒定直線，完全沒(méi)有波動(dòng)，而且可以通過(guò)在固定容量電費(fèi)的條件下，盡量增加利用電量電價(jià)達(dá)到降低綜合電價(jià)的經(jīng)濟(jì)效益。也是因?yàn)榻⒘吮罾湎到y(tǒng)，將可以使用超冷技術(shù)得以應(yīng)用，將 1.1冰水供應(yīng)到全島的每一用戶，解決了一系列的技術(shù)障礙，降低了所有環(huán)節(jié)的建造和運(yùn)行成本。廣州大學(xué)城將要建設(shè)的分布式能源站將采用以澳洲液化天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，但是采用何種形式能源利用技術(shù)的效率更高？技術(shù)更合理？解決能源合理利用的核心因素是中國(guó)科學(xué)

9、院吳仲華院士早就提出的一個(gè)基本原則-“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”。大學(xué)城能源需求主要的種類有電力、制冷冰水、60生活熱水和少量洗衣、消毒用的低品位蒸汽。將燃?xì)廨啓C(jī) 500余熱煙氣用于生產(chǎn) 180 蒸汽制冷和供應(yīng) 60的生活熱水顯然溫度不對(duì)口，肯定會(huì)造成浪費(fèi)。所以，璦瑪斯-群鷹的系統(tǒng)方案采用了利用蒸汽輪機(jī)冷凝水、余熱鍋爐后段廢熱和制冷機(jī)冷卻水余熱的方式供應(yīng)熱水。除此之外，最大限度提高系統(tǒng)的電能和冷能的轉(zhuǎn)換效率。冷效率法是同濟(jì)大學(xué)龍惟定教授最早提出的，是一個(gè)對(duì)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)效率的綜合評(píng)價(jià)方法，它強(qiáng)調(diào)對(duì) 用的利用效率，而不是熱的利用效率，使我們擺脫了顯然不夠合理的熱效率比較法。龍惟定教授的方法是：在同等燃料

10、耗量下，無(wú)論采取那種能源轉(zhuǎn)換方式，最后折算為冷量，誰(shuí)產(chǎn)生的冷量越多，誰(shuí)的效率越高，誰(shuí)的系統(tǒng)就最優(yōu)化。這一評(píng)價(jià)方法尤其對(duì)于以制冷為主的項(xiàng)目最為合適。根據(jù)下表比較，以及廣州大學(xué)城分布式能源站項(xiàng)目的實(shí)際需求分析，采用全電式和離心式熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的效率比吸收式制冷高 10%以上。因此，璦瑪斯-群鷹在大學(xué)城項(xiàng)目中建議采用全電式和離心式混合熱電冷三聯(lián)供方式，并配之冰蓄冷及冰電池系統(tǒng)。冷效率方式比較方式單位蒸汽吸收制冷前置循環(huán)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)蒸汽吸收制冷聯(lián)合循環(huán)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)蒸汽離心制冷前置循環(huán)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)全電離心制冷聯(lián)合循環(huán)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)燃料當(dāng)量kW100100100100發(fā)電效率%33%42%33%50%轉(zhuǎn)換電量

11、kW33423350電制冷效率COP4444轉(zhuǎn)換冷量kW132168132200高位余熱量kW471347轉(zhuǎn)換功當(dāng)量kW18制冷效率COP114余熱制冷量kW471372總制冷量kW179181204200璦瑪斯-群鷹將使制冷機(jī)組與冰蓄冷（冰電池）技術(shù)有機(jī)地融合，采用雙蒸發(fā)器制冷機(jī)組可以制冷水也可以制冰，動(dòng)力源采用電動(dòng)和蒸汽渦輪混合編組，可以利用多余的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)離心機(jī)組制冷，也可以利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪離心機(jī)組制冷。實(shí)際上，蒸汽渦輪離心機(jī)組雖然節(jié)省了發(fā)電環(huán)節(jié)的電能損耗，而且可以與蒸汽發(fā)電機(jī)組共用冷卻塔，卻增加了一臺(tái)機(jī)組與場(chǎng)地的投資，如果不考慮國(guó)家對(duì)于熱電廠的

12、熱電比考核的因素，也是完全可以省略的。當(dāng)然，在其他一些制冷量大而發(fā)電量小的項(xiàng)目中，可以考慮采用余熱鍋爐補(bǔ)燃技術(shù)與蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)離心機(jī)制冷，通過(guò)對(duì)余熱鍋爐補(bǔ)燃，增加蒸汽供應(yīng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)增加制冷量的目的。璦瑪斯擁有一種外溶冰超冷供冷技術(shù)，能夠?yàn)橛脩籼峁?1.1近乎于冰漿的超低溫冷水，保證系統(tǒng)不會(huì)解凍，并可以將這種低溫冷凍水遠(yuǎn)距離輸送，由于該技術(shù)的輸送溫度低和流速快，且輸水管道截面直徑僅為目前中國(guó)和日本常用方式的一半。在廣州大學(xué)城項(xiàng)目中，采用傳統(tǒng)方案需要建設(shè)一對(duì)直徑 1.2 米的冷凍水環(huán)島主管道，而璦瑪司-群鷹組團(tuán)只需要 0.6 米的一對(duì)管道即可。超冷技術(shù)不僅主管道投資大幅度減少，所有的支管網(wǎng)和用戶空調(diào)系

13、統(tǒng)的投資都大量減少。因?yàn)槭堑蜏馗咚佥斃?，所以冷損失極小，幾乎可以忽略不計(jì)。這種超低溫冷凍水，吸收潛熱能力強(qiáng)，除濕效果非常好。用戶使用這種低溫冷凍水制冷供應(yīng)全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，空氣濕度可以從目前的 50-60%，下降到 40%，在達(dá)到同等舒適程度的條件下，至少可以節(jié)能 10%，及減少 10%的冷費(fèi)。低溫冷凍水用途極為廣闊，除制冷外，可以代替大型冷凍箱進(jìn)行食品和藥物的保鮮等等。除此之外，另一個(gè)最重要的效益就是為分布式能源站的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行進(jìn)氣制冷，以提高機(jī)組出力。因?yàn)槠錅囟鹊?，降溫溫差大，降溫系統(tǒng)小，從而投資節(jié)省。美國(guó) Solar 大力神 130 機(jī)組的出力與環(huán)境溫度關(guān)系曲線Availabie

14、Performance對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，環(huán)境溫度直接影響到它的發(fā)電出力和發(fā)電效率，尤其是出力。許多燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠夏季的發(fā)電出力平均損失 20-30%，而夏季正值電力需求的高峰，如果能夠有效修正，等于系統(tǒng)增加 20-30%的發(fā)電容量。如若建立一個(gè)儲(chǔ)冰槽，將夜間低谷的電力轉(zhuǎn)換為冰儲(chǔ)存起來(lái)，在白天用于降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度來(lái)增加處理，無(wú)疑等于建立了一個(gè)蓄電系統(tǒng)，所以有人將其稱之為“冰電池”。以美國(guó)索拉公司大力神 130 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為例，其對(duì)于溫度變化的效率和出力變化差異巨大。美國(guó) Solar 大力神 130 機(jī)組 10-35環(huán)境溫度變化對(duì)出力的影響工況容量(kW)比例效率15ISO 工況131821

15、00%32.78%10工況13704104%33.12%35工況1078482%30.97%10-35工況差292027%2.15%根據(jù)計(jì)算（見下表），要想將一臺(tái) 13MW 的索拉大力神 130 機(jī)組的進(jìn)氣溫度從 35降至 10，需要每小時(shí)對(duì)約 14.5 萬(wàn)立方米空氣進(jìn)行冷卻。美國(guó) Solar 大力神 130 機(jī)組 10-35環(huán)境溫度變化的流量計(jì)算項(xiàng)目名稱單位1035差值出力kW13713107912922燃耗GJ/h149.05125.4423.61效率%33.12%30.97%44.55%煙氣流量kg/h18244215545626986m 3/h14954312742322120空氣流量

16、m 3/h14530512385621448每小時(shí)將 130 機(jī)組進(jìn)氣溫度降低到 10僅需要在夜間低谷時(shí)段消耗 305kWh 的電能，加上這一部分消耗的能量，發(fā)電效率僅下降 0.24%，而每kWh 低谷電可以換取 9.57kWh 高峰電力，其經(jīng)濟(jì)性極為顯著。建造成本與運(yùn)行成本都小于抽水蓄能電站，是一種非常理想的蓄能技術(shù)。美國(guó) Solar 大力神 130 機(jī)組 10-35環(huán)境溫度變化的效率評(píng)估項(xiàng)目名稱單位數(shù)值冷卻空氣量m 3/h145305單位體積空氣冷卻能耗kJ/m 31.21溫差25需要冷量kWh1221制冷 COP4制冷耗電量30510發(fā)電出力kW1371310發(fā)電燃耗kW41403系統(tǒng)總

17、能耗kW41708發(fā)電效率%32.88%發(fā)電效率下降率%0.24%索拉大力神 130 機(jī)組只有 13MW，如果廣州大學(xué)城采用聯(lián)合循環(huán)總裝機(jī)容量 120MW，其中有 84MW 為燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)氣降溫技術(shù)可以在夏季增加出力近 19MW 的電力，如果要維持 6 小時(shí)的頂峰能力，需建立一個(gè)不到 3500 冷噸的冰需冷系統(tǒng)。如果考慮這一系統(tǒng)將可能時(shí)實(shí)時(shí)運(yùn)行-隨時(shí)將多余電力轉(zhuǎn)換冷量收存，并根據(jù)負(fù)荷變化而隨時(shí)又轉(zhuǎn)換成為電力輸出，其系統(tǒng)規(guī)模將可能明顯減少。采用超冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)的澳大利亞達(dá)爾文港海峽島發(fā)電廠璦瑪斯 CEO Tom Brady 先生曾經(jīng)采用其超冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)成功解決了澳大利亞達(dá)爾文港海峽島燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)

18、電廠的處理不足問(wèn)題。該電廠安裝了 5 臺(tái) GE 6B 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)出力為 36MW。但是由于當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度高達(dá)37，燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際出力不足 32MW。采用了璦瑪斯的蓄冰冷卻技術(shù)后，進(jìn)氣溫度降至 9，其高峰時(shí)段的頂峰出力達(dá)到 40MW。全廠燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量增加了25%，等于增加了一臺(tái)同容量的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。照片上白色裝置為進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的單位造價(jià)為 5000 元/kWh 左右，廣東電網(wǎng)的高峰期為 6 小時(shí)，建立一個(gè)能夠每日維持使用 6 小時(shí)的冰蓄冷系統(tǒng)，投資為 6100 美元/冷噸，基本也在 5000 元人民幣左右，與電廠造價(jià)相當(dāng)，但是蓄冰系統(tǒng)可以幫助發(fā)電廠保持負(fù)荷出力穩(wěn)定在最