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“冷熱電”三聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)是直接面向用戶,按用戶需求就地生產(chǎn)并供應能量的中小型能量轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。同時,采天然氣做燃料源、能源的梯級合理利用可以降低地區(qū)污染物排放總量和強度。隨著支持政策的陸續(xù)頒布,分布式能源正在成為我國實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要方式。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,到2020年底,全國將建成天然氣分布式能源項目147個,裝機容量將達到1654萬千瓦。
但內(nèi)燃機作為“冷熱電”三聯(lián)供的核心,其性能和環(huán)境溫度密切相關(guān)。并且目前我國有不少以燃機發(fā)電設(shè)備集中在長三角和珠三角[1],兩地夏季平均溫度較高。因此未來分布式能源系統(tǒng)要在我國各地高效發(fā)展,必須保證內(nèi)燃機在極端天氣下的性能。
某天然氣分布式能源站,配有6臺4.4MW級燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組,采用一拖一方式相應裝設(shè)6臺吸收式煙氣熱水型溴化鋰冷熱水機組,構(gòu)成冷、熱、電三聯(lián)供的分布式能源供能系統(tǒng)。能源站采用“以冷熱定電、自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運行模式。
內(nèi)燃機運行產(chǎn)生95℃缸套水與360℃煙氣進入溴化鋰機組;溴化鋰機組制冷狀態(tài)下額定進口溫度為15℃,額定出口溫度為6.3℃。
該能源站每臺內(nèi)燃機隔音小室由4臺軸流風機進風系統(tǒng)組成,進風量為128000m3/h,排風量為105000m3/h。內(nèi)燃機房墻外排風口與進風口處于同一垂直平面,高度差約為3.5米。由于空間限制,排風管無法做延伸處理,實際運行過程中存在內(nèi)燃機排風與進風短路問題,一部分排除的熱風直接被進風口吸入,導致進風口溫度高于環(huán)境溫度。
當機組進氣溫度上升時,會使進氣密度下降,燃機功率隨之下降[2]。摘取該天然氣分布式能源站2017年實際運行數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當環(huán)境氣溫高于32℃時,內(nèi)燃機進氣溫度將高于40℃。由于該能源站內(nèi)燃機系統(tǒng)邏輯設(shè)置,當內(nèi)燃機進氣溫度將高于40℃時,進風溫度每上升1℃時,機組自動降低2%發(fā)電負荷。
由進氣溫度超限導致的自動將功率降低了能源利用率,影響能源站經(jīng)濟效益。
通過上述分析,想要解決高溫天氣下內(nèi)燃機降負荷的問題,必須降低內(nèi)燃機進氣溫度。
結(jié)合實際情況,該能源站計劃加裝進氣冷卻裝置對內(nèi)燃機進風降溫,使內(nèi)燃機進氣達到設(shè)計溫度[3]。冷卻裝置主機采用臥式制冷空調(diào),安裝在燃機隔音罩進風口前,采用新風工況運行。為了不讓制冷空調(diào)影響內(nèi)燃機的進氣量,制冷空調(diào)機組出風口與內(nèi)燃機進風口之間留有40cm空間,使得內(nèi)燃機進氣50%經(jīng)空調(diào)冷卻,另外50%就地進風。
選擇制冷裝置主機參數(shù)時,應保證大部分高溫天氣下機組能達到滿負荷要求,不考慮極端高溫天氣下的小部分降處理情況。
查閱該地區(qū)氣象資料,單月平均高溫最高為34℃,極端高溫為37℃,因此設(shè)定目標是保證環(huán)境溫度35℃時內(nèi)燃機進氣溫度低于39℃。
由現(xiàn)場實測及查閱焓濕圖后計算得空調(diào)進風口與出風口空氣焓差Δh=100.5-92.13=8.37kj/kg??諝饷芏圈讶?.2kg/m3,進風量 v取64000m3/h,由 Q=ρ×Δh×v可得冷負荷為178.56KW,考慮20%安全系數(shù)后,冷負荷需求為214.27KW。
為了不影響供能,計劃從溴化鋰回水母管引入設(shè)計溫度為15℃的冷凍水作為空調(diào)進水,設(shè)計出水溫度為20℃。
根據(jù)上述數(shù)據(jù),結(jié)合市場上已有的制冷裝置型號,確定選用制冷裝置主機參數(shù)如下:
制冷功率:215Kw;進風口溫度:43℃;出風口溫度:35℃;冷凍水進水溫度:15℃;冷凍水出水溫度20℃;主機風量:64000m3/h。
由Q=cmΔT得設(shè)計流量為34.36t/h,考慮20%安全系數(shù)后得六臺內(nèi)燃機需要冷凍水流量為247.39t/h。
由于該能源站以熱定電,發(fā)電負荷較多變,因此計劃用兩臺水泵提供流量,當運行三臺及以下內(nèi)燃機時啟動一臺水泵即可,單臺水泵設(shè)計流量為125t/h。
改造項目于2018年底完成,2019年夏季最高氣溫37℃,當日4臺內(nèi)燃機運行,開啟兩臺水空調(diào)泵對燃機進氣進行冷卻后,內(nèi)燃機進氣溫度最高為39.8℃。整個夏季未出現(xiàn)因為進氣溫度超限而降負荷對現(xiàn)象,符合改造前制定的目標。
利用溴化鋰回水對內(nèi)燃機進氣制冷,保障了內(nèi)燃機高溫天氣滿負荷運行,增加了經(jīng)濟效益。