CN105117557B - 一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法 - Google Patents

一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，包括如下步骤：利用目标建筑的建筑CAD图纸在Dest软件中对于目标建筑进行冷热负荷的动态模拟，得到全年冷热负荷需求；计算出制冷和制热平均日负荷，从而计算经济成本与一次能耗；分别对制冷季节和制热季节平均日计算后乘以对应天数计算全年运行能耗及成本情况；对不同方案计算系统性能评价指标，根据性能评价最优来确定最后装机选型结果。本发明选型方法简单快捷，具有较好的准确性，能够较为全面得考虑多方面的因素；可以作为以热定电选型方法的补充；本发明动力装置选型方法不仅适用于楼宇型冷热电联供系统，同样适用于区域型冷热电联供系统。

Description

一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法
技术领域
本发明属于设计能源技术领域，尤其涉及一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法。
背景技术
在资源越来越匮乏的今天，可持续发展早已成为全世界关注的课题。能源问题不止是一个国家国民经济发展的支柱，也是可持续发展的一项重要环节，因此有效的提高能源利用率，减少利用过程中的污染物排放是一项重要任务。传统电力供应由电网垄断，供电、供气、供暖各自规划，有各自的网络，这就会导致工业和建筑的用能需求难以同时及时供应，尤其在夏季或冬季，空调的使用量非常大，民用以电力驱动为主的空调在夏季会造成电网的尖峰负荷，导致城市用电紧张。而在用户端，工业或者建筑中多数高能低用，这就会造成能源利用率低下。
冷热电联供系统分布在用户侧，一般以天然气作为燃料，通过利用燃料在动力装置中的高品质能量做功，并对回收的余热或者热量进行二次利用(冬季用于供暖，夏季利用吸收式制冷机进行制冷，或提供生活热水)，从而对能源梯级利用，有效地提高能源利用率。这样的特点使其在国内外都进行了广泛的推广，在欧洲其发电量在总发电量中已占有一定的比例。一般的冷热电联供系统按照规模可以分为楼宇型分布式供能系统，区域分布式供能系统等，其组件可分为动力装置，制冷装置及制热装置等。
尽管目前已广泛推广冷热电联产技术，但在国内目前成功运行的冷热电联供系统仍然与规划目标有较大差距，无法获得预期的效益，主要原因在于选择机组容量过大导致运行成本过高。上海黄浦中心医院的冷热电联供系统就是由于机组容量选择太大导致运行成本过高，之后停用。因此准确的装机容量对于整个冷热电联供系统能否经济高效得运行有很大的影响。
目前对于分布式能源系统，特别是冷热电联供系统的动力装置的装机选型方法并没有统一的标准。国内外有过以热定电、以电定热等方法，以热定电就是依据供热量来确定发电量，首先满足用热需求，不足的电量向电网购买，在能够上网的情况下多余电量上网。而以电定热就是在系统满足电量需求后，对于不足的热量通过其他方式进行补充。一般来讲，以热定电选型方法具有较高的能源利用率，这样能够初步选择装机容量，但在各项指标计算后不一定是首选方案，同时对于同样的总容量来说，也有多种容量组合方式，不同组合之间也存在着差异。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明提供一种较为方便快捷的在多种动力装置装机方案选择出最为经济高效方案的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，包括如下步骤：
1)、利用目标建筑的建筑CAD图纸在Dest软件中对于目标建筑进行冷热负荷的动态模拟，得到一年8760小时内建筑的逐时冷热负荷需求；
2)、统计全年制冷天数，计算出制冷平均日负荷，在负荷分析的结果中找到最接近平均日负荷的一天，对这一天进行不同装机在变工况下的运行模拟，分别得到这天的逐时供电量、供热量及天然气耗量，从而计算经济成本与一次能耗；
3)、统计全年制热天数，计算出制热平均日负荷，选择最接近制热平均负荷日进行不同装机方式的模拟，计算经济成本与一次能耗；
4)、分别对制冷季节和制热季节平均日计算后乘以对应天数计算全年运行能耗及成本情况；
5)、对不同方案计算系统性能评价指标，根据性能评价最优来确定最后装机选型结果。
上述一次能耗为将消耗的天然气热值换算为标煤耗量，对于三联供系统供应不足的从电网购买的电量通过对电网效率及标煤耗量进行换算，两者之和即为一次能耗。
工作原理：本发明针对目前没有确定的选择方案，提供楼宇型冷热电联供系统动力装置装机容量的方法，利用Dest软件分析楼宇建筑能耗结果，通过对不同季节典型日及平均日的不同需求进行动力装置的选型；如图1所示，空气以进口温度T1进入压气机进行压缩，然后以压气机出口温度T2进入回热器与做完功后透平出口烟气温度T5的高温烟气进行换热，换热后空气温度达到回热器出口温度T3，经过回热的空气进入燃烧室供燃料进行燃烧后产生的燃烧室出口烟气温度T4的高温烟气，高温烟气进入透平内做功后温度和压力降低，随后经过回热器温度降低到燃气轮机的出口烟温T6，从燃气轮机排出进入溴化锂制冷机进行制冷或制热后达到溴化锂制冷机出口温度T7将能量供给给用户，达到能源的梯度利用，有效地提高能源利用率。
所述步骤1)中，对于夏热冬冷的地区，在选取典型夏季制冷季节后，选择需冷量为最大冷负荷日2/3的一天作为典型制冷日，根据该天制冷及用电需求选择一种以上装机方式。
上述装机方式包括：选择一台大容量的装机或选择两台以上小容量的机组或选择一台以上大容量的装机搭配一台以上小容量的机组；如所需负荷为500kW时，大容量装机即为直接选择一台满额500kW容量机组，两台以上小容量机组配合可选择2台容量为50％需求，即250kW机组或4台容量为25％需求，即125kW的机组。同时需要参考市面上是否有这个容量大小的机组再进行调整，一般0-200kw之间的机组有类似的热力特性，200-400kw、400-600kw机组各自有类似的特性，因此大小一般是相对的，没有具体的上下限，主要考虑实际是否有这个容量机组以及选择具有类似热力特性的机组，方便实际运行的操作。
上述装机方式，对于夏热冬冷的地区来讲，夏季制冷需求会远大于冬季制热需求，所以在选型时首先考虑满足夏季制冷需求；在选取典型夏季制冷季节后，为了防止容量选取过大，选择需冷量为最大冷负荷日2/3的一天作为典型制冷日，在确定总的容量下，由于不同容量的动力装置会有不同的热力特性，根据该天制冷及用电需求选择装机方式；不同的选择会对整体的系统性能带来不同的影响。
所述装机方式发电选择微型燃气轮机，制冷及制热选择双效烟气型溴化锂机组，能够有效节省占地面积的同时满足用户冷热电的需求，并减少了余热锅炉等其他设备减少了成本。
所述步骤1)中，Dest软件提供用户的冷热负荷需求，用户需热量/冷量与燃气机轮供热之间关系式为：
Q热＝Q需/COP (1)
式中：Q热：燃气机轮需供热量，Q需：用户需热/冷量，COP：溴化锂制冷机能效比；
在制冷典型日对制冷及用电需求进行分析，选择峰值时刻，根据如下公式：
Q热＝CP·(T6-T7)·G·N (2)
式中：CP:烟气的比热容，T6:燃气轮机的出口烟温，T7:溴化锂制冷机的出口烟温，G:燃气轮机的烟气流量，N:燃气轮机的台数。
上述用户需热量/冷量由溴化锂制冷机提供；燃气机轮供热为回热器出口提供的余热；对溴化锂制冷机来说，制热与制冷的能效比是不同的；燃气轮机的产品参数上都有燃气轮机出口烟温以及烟气流量，可直接参与计算。
所述燃气轮机为同种型号的燃气轮机，在不需要全部开启的情况下，还起到备用机组的作用，同时同种型号的机组控制起来也更方便。
优选，选定具体的燃气轮机型号与台数后，根据厂家提供的变工况曲线，在不同的环境温度下，当微型燃气轮机的出力变化时，排气温度相应的产生变化。排气温度随着燃机功率与大气温度的变化而变化；在负荷变小时，压比降低，效率降低，排气温度将因温比降低的影响大于压比降低的影响而降低；
在燃气轮机运行在50％负荷以上运行时，排气温度与功率的变化关系基本可简化为线性关系，当机组运行在50％负荷以下整体性能会下降15％～25％，因此保持燃气轮机运行在50％负荷以上。
所述步骤5)中，根据选择的机组进行方案选型；对平均日的用能在24小时进行分析，对每小时开启的燃机发电量与供热量进行计算，不足电量从电网买电，不足的热量则通过电制冷提供，对每日供热与发电量总值乘以平均日对应天数，得到全年供能量，并进行经济性与节能性指标计算，对二者赋予相同权重作为评价指标，选择具有最优评价指标的装机方案；
经济性指标CE计算式：
CE＝Cg·M+Wb·CD (3)
式中：M:天然气耗量，Cg：天然气单价，Wb：从电网购电量，CD：电价；
节能性指标CS计算：
我国电网效率大约为93％，全国发电的平均标煤耗量为327g/KWh，标煤热值为29306KJ/Kg；
CS＝Hg·M/HC+Wb/ηn·Ca (4)
式中：Hg：天然气热值，HC：标煤热值，ηn：电网效率，Ca：全国发电的平均标煤耗量；
综合评价指标J为：
J＝0.5·CE/CES+0.5·CS/CSS (5)
式中：CES为分产系统经济性指标，CSS为分产系统节能性指标；
综合评价指标越低则体现出更优的系统性能。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：本发明所使用的方法简单快捷，且具有较好的准确性，为整个系统设计提供参考；使用了兼顾经济性和节能性的系统性能评价指标，能够较为全面得考虑多方面的因素；选择的选型方式不完全是以热定电，可以作为以热定电选型方法的补充；本发明提出的动力装置选型方法不仅适用于楼宇型冷热电联供系统，同样适用于区域型冷热电联供系统。
附图说明
图1为本发明楼宇型冷热电联供系统的系统流程图；
图2为本发明通过对实施例1中建筑的建筑图纸在Dest软件中建模后得到的该建筑全年冷热负荷；
图3为本发明实施例1中夏季典型日用能情况；
图4为本发明实施例1中夏季平均日用能情况；
图5为本发明实施例1中冬季平均日用能情况；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-5所示，一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，包括如下步骤：
1)、利用目标建筑的建筑CAD图纸在Dest软件中对于目标建筑进行冷热负荷的动态模拟，得到一年8760小时内建筑的逐时冷热负荷需求；对于夏热冬冷的地区来讲，夏季制冷需求会远大于冬季制热需求，所以在选型时首先考虑满足夏季制冷需求；在选取典型夏季制冷季节后，选择需冷量为最大冷负荷日2/3的一天作为典型制冷日，根据该天制冷及用电需求，选择一台以上大容量的装机搭配一台以上小容量的机组的装机方式；装机方式发电选择微型燃气轮机，制冷及制热选择双效烟气型溴化锂机组；根据Dest软件提供的用户的冷热负荷需求，用户需热量/冷量与燃气机轮供热之间关系式为：
Q热＝Q需/COP (1)
式中：Q热：燃气机轮需供热量，Q需：用户需热/冷量，COP：溴化锂制冷机能效比；
在制冷典型日对制冷及用电需求进行分析，选择峰值时刻，根据如下公式：
Q热＝CP·(T6-T7)·G·N (2)
式中：CP:烟气的比热容，T6:燃气轮机的出口烟温，T7:溴化锂制冷机的出口烟温，G:燃气轮机的烟气流量，N:燃气轮机的台数
2)、统计全年制冷天数，计算出制冷平均日负荷，在负荷分析的结果中找到最接近平均日负荷的一天，对这一天进行不同装机在变工况下的运行模拟，分别得到这天的逐时供电量、供热量及天然气耗量，从而计算经济成本与一次能耗；
3)、统计全年制热天数，计算出制热平均日负荷，选择最接近制热平均负荷日进行不同装机方式的模拟，计算经济成本与一次能耗；
4)、分别对制冷季节和制热季节平均日计算后乘以对应天数计算全年运行能耗及成本情况；
5)、对不同方案计算系统性能评价指标，根据性能评价最优来确定最后装机选型结果。
选定具体的燃气轮机型号与台数后，根据厂家提供的变工况曲线，在不同的环境温度下，当微型燃气轮机的出力变化时，排气温度相应的产生变化。排气温度随着燃机功率与大气温度的变化而变化；在负荷变小时，压比降低，效率降低，排气温度将因温比降低的影响大于压比降低的影响而降低；
在燃气轮机运行在50％负荷以上运行时，排气温度与功率的变化关系基本可简化为线性关系，当机组运行在50％负荷以下整体性能会下降15％～25％，因此保持燃气轮机运行在50％负荷以上。
根据选择的机组进行方案选型；对平均日的用能在24小时进行分析，对每小时开启的燃机发电量与供热量进行计算，不足电量从电网买电，不足的热量则通过电制冷提供，对每日供热与发电量总值乘以平均日对应天数，得到全年供能量，并进行经济性与节能性指标计算，对二者赋予相同权重作为评价指标，选择具有最优评价指标的装机方案；
经济性指标CE计算式：
CE＝Cg·M+Wb·CD (3)
式中：M:天然气耗量，Cg：天然气单价，Wb：从电网购电量，CD：电价；
节能性指标CS计算：
我国电网效率大约为93％，全国发电的平均标煤耗量为327g/KWh，标煤热值为29306KJ/Kg；
CS＝Hg·M/HC+Wb/ηn·Ca (4)
式中：Hg：天然气热值，HC：标煤热值，ηn：电网效率，Ca：全国发电的平均标煤耗量；
综合评价指标J为：
J＝0.5·CE/CES+0.5·CS/CSS (5)
式中：CES为分产系统经济性指标，CSS为分产系统节能性指标；
综合评价指标越低则体现出更优的系统性能。
对于某典型“夏热冬冷”地区的一栋6层共5300平米的办公建筑来说，主要具有电力和空调冷热负荷的需求；如图2所示，通过对其建筑图纸在Dest软件中建模后得到其冷热负荷。
夏季制冷负荷明显高于冬季制热，所以仅考虑满足夏季负荷的装机自然能满足冬季制热需求。夏季制冷峰值将近每小时800kW，典型日选择8月16日，每小时用能也在600-700kW。对于夏热冬冷地区，选定6-10月为主要制冷季节，平均每天用能为781.29kW，选择最接近平均日用能日7月4日，实际当天用能为807.1kW。而制热季节选在12-3月，平均每天用能为435.35kW。制热最接近制热平均用能日为2月13日，实际当天用能为475.07kW。4,5,11月作为过渡季节，不开启冷热电联供系统，全部需求从电网购买。计算时制冷季共153天，制热季121天，过渡季节91天。
如图3所示，典型日最大冷负荷为541.54kW，电负荷最大为150kW，以热定电选择对应动力装置时，按照容量大小应选择微型燃气轮机，
目前有Capstone公司30kW燃气轮机、65kW燃气轮机及宝曼80kW带有回热型机组可供选择；按照具体容量分别可以选择五台30kW机组、三台65kW机组和两台宝曼GT80机组，天然气热值按35.5MJ/Nm3(8484大卡/Nm3)计算；Capstone机组情况如下表：
宝曼GT80机组参数如下：
烟气吸收性溴化锂机组均选择烟气出口温度为170摄氏度，制冷COP为1.33，冬季制热COP为0.863的双效溴化锂机组。
分别对三种选型方法在制冷季节与制热季节平均日进行变工况运行分析，夏季、冬季平均日用能情况如图4、图5所示；
对于三种装机方案用能如下：
在夏季与冬季平均日不同方案用能情况如附表1、附表2所示：
附表1 冬季平均日不同方案用能情况
附表2 夏季平均日不同方案用能情况
不同方案全年用能情况如下，天然气价格按每立方米1.4元计算，商业办公楼电价按1元/kWh计算：
分产系统
采用分产系统则需向电网一年购电63.94875万kWh，一次能耗为224852kg
五台C30燃气轮机：
夏季平均每天需从电网购电295.14kWh，天然气耗量为616.20m3，冬季平均每天需从电网购电131.41kWh，利用44.037kWh电补充不足热量，天然气耗量为462.15m3，全年天然气总耗量为150198.75m3，电网总购电66385.87kWh
CE＝27.6664万元，CS＝205737.3kg，J＝0.6738
三台C65燃气轮机：
夏季平均每天需从电网购电5.14kWh，天然气耗量为653.06m3，冬季平均每天需从电网购电11.41kWh，利用124.83kWh电补充不足热量，天然气耗量为695.23m3，全年天然气总耗量为184041.01m3电网总购电17270.25kWh
CE＝27.4927万元，CS＝229564.27kg，J＝0.7254
两台宝曼GT80燃气轮机：
夏季平均每天需从电网购电35.14kWh，利用64.463kWh电补充不足热量，天然气耗量为923.16m3，冬季平均每天需从电网购电51.41kWh，利用9.975kWh电补充不足热量，天然气耗量为749.62m3，全年天然气总耗量为231947.5m3电网总购电22667.31kWh
CE＝34.7393万元，CS＝289637.51kg，J＝0.9157
从评价指标来看，选择五台C30燃气轮机能达到较好的经济性和节能性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)、利用目标建筑的建筑CAD图纸在Dest软件中对于目标建筑进行冷热负荷的动态模拟，得到一年8760小时内建筑的逐时冷热负荷需求；
2)、统计全年制冷天数，计算出制冷平均日负荷，在负荷分析的结果中找到最接近平均日负荷的一天，对这一天进行不同装机在变工况下的运行模拟，分别得到这天的逐时供电量、供热量及天然气耗量，从而计算经济成本与一次能耗；
3)、统计全年制热天数，计算出制热平均日负荷，选择最接近制热平均负荷日进行不同装机方式的模拟，计算经济成本与一次能耗；
4)、分别对制冷季节和制热季节平均日计算后乘以对应天数计算全年运行能耗及成本情况；
5)、对不同方案计算系统性能评价指标，根据性能评价最优来确定最后装机选型结果；根据选择的机组进行方案选型；对平均日的用能在24小时进行分析，对每小时开启的燃机发电量与供热量进行计算，不足电量从电网买电，不足的热量则通过电制冷提供，对每日供热与发电量总值乘以平均日对应天数，得到全年供能量，并进行经济性与节能性指标计算，对二者赋予相同权重作为评价指标，选择具有最优评价指标的装机方案；
经济性指标CE计算式：
CE＝Cg·M+Wb·CD (3)
式中：M：天然气耗量，Cg：天然气单价，Wb：从电网购电量，CD：电价；
节能性指标CS计算：
我国电网效率在此处计算时取93％，全国发电的平均标煤耗量为327g/KWh，标煤热值为29306KJ/Kg；
Cs＝Hg·M/Hc+Wb/ηn·Ca (4)
式中：Hg：天然气热值，Hc：标煤热值，ηn：电网效率，Ca：全国发电的平均标煤耗量；
综合评价指标J为：
J＝0.5·CE/CES+0.5·CS/CSS (5)
式中：CES为分产系统经济性指标，CSS为分产系统节能性指标。
2.如权利要求1所述的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：所述步骤1)中，对于夏热冬冷的地区，在选取典型夏季制冷季节后，选择需冷量为最大冷负荷日2/3的一天作为典型制冷日，根据该天制冷及用电需求选择装机方式。
3.如权利要求2所述的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：所述装机方式发电选择微型燃气轮机，制冷及制热选择双效烟气型溴化锂机组。
4.如权利要求1-3任意一项所述的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：所述步骤1)中，Dest软件提供用户的冷热负荷需求，用户需热量/冷量与燃气机轮供热之间关系式为：
Q热＝Q需/COP (1)
式中：Q热：燃气机轮需供热量，Q需：用户需热/冷量，COP：溴化锂制冷机能效比；
在制冷典型日对制冷及用电需求进行分析，选择峰值时刻，根据如下公式：
Q热＝CP·(T6-T7)·G·N (2)
式中：CP:烟气的比热容，T6:燃气轮机的出口烟温，T7:溴化锂制冷机的出口烟温，G:燃气轮机的烟气流量，N:燃气轮机的台数。
5.如权利要求4所述的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：所述燃气轮机为同种型号的燃气轮机。
6.如权利要求4所述的楼宇型冷热电联供系统动力装置选型方法，其特征在于：选定具体的燃气轮机型号与台数后，根据厂家提供的变工况曲线，在不同的环境温度下，当微型燃气轮机的出力变化时，排气温度相应的产生变化；排气温度随着燃机功率与大气温度的变化而变化；在负荷变小时，压比降低，效率降低，排气温度将因温比降低的影响大于压比降低的影响而降低；
在燃气轮机运行在50％负荷以上运行时，排气温度与功率的变化关系可简化为线性关系，当机组运行在50％负荷以下整体性能会下降15％～25％，因此保持燃气轮机运行在50％负荷以上。
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