某分布式能源系统能效分析

当代化工研究

Chenmical Intermediate

技术应用与研究环境工程

2018·09

某分布式能源系统能效分析

＊吴振川 吴晓南 谢明宏 王璟 罗新庆 唐宇（西南石油大学 土木工程与建筑学院 四川 610500）

摘要：基于我国对能源发展要求高效利用和环保的基本国情，以及分布式能源对国家能源发展目标的极大契合，提出了一种针对分布式

能源系统能效分析的方法。首先建立分布式能源的系统构架，然后以进出系统能量守恒为依据，基于热力学第一、二定律建立能量平衡和

平衡方程，得到分布式能源系统及常规热电联产系统能效数值结果；最后算例结果得出，分布式能源系统在能量数量（一次能源利用率）和能质（效率）两个方面的利用效率都远高于常规热电联产系统；结果还得出，分布式能源系统较常规供能系统具有巨大节能效益，能产生良好的综合能源利用效益。

关键词：分布式能源；一次能源利用率；效率；节能

中图分类号：T 文献标识码：A

Wu Zhenchuan, Wu Xiaonan, Xie Minghong, Wang Jing, Luo Xinqing, Tang Yu

(Civil Engineering and Architecture College of Southwest Petroleum University, Sichuan, 610500)

Abstract：Based on our country's basic national conditions that energy development requires efficient utilization and environmental protection,

and the great agreement between distributed energy and national energy development goals, this paper proposed a method for energy efficiency analysis of distributed energy systems. Firstly, the system framework of distributed energy is established, then based on the conservation of energy in and out of the system, and energy balance and exergy balance equations are established based on the first and second laws of thermodynamics to obtain numerical results of energy efficiency of distributed energy systems and conventional cogeneration systems. The result of the final example shows that the efficiency of distributed energy system in terms of energy quantity (primary energy utilization) and energy quality (exergy efficiency) is much higher than that of conventional cogeneration system. The results also show that the distributed energy system has great energy saving benefits compared with the conventional energy supply system, and it can produce good comprehensive energy utilization benefits.

Key words：distributed energy；primary energy utilization rate；exergy efficiency；energy saving

Energy Efficiency Analysis of a Distributed Energy System

引言

分布式能源系统是指分布在用户端的能源综合利用系统。天然气分布式能源的发展和冷热电多联产应用的研究已在国际发达国家成为未来社会可持续发展的国家能源发展大计，而国内虽然处于起步阶段，但近年来随着国家“环保、节能、高效”方针的不断强化，分布式能源在国内的发展前景和潜力空前大好。学术界有不少的硕士、博士论文以及期刊在不同程度和角度上对分布式能源系统进行过探究，但是他们的研究更多是基于学术的角度探讨了分布式能源系统的能效及系统优化问题，而在实际运营的分布式能源站系统能效分析领域涉及较少。本文结合广州大学城分布式能源站的运营情况，利用热力学原理（能量守恒的热力学第一、二定律）进行能量分析和效率分析，对比得出分布式能源对于能源利用的巨大节能优势。

天然气电

燃气轮机FT8-3双联机60MW效率38%天然气

70t/h

抽凝汽轮机0.5MPa蒸汽18MW140t/h

70t/h

电

0.5MPa蒸汽汽吸收制冷

燃气轮机

抽凝汽轮机18MW

电冬季新水

电压缩制冷

130℃烟气80℃烟气

分布式布置春秋夏季新水

供电

50℃生活热水

图1 分布式能源系统流程图

(1)燃气轮机

1.分布式能源的系统构成

文章研究的分布式能源系统主要由燃气轮机、余热锅炉及蒸汽轮机三大组成部分构成。燃气轮机通过常规燃料（如天然气）的燃烧，其主要功能是燃烧发电，其产生的大量余热则通过余热锅炉进行余热的二次利用；余热锅炉由于自身构造的特性，充分利用燃气轮机传递的余热，经过余热锅炉的二次利用，将产生一部分继续进入蒸汽轮机发电的高品质主蒸汽，另一部分则是供给给用户的生活热水、供暖等的低品质蒸汽；蒸汽轮机利用余热锅炉产生的高品质蒸汽发电，做完功的乏汽又可以抽出，同余热锅炉一起在用热高峰同时供热，缓解余热锅炉供热负荷。

燃气轮机（Gas Turbine或简称GT）是分布式能源系统的核心组成部分，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械。在系统当中将燃料燃烧产生的能量用于发电，产生的高温烟气将送入余热锅炉继续加以利用，以提高一次能源利用率。

(2)余热锅炉

余热锅炉是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定温度的锅炉。余热锅炉在分布式能源系统中，上接燃气轮机，接受其燃料燃烧产生的高温烟气，然后通过自身利用，又将产生高、低品质蒸汽；下承蒸汽轮机，输送高品质蒸汽供应发电需求，自身低品质蒸汽余热回收可以生产热水或蒸汽来

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供给热用户使用。

(3)蒸汽轮机

余热锅炉抽出的高品质蒸汽送入汽轮机进行二次发电，

因此汽轮机也是现代火力发电厂的主要设备。另外，汽轮机做完功的乏汽又可以继续抽出，和余热锅炉产生的低品位蒸汽混合，供给给热用户，以调节用热高峰的供需不平衡。

2.分布式能源系统的数学建模

(1)设备选型

文章以广州大学城的分布式能源站为算例建立模型。基于燃气—蒸汽冷热电联合循环方案，在设备配置时，选择2台FT8-3型燃机（60MW）；2台双压自然循环余热锅炉（最大72t/h，3.8MPa，450摄氏度）；2台CL18-3.43/0.6型抽凝式汽轮机；2台QFW/18/2型发电机（18MW）。

(2)能量利用效率的数学模型

利用热力学定律，建立分布式能源系统的能量平衡方程，即Q空气热量+Q低位发热量+W消耗电量=W机组供电量+∑Q供热量+Q损失分析此能量平衡方程发现，进入系统及系统燃料发热量之和与系统机组发电、系统对外供热及热量损失之和满足能量数量上的守恒关系。在能质利用效率方面，则进一步建立能量平衡方程，即ex空气+m燃料·ex燃料=W净供电量+∑ex热量+ex损失一次能源利用率计算

Wη=净电量+∑ex供热量Q×100% 低位发热量

热电比计算:τ=供热量供电量W效率计算:ε=

净电量+∑ex热量

m×100% 燃料ex燃料

(3)算例结果与分析

计算时，使用GT PRO软件；选定燃机、汽机和余热锅炉 等设备，并根据分布式能源承担设计热负荷，确定合理的分布式能源装机规模。控制燃机负荷率，满足最小热电比要求，进行一系列设计工况的能量平衡计算，得到设计工况下的燃机效率、排气温度和流量，计算分布式能源发电量、供热量和系统效率。设计工况的环境温度为15℃，设计热负荷为120MW计算结果如下：

计算项目类型分布式能源系统

常规热电联产系统

比较能量输入（MW）322.2317.0——发电输出（MW）135.379.6+70.0%供热输出（MW）

108.9100.8——热电比0.81.3-38.5%电效率（%）42.025.1+16.9%一次能源利用率(%）75.856.9+18.9%燃料输入（MW）277.2234.0——供热输出（MW）13.031.8——效率（%）

53.5

33.3

+20.2%

表1 能效计算结果

注：上述表格“比较”一栏，“+”表示分布式能源系统较常规热电联产系统的提高量，“-”表示相应的减少量。

从计算结果发现，分布式能源系统在节能方面作用显著。在几乎均等的燃料供能条件下，分布式能源系统对能

源利用的情况，数量上一次能源利用率可以高达75%以上，较常规热电联产的能量利用率提高近20%；能质方面，效率 （消耗能量能转换为有用功的能量利用情况）较常规供能系统提高20%以上，达到53.5%，节能效果突出；因此无论从能量利用的数量和能质两大方面，分布式能源系统都以绝对优势优于常规能源供应系统。此外，上述案例计算的数据基础来自于我国成功的分布式能源站典型示范工程——广州大学城分布式能源站，通过软件计算的一次能源利用率和热电比均达到了国家对于分布式能源一次能源利用率不小于70%和热电比不小于0.5的要求。

结论

本文给出了一种针对分布式能源的系统能效分析方法，以分布式能源系统进出能量守恒，通过热力学定律建立能量平衡和平衡方程进行能量和效率的求解。文中广州大学城分布式能源站这一计算案例验证了所提出能效分析方法的有效性和正确性，综合比较传统能源供应模式，基于分布式能源的供应系统具有更好的综合能源利用效益。

接下来需待研究的内容主要为：分布式能源系统的优化运行方案。

•【参考文献】

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[12]国家发展计划委员会.关于发展热电联产的规定[R/OL]. (2005-09-26)[2014-11-02]．

•【作者简介】

吴振川（1995-），男，西南石油大学 土木工程与建筑学院； 研究方向：建筑环境与能源应用工程。

吴晓南（1970-），女，西南石油大学 土木工程与建筑学院； 研究方向：城市燃气。

谢明宏（1996-），男，西南石油大学 土木工程与建筑学院； 研究方向：建筑环境与能源应用工程。

王璟（1997-），男，西南石油大学 土木工程与建筑学院；研 究方向：建筑环境与能源应用工程。

罗新庆（1998-），女，西南石油大学 土木工程与建筑学院； 研究方向：建筑环境与能源应用工程。

唐宇（1999-），女，西南石油大学 土木工程与建筑学院；研 究方向：建筑环境与能源应用工程。