低碳背景下分布式能源系统.pdf

第二十八卷第二期Vol.28,No.2JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE安徽电气工程职业技术学院学报2023年6 月June 2023低碳背景下分布式能源系统孙卫华，贾学东，张玉波，陈娟娟（山东丽能电力技术股份有限公司，山东高青2摘要：目前，我国农村居民每年冬季约使用2 亿吨标准煤进行取暖，农村供热造成的碳排放问题不容忽视。采用分布式能源系统能够解决北方农村等不具备集中供暖地区的碳排放问题。分布式能源系统综合能源利用率高达8 5%，极大地降低了能源损耗，减少温室气体及碳排放，对实现碳达峰、碳中和具有积极的意义。文章结合燃气内燃机对分布式能源系统如何实现冷热电三位一体的能源使用方式进行简述，论述了分布式能源系统在能源节约、环保效益和经济运行方面的优势，是解决和改善现有能源结构及能源供应的有效途径，是推动“双碳”目标实现的重要手段。关键词：分布式能源；燃气内燃机；低碳排放中图分类号：TM732文献标识码：A256300)文章编号：16 7 2-9 7 0 6(2 0 2 3)0 2-0 0 7 1-0 6Distributed Energy System under Low-Carbon BackgroundSUN Weihua,JIA Xuedong,ZHANG Yubo,CHEN Juanjuan(Shandong Lineng Power Technology Co.,Ltd.,Gaoqing 256300,China)Abstract:At present,rural residents in China use about 200 million tons of standard coal for heating everywinter and the carbon emissions thus caused cannot be ignored.The use of distributed energy system cansolve the problem of carbon emission from energy use in areas without central heating such as rural areas innorthern China.The comprehensive energy utilization rate of distributed energy system is as high as 85%,which greatly reduces energy loss,greenhouse gases and carbon emissions,and has a positive significancefor achieving carbon peaking and carbon neutrality.This paper briefly describes how to achieve the trinityway of using cold,hot and electricity in distributed energy system combined with gas internal combustionengine.It also discusses that the distributed energy system,due to its energy-saving,environmental andeconomic advantages,is an effective way to solve and improve the existing energy structure and energysupply and is key to promote the realization of the two-carbon goal.Key words:distributed energy;gas internal combustion engine;low carbon emission1概述1.1分布式能源系统的总体情况概述分布式能源系统是指系统容量小、地域分散、无条件使用集中能源系统、直接面向用户的小型能源装置。该系统能够有效降低冷热电等能量输送损失，能够为用户提供高品质且超低排放的能源供应服务。该能源供给系统具有规模小、模块化、可靠性高和节能环保的特点，一般布置在距离用户较近的地方。在收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 4作者简介：孙卫华（19 7 8 一），男，山东高青人，高级工程师，主要从事电力工程施工及电力技术的研究工作。71安徽电气工程职业技术学院学报发电的过程中把机组排放产生的高温烟气中的余热进行回收，高温废气余热综合利用，从而实现能源的阶梯综合利用。能源利用率高，可达8 5%以上 1，具有节能效果显著、环保性能好、投资少、收益快和安全可靠性高等优点。热能的梯级综合利用图如图1所示。1.2利用燃气轮机实现分布式能源系统的优势分布式能源相比传统的集中式能源供给系统,具有综合能源利用率高、节能效果好、可靠性高等特点。根据笔者在工作中采集的数据计算得出，大型燃煤发电厂的全厂热效率一般为3 0%40%，而冷热电多联供的综合能源系统，热利用率可达到8 3%9 0%，分布式能源由于设置在用户端所以输能损耗很小，节能性强。作为独立的电源孤岛运行，减少了由于公用电网缺电和故障引发的停电等对用户造成损失，解决了用户的用能可靠性问题，因此可靠性和稳定性强。发电原料可以是天然气、生物质化气等绿色清洁能源，能够实现减排二氧化碳6 0%，减排氮氧化物9 0%，环保效益显著。分布式能源具有能源供应系统集成化、设备系统小型化等特点，运输安装方便快捷，灵活性强。1.3典型分布式能源系统利用小型燃气轮机对附近局部进行分散能源供应是根据冷热负荷确定发电量，以供热发电平衡，实现冷热电三位一体的能源供应系统 2 。针对不同区域用户的不同需求，冷热电三位一体供应系统使用原料的范围广泛，以燃气为主的典型能源供应系统可以使用生物质原料产生的沼气，也可以天然气或液化石油气等。制冷方式多样化，可以选择蒸汽压缩式、吸收式制冷/热泵设备，或者采用其它以热力驱动制冷方式，也可以根据附近能源用户的情况及使用要求来选择分布式能源装置,设备安装在用户现场的三联供装置 3 。2分布式能源系统燃气式成本、利润与投资收益分析2.1发电、制热成本分析根据国家天然气标准的相关规定，一般情况下每立方米的天然气热值为3 1.4MJ，换算成电量大约为8.72kWh。依据能量的梯级利用，大约3 7%的能量用来直接发电，1m天然气的发电量大约为3.2 kW h4 2.2制热制冷成本分析当排放的高温尾气温度达到6 0 时，1m天然气制热（冷）效能约为8.0 8 MJ,折算后相当于2.24kW h电能。2.3高青县大数据中心燃气分布式能源系统及规模高青大数据能源中心建了3 台8 MW燃气机组，相应配套设置了1台45 th-余热锅炉以及1台72第二十八卷第二期燃料高温段中温段低温段环境温度图1热能的梯级综合利用图电能驱动热泵驱动吸收制冷机除湿生活热水排放孙卫华，贾学东，张玉波，陈娟娟：低碳背景下分布式能源系统10MW溴化锂制冷机组。分布式能源系统经济指标如表1所示。表1分布式能源系统经济指标项目能源综合效率/%数据83.403分布式能源系统燃机系统分析3.1燃气发电机组燃气内燃发电机组是以高热值燃气为燃料的点火式机组，综合热效率高是主要优势，热效率受负荷波动影响较小，从满负荷降到5 0%负荷时，内燃发电机组的综合热效率从45%下降到41%左右。其次，内燃发电机机组的启动迅速，一般0.3 min12min即启动成功。3.2余热回收系统分布式能源系统中的燃气机组，输人燃料热值的40%用作了发电，另外大约2 0%通过高温烟气排出，还有大约40%热量通过冷却水等形式散失。所以对高温烟气、缸套水和中冷水中的热量进行回收对提高综合能源利用率至关重要。机组在满负荷运行时，冷却水温度可以达到9 0 以上，进、出水温差约为15 2 0,完全能够满足北方地区的供热需求。3.3溴化锂烟气热水空调系统本系统在制冷时,将设备冷却水及高温烟气送入空调进行制冷。在供暖时，设备冷却水通过换热器进行热水供应，燃气内燃机排放的高温烟气进入空调进行制热。考虑以上因素，同时为提高综合能源的余热利用效率,在使用新分布式能源供应系统的设计中,每台发电机组对应配置一台溴化锂机组，以完全回收利用机组产生的余热3.4分布式能源系统发电模式将分布式能源系统的发电机组并人公用电网系统，实现机组并网运行，但会对电网的电压调节、短路容量、短路保护和电能质量方面产生影响，也影响到电网的可靠性和稳定性。因此必须结合实际情况在系统设计时采取相应的接人方式和保护措施。3.5控制系统分布式能源系统热力系统的设备控制与电气系统的设备控制在一个控制室进行集中控制，这样既方便操作也可以节省运营成本。集中控制系统以操作员站为监控中心，选用DCS分散控制系统。3.5.1控制系统目标在本项目中控制系统的作用是运行管理，实现三大目标：（1）确保机组设备系统安全稳定；（2）系统根据运行工况自行调节设备出力；（3）系统根据负荷的需求进行随时调节，确保设备经济高效运行，排放绿色无污染。一般分布式能源系统的控制系统都具有前两个功能，但运行优化的功能对于实现三联供系统的经济性也非常必要。3.5.2控制系统设计原则要充分体现出冷热电三位一体能源供应系统的要求。不仅能够实现一般设备的自动化控制要求，而且应达到安全性、稳定性和连续性运行的目标。采用先进的控制方式,集中管理控制设备系统，统筹优化供冷、供热和供电以实现能源的供应，达到最优能源系统梯级利用。3.5.3系统功能分布式能源系统运行的有效控制，使所有系统设备处于良好的运行状态，达到最佳的设计工况，确保73热(冷）电比例/%162.30单位投资成本/元8 232收益率/%8.43安徽电气工程职业技术学院学报在最经济状态下，安全、稳定、连续的满足用户侧对冷热电的用能要求。全面管理分布式能源系统，使系统设备在负荷需求不断变化的外部环境下，可以灵活调度运行工况，及时调整系统中设备出力情况，优化运行方式，实现能源供应系统的最佳匹配。综合分析分布式能源系统的效率，延长运行设备的检修周期，从系统的综合能源利用效率、能源消耗和能源使用等方面评价分布式能源系统的节能效果和能源使用情况。3.5.4控制系统范围控制范围包括能源中心内主设备、重要辅机设备、调节系统、运行监控系统和测量仪器仪表等其他设备5。3.5.5控制系统结构分布式能源系统能否实现安全可靠运行，主要依靠对运行数据参数采集的准确性和实时性。通过对相关数据参数的全面精准测量，并应用高速运行数据采集技术，通过A/D转换器实现模拟量到数字量的转换。通过数据收集、分析、处理，计算出各种电量参数和非电量参数进行运行调节控制。主操作站具有运行控制、调度、操作和管理功能。数据服务器具有数据收集、加工、处理和存储功能。3.5.6控制系统运行分布式能源系统是一个典型的冷热电三联供系统。根据系统工艺要求，控制系统一般情况下会设置三种模式：冬季采暖运行、夏季制冷运行和春秋季节进行过渡。余热和标准直燃机需要按运行模式初始化。系统采用自动和手动两种控制方式，自动控制方式下只能进行三联供，手动控制方式下可以选择三联供或者分供方式。3.5.7系统运行控制优化冷热电三联供系统运行时应及时根据用户侧用能负荷变化及时调整设备的出力和运行状态，确保设备运行在最经济状态，实现系统运行效益最大化。在采用常规控制系统基础上，开发优化控制系统，根据设定的运行目标，系统直接发出调整控制信息，系统自动进行优化运行。实现系统综合能源最高利用率，确保能源使用最小化。4?能源站工程设计4.1发电机组的装机合理确定发电机组的装机容量，从系统能源综合利用率最优的角度进行设计