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燃气冷热电分布式能源系统运行分析及优化

论文编号:lw202004212220599906 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2020年04月23日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇土木工程论文,征分析,并建立了数学模型,提出了进一步优化燃气冷热电分布式能源系统的方式及策略。通过开展以上研究工作,得出的结论如下:1.针对既有项目及装机容量,给出了切实可行的优化实施策略(并针对 4 个典型工况进行了详细说明),发电机大部分时间每天启动 16 小时,并通过减少启机数量、增大单台功率的方式提高实际运行效率。2.国内实际运行的燃气冷热电分布式能源项目中,普遍存在装机偏大、运行期机组利用率低等问题,对项目的运行管理及经济回报造成了很大影响。为了最大限度发挥燃气冷热电分布式系统优势,规避以上问题,在进行负荷预测时,应综合考虑,尽量准确地判断项目的稳定负荷,从而为选择装机提供可靠的参考。


第 1 章  绪论


1.1  研究背景与意义

1.1.1  研究背景

中国经济持续增长,能源形势和能源安全日趋紧张。中国经经济总量已成为世界第二大经济体,与之相对应的,能源消耗已经成为世界第一大消费国。2018 年全年,中国全社会的能源消费总量高达 46.4 亿吨标准煤,同比增  3.3%,增速创  5  年来新高。与欧美、日本等发达国家相比,中国经济的品质还有待提高,目前依然是依靠消耗大量能源资源来支撑整个经济的发展,能源利用效率低、能源结构不合理依然是我们能源领域面临的突出问题。大量化石能源的消耗,不仅造成了生态环境恶化,也对我国能源供应安全造成了影响。

在我国能源消耗中,建筑能耗占比不断提升。中国近 30 年的发展,是以房地产高速发展为基础的经济发展,造成我国建筑能耗在全国总能耗中的占比不断提升。欧美发达国家中建筑能耗占比一般在三分之一以上,我国是后续发展国家,我们在走着欧美国家曾经走过的老路,我国建筑能耗占比逐年增长,我国建筑能耗占比以趋于30%,我国建筑能耗与欧美国家占比日趋接近。中国城镇化还有待进一步发展,城镇化率还有进一步发展空间,随着城镇化率的提高,建筑能耗占比将会进一步提高。

世界范围能源格局发生重大变化,正有化石能源向清洁能源发展,由常规能源向新能源发展,在这一发展过程中,天然气占有重要地位[1]。天然气应用除了民用气消耗之外,更多的是动力和供暖消耗。同时,随着社会发展,天然气发电应用也日益普遍。在天然气发电应用中,天然气联合循环(NGCC)是一种方式[2],天然气冷热电联供(CCHP)是一种方式[3]。NGCC 发电容量从数万千瓦到数十万千瓦不等,发电效率达50%-60%;CCHP 单机容量从数十到上千万瓦不等。

NGCC 和 CCHP 因其高效能将在我国发电综合应用领域得到快速发展。由于人们日常生活离不开对电能的需求,离不开对热能的需求,离不开对冷能的需求,将电、热、冷进行综合生产和应用是非常有益的,不仅会提高能源利用效率,还将极大提高其经济性能,高效灵活的冷热电联供生产方式是建筑能源应用的有益选择[4]。

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1.2  燃气冷热电分布式能源系统在国内外的研究及应用

1.2.1  国外研究与应用情况

国外燃气冷热电分布式能源系统发展得较早,基于模拟计算的装机优化研究也较早。由于国外普遍对于分布式能源发电上网较为开放,同时天然气价及电价的关系较为健康,因此,没有发现对于以发电设备最大利用小时数为目标的研究,主要研究目标集中于经济性的影响及节能性、减排情况(主要为二氧化碳的减排)的影响。

1994 年,Lee[19]等提出了“能量流”的概念,通过对“能量流”的优化,对燃气冷热电分布式能源系统的运行进行优化。 1995 年,Benonysson 等[20]  以运行成本为优化目标,建立了混合整数线性优化模型。

2002 年,Maidment 和 Tozer[21]从动态的角度对内燃机冷热电分布式能源系统进行了分析。

2005 年,Satoshi Gamou 等[22]利用线性规划理论对燃机台数和工况变化进行耦合分析,从而确定系统最佳装机配置。 Katsigiannis 等[23]基于模拟计算建立了分布式供能系统的经济性与节能性评价准则研究,并考虑了分布式系统的排放物对环境的污染,尝试对装机进行优化。Katsuta.M等[24]以某宾馆项目为模拟对象,以二氧化碳最小排放为目标,优化了冷热电分布式能源系统的运行策略。

2006 年,Biezma[25]等分析了 15 种针对联供系统经济性的评价标准,并指出了各自的局限性。

2009 年,Fumo、Mago 等[26.27]等以二氧化碳和能耗为控制目标进行了系统运行策略研究。

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第 2 章  燃气冷热电分布式能源系统基本原理


2.1  基本理论
2.1.1 分布式能源梯级利用系统

分布式能源系统是基于用能安全发展起来的能源利用系统。传统我们使用的是集中式能源供应系统,通过大型电网为城镇供应电力,其最大的安全隐患是,一旦电网受到攻击或破坏,将会造成大范围的停电,对社会造成的影响巨大。分布式能源系统是把能源供应分散化,分区块、分用户设立独立的小型能源供应系统,其具备小型化、模块化、梯级利用的特点,用电用能不会受到彼此的干扰和影响,用电用能更为安全可靠。随着技术的发展,分布式能源利用系统可以充分考虑区域的用能现状,采用能源梯级利用的方式,实现能源的高效利用。

图 2-1  燃气冷热电分布式能源系统基本原理——能源的梯级利用

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2.2  燃气冷热电分布式能源系统的技术模式分析 

燃气冷热电分布式能源系统的技术方案非常多样,有新能源与燃气轮机耦合分布式能源系统,有燃气锅炉与燃气轮机耦合分布式能源系统,有内燃机分布式能源系统,还有独立的燃气轮机分布式能源系统。本文以独立的燃气轮机分布式能源系统为研究对象,对其技术方案加以分析。

燃气轮机分布式能源利用系统主要是利用燃气燃烧形成的高温热源通过能量转换环节用于发电输出,同时可以形成 500℃以上高温烟气,这部分烟气又可以作为热源用于制备蒸汽或用于制冷,实现余热利用,从而提高能源综合利用效率。

燃气轮机有微型、小型和大型机组,额定功率从几十兆瓦到千兆瓦级,燃气轮机应用适用性比较强。

图 2-2  主要动力设备——燃气轮机

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第 3 章  燃气冷热电分布式能源系统负荷特性分析 ................................. 17

3.1  负荷特性分析 .............................. 17

3.1.1 项目主体情况 ...................... 17

3.1.2  电负荷特征 .................... 17

第 4 章  运行分析及优化 .......................... 25

4.1  项目运行情况 ............................ 25

4.1.1 典型运行特征 .......................... 25

4.1.2 运行策略分析 ................................ 25


第 4 章  运行分析及优化


4.1  项目运行情况

4.1.1 典型运行特征

本项研究以某典型酒店用能系统为研究对象,该典型酒店项目建筑总面积为 83486平方米,地上建筑面积为 58690 平方米;地下两层,建筑面积为 25103 平方米,项目建筑总高度 98 米。能源需求主要有电负荷、空调负荷、生活热水负荷、地板采暖负荷、蒸汽负荷。主要功能用房包括客房、餐厅、多功能会议中心等。

根据第三章对负荷特征分析可以知道,根据典型日逐时电负荷在入住率 100%时的夏季典型日电负荷,在日内有较大变化,在早 8 时到晚 21 时处于电负荷高峰期,最大值  2500kW,最小值  400kW。依据以热定电原则,需求初步确定发电机总装机容量约为 2200kW。根据夏季典型日冷负荷曲线分析,入住率 100%时的夏季典型日冷负荷,在日内有较大变化,在早 8 时到晚 21 时处于冷负荷高峰期,在晚 18 时-21 时有一个冷负荷高点,最大值  8300kW,最小值  3400kW。根据冬季典型日热负荷曲线分析,入住率100%时的冬季典型日热负荷,在日内有较大变化,在早 5 时到晚 22 时处于热负荷高峰期,最大值  7200kW,最小值  4300kW。根据典型日生活热水负荷曲线分析,入住率 100%时的典型日生活热水负荷,在日内有较大变化,在早 5 时至 9 时、晚 17 时至晚 22 时处于生活热水负荷高峰期,最大值  4300k W,最小值  2700kW。地板采暖系统热负荷为500kW,由燃气冷热电分布式能源中心供应 55/45℃热水。蒸汽负荷包含两部分即冬季空调供热蒸汽加湿和洗衣房,合计 3.2t/h,供气压力 0.2-1.0MPa。

空调冷热水系统为四管制、单级泵、闭式机械循环系统。其中冷冻水及热水系统均不分区,冷冻水供回水湿度为 6℃-12℃,热水供回水湿度为 60℃-50℃;地面箱射供暖系统按工作压力不大于 0.8MPa,划分为高、低两个区,供、回水温度为 55℃-45℃。

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结论

本文从燃气冷热电分布式能源系统的基本理论入手,结合选取的实际项目进行负荷特征分析,并建立了数学模型,提出了进一步优化燃气冷热电分布式能源系统的方式及策略。通过开展以上研究工作,得出的结论

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