张文鹏
广东大唐国际肇庆热电有限责任公司,广东 肇庆 526105
摘要：一个优化的联产系统应该充分考虑用户负荷需求变化、外部气象条件、能源价格以及联产设备性能，并对能源系统进行优化选择。对燃气轮机热电冷联产系统进行优化设计能够较好地保证其运行效益，如果不能够做到这一点，就可能会导致能源、成本出现消耗的情况，甚至无法发挥系统的真正作用，所以需要对相关问题进行研究，尤其是在国内缺乏相关研究的情况下，必须要填补国内研究的空白。本文分析了燃气轮机热电冷联产系统的优化设计与运行问题。
关键词：燃气轮机；热电冷联产系统；优化设计
能源、环境问题已经日益成为制约我国经济可持续发展的一个瓶颈，分布式冷热电联产系统以它的节能、经济、环保和供能可靠等特性，在我国有着广泛的发展前景。对联产系统的能源用户，特别是对建筑能源用户，其终端负荷需求随季节、昼夜和使用时间呈现多周期的变化规律，因而对联产系统的设计提出了严格的要求。近年来，燃气轮机热电冷联产系统正在国内外得到越来越广泛的应用，为了充分发挥它的作用，必须在优化其运行的基础上合理地确定系统的规模与组成形式。
一、冷热电联供系统
冷热电联供系统（CCHP）是以天然气为燃料，同时具备发 电、供热和制冷（或除湿）功能的能源转换和供应系统，其采用 的动力装置包括内燃机、燃气轮机、斯特林机和燃料电池等。火 力发电效率一般为 30%-40%，内燃机、燃气轮机的发电效率分别 为 35%-41%、20%-50%。CCHP 系统能源利用率高，为 70% 以上， 大型机组可达 80%-90%，最高可达 95%；同时 CCHP 项目还具有 节能减排、供电可靠、调度灵活、能缓解电网压力等优点。
二、分布式冷热电联产面临的问题
随着我国能源、环境问题的日益凸现，我国的分布式冷热电联产系统刚刚起步，其应用、推广和发展还有一段较长的路要走。根据我国分布式冷热电联产系统的发展状况来看，在系统实际的设计和运行过程中，存在以下一些问题：
l、用户终端负荷的准确预测。包括用电、蒸汽、采暖、供冷和生活热水负荷的预测。准确的负荷预测直接决定了系统原动机容量的选择和系统的配置形式。原动机容量选择太小，系统经济性不能得到充分体现；原动机容量选择过大，系统难以高效率运行，投资难以回收。我国已经建设和投入运行的几个项目，在设计阶段由于经验不足，对负荷(特别是电力负荷)估计过大，造成系统无法运行或长期低负荷运行。如上海黄埔医院选用了一台1200kW的燃气轮机，但在实际调试过程中发现终端用电负荷仅仅只有500kW，系统不得不长期闲置。
2、原动机和系统配置形式多样。冷热电联产系统是一个复杂的系统，从原动机分，目前以天然气为燃料的就有微燃机、燃气轮机、内燃机和燃料电池四大类，再进一步深入其内部结构，通过余热锅炉、换热器、汽轮机、制冷机组、进气冷却和蓄能(蓄冷蓄热)装置等各设备之间的组合，仅燃气轮机冷热电联产系统的配置形式就多达十余种。不同的系统具有不同的性能特点，要实现最大的效益，就必须根据终端负荷需求和外部边界条件做出最佳选择，用户单纯依靠经验难以进行抉择。
三、燃气轮机热电冷联产系统的优化设计与运行
1、燃气轮机热电冷联产系统的优化基础。对于燃气轮机热电冷联产系统而言，其主要的燃料为天然气，其优化基础在于不同的燃气轮机热电冷联产系统型式，无论是燃机余热锅炉型还是燃气一蒸汽联合循环型，亦或是开式注蒸汽燃机循环型、闭式注蒸汽燃机循环型都需要包括在其中。
对于闭式注蒸汽燃机循环型而言，其在冬季主要利用供热回水和热泵冷水的方式来冷却湿烟气，之后对所注水分进行回收，降低出现热雾污染的几率，而冷凝锅炉则是指通过冷凝烟气中的相关水蒸汽，以利用其汽化潜热为手段，提高热效率，根据发热量计算，这种形式的热效率可达到100％，如果能够对其进行优化，就可以进一步诠释其经济效益与社会价值。
2、燃气轮机热电冷联产系统的优化配置方法。从燃气轮机热电冷联产系统的优化配置方法来看，无论是全年总费用法还是层次分析法都需要包括在其中，从全年总费用法的角度来看，其主要是将工程方案的整体过程进行投资折算，从施工开始到基建结束，整体过程的投资折算到结束年份。之后对折算后的投资进行平均分摊，与年运行的具体费用进行相加，就能够得出全年整体的费用，对方案进行比较是将工程方案从施工到结束的投资折算，与年运行费用相加．之后得出总费用，比较不同的方案能够发现全年总费用最低的方案存在着较高的经济性，主要以全年总费用为目标函数，以现有的相关燃机等设备性能为约束条件，在优化配置方案中先对某种具体的配置方案进行搜索，就可以根据各个时段的能量需求得到优化运行方案与全年最优运行费用，计算全年总费用，最终全年总费用最少的配置方案为优化方案。在具体的时段从外界输入到系统的具体燃料费用与购电费用的和为J(k)，其中C fbuy代表燃料价格，Cebuy为购电价格)，全年设备的整体费用为C C，在一年中以春秋为典型El，同时夏季和冬季分别为不同的典型El，总和为365d，从开始施工到施工结束的所有投资等于某种具体配置方案的设备费用，通过相关的模型以及全年的总费用方式可以获得全年总费用最少的优化配置。再从层次分析法的角度来看，之所以需要对其进行研究，主要是因为如果只从全年总费用的角度评价电站往往会存在着不合理、不完善的情况，尤其是对于一些调峰性能较高的电站来说，其在配置蓄冷方面往往具备一定的好处，而对于那些对占地面积要求不高的情况而言，往往是不配置蓄冷占优，所以需要从不同方面合理开展评价，无论是占地面积还是调峰性能都包括在其中。系统配置涉及到的因素包括多审目标与搜索空间目标，一些因素很难应用数字模型进行定量分析，层次分析法则会在系统合理方案选择的过程中做出决策，其具备较强的实用性与多目标特点，将定性与定量的相关指标完全统一在模型当中，以全年总费用最少为目标，优化配置方案，之后利用层次分析法对最终的配置方案进行确定。具体如何进行优化，也需要根据实际情况进行不断地探索。
3、燃气轮机热电冷联产系统的运行。燃气轮机热电冷联产系统的运行与燃气轮机热电冷联产系统的具体情况息息相关，因为在燃气轮机热电冷联产系统中存在着很多的优点，无论是系统简单还是投资减少都包括在其中，通过补燃的方式能够对尖峰锅炉和风机的费用进行节省，利用燃机排气余热在冬季夜间低电价时，其存在着需热量较大的客观情况，虽然对燃机发电加余热锅炉补燃供热进行利用仍然可以在现实中获得一定的经济利益。但是由于在春夏秋季不需补燃，所以该系统多余的蒸汽量较大，即便进气冷却能够减少蒸汽量，也存在着很多多余的蒸汽量，这也应该引起人们的重视。
从现实情况来看，燃气轮机热电冷联产系统在国内的应用时间相比较于国外还不够长，同时存在着很多的应用问题需要解决，这些问题及相关因素的存在都限制了燃气轮机热电冷联产系统的作用，对于燃气轮机热电冷联产系统而言，其主要的燃料为天然气，其优化基础在于不同的燃气轮机热电冷联产系统型式，无论是燃机余热锅炉型还是燃气一蒸汽联合循环型，亦或是开式注蒸汽燃机循环型、闭式注蒸汽燃机循环型都需要包括在其中。
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