生物质气化式冷热电联供系统优化配置研究

王燕，王承志

（山东华宇工学院，山东德州253034）

　　摘要：如今高能源利用率的冷热电联供系统与可再生能源生物质的集成优势日趋明显，具有很大的研究价值。本研究采用生物质气化式冷热电联供系统实现对办公楼的冷热电供应。利用DeST软件计算建筑全年逐时冷热负荷，并根据电气设备参数计算出全年逐时电负荷针对研究系统，制定了三种运行策略：“以热定电”、“以电定热”及“混合模式”，利用Excel应用进行性能参数的求解，并采用单一因素分析法从经济、能耗和排放三方面对不同运行模式的性能进行比较。进一步探明系统运行策略与综合性能的关系，揭示该系统的高效运行机理。

　　1生物质气化式冷热电联供系统的工作原理

　　生物质原料在生物质气化装置中气化后，用净化装置过滤出高温可燃气体，将纯生物质燃气送入内燃机发电，给建筑物供电。内燃机发电产生的高温烟气仍具有超高温度，将高温烟气通过余热回收装置回收，回收后的热量分别与换热器和制冷机组相连，给建筑物提供冷量或者热量。在该系统中，可以根据冷、热、电负荷，适当从电网购买电，或从以生物质为原料的补燃锅炉获得热量。

　　2建筑动态负荷模拟计算

　　以德州市某办公楼作为冷热电联供系统的应用对象，用整套生物质冷热电联供系统满足办公楼日常的冷、热、电需求。利用DeST软件进行建模，将建筑二维CAD图形转变成三维立体图形，并通过相关参数的设置，进行全年分时冷热电负荷的模拟计算如图1，2，3。

　　2.1工程概况

　　该建筑总共7层，首层层高3.9m，从二层到顶层层高均为3.6m。办公楼是底部三层有两侧每层大约516.96m²的空间，底部三层总面积为5301.4248m²，上部四层总面积为5000.7264m²。整栋办公大楼10300.151m²。

　　2.2冷热电逐时负荷模拟计算

　　利用DeST软件进行负荷的模拟，电负荷是根据

　　照明开关时间及照明设备额定功率、设备逐时使用率及依照国家《公共建筑节能设计标准》中规定的用电指标等计算求得。特别指出，这部分电负荷只包括了建筑负荷，并不包括冷热源确定以后的系统负荷。该建筑的模拟数据结果如表1：

　　由表可得系统最大热负荷为662.033kW，最大冷负荷为1320.672kW，最大电负荷为196.061kW。

　　3系统不同运行模式的性能研究

　　3.1系统各运行模式

　　生物质气化式冷热电联供系统的运行策略包括各设备启停、部分负荷率和各时刻负荷分配。根据热电联产的原理，系统运行策略可分为三种类型：以热定电、以电定热和混合模式，它们各自的特点如下：

　　1）以热定电（FTL）：在此模式下，系统优先考虑建筑物的冷热负荷，即在一定的热电比下，系统的输出电量由建筑冷热负荷决定。当系统发电量不足时，从国家电网购买补充；当系统产生的电量过剩时，可以将其传输到公用电网以供其他用户或增设蓄电池存储使用。

　　2）以电定热（FEL）：在此模式下，系统优先考虑建筑电负荷的需求，就能量而言，电能比热能等级更高、更有价值。当系统输出热量不足时，可由补燃锅炉补充；当系统输出冷热量过大时，若直接排掉，会造成资源浪费。可以利用蓄热器贮存剩余热量，利用小型燃气锅炉作为调峰锅炉，以应对供热高峰。

　　3）混合模式（FHL）：在此模式下，“以热定电”和“以电定热”两种模式交替运行，每个时刻的具体运行模式取决于建筑物的冷热需求、分时电价等因素。

　　3.2系统各运行模式性能的数学描述

　　4系统各运行模式的性能计算结果及分析

　　4.1系统各运行模式性能的参数求解

　　4.2系统各运行模式的性能计算结果及分析

　　1）系统经济分析

　　在生物质气化式冷热电联供系统中，年度总费用（ATC）用来评估系统发电的经济效益。系统经济成本只要考虑两部分：一部分是系统运行成本，另一部分是系统设备成本。系统设备的额定容量主要决定系统的初始投资，而系统的运行模式主要影响系统运行成本，包括生物质原料购买费用以及电网购电费用两部分。不同运行模式下系统总投资成本的计算结果如表2：

　　不同的系统具有不同的特点，为了更好地进行综合性能的研究，引入分供系统和联供系统进行比较。分供系统就是直接利用简单的设备，满足建筑冷、热、电负荷。分供系统中，天然气锅炉负责供热，电制冷设备负责供冷，而建筑电负荷则通过国家电网购买。

　　“分供模式”中，系统总投资成本ATC达到了178.733万元，其中系统设备成本共花费15.222元，占系统总经济成本的9％，而系统运行成本共花费163.551万元，其中天然气成本占10％，电网购电成本占90％。

　　根据结果可以看出，单纯比较系统经济成本，分供系统是较优的选择，因为其系统设备投资较少，只需要天然气锅炉、电制冷设备和供热设备即可。而联供系统中，“混合模式”较为经济，主要原因是“混合模式”下，系统没有残余热量和电量，通过电网购电或者生物质锅炉补充热量，可使系统几乎达到供需平衡的理想状况，系统的设备容量不会过大，这就节省了系统的投资成本。下面的柱状图5能更清晰地看出各个系统在经济方面的优势和不足。

　　2）系统能耗分析

　　系统能耗是分析一个系统性能的重要因素。不同运行模式下系统总能耗的具体数据如表3：

　　为了便于对系统综合性能进行研究，依然引入分供系统和联供系统进行比较。分供系统中，系统总能耗达到了156.16×10⁸kJ，其中发电能耗相对较多，共134.42×10⁸kJ，占系统总能耗的86％，而生物质能耗共21.74×10⁸kJ，占系统总能耗的14％。

　　经过比较分析，可以看出“混合模式”是三种运行模式中系统能耗最少的一种，相比之下分供系统也不再拥有优势。主要原因是“混合模式”结合了“以热定电”和“以电定热”两种模式的优势，以能源全部消耗殆尽为原则，主要宗旨是不产生多余热量以及电量，系统均衡了生物质锅炉和电网买电的“任务”，所以系统能耗较少，具有很好的发展前景。下面的柱状图6能更清晰地看出各个系统在能耗方面的优势和不足。

　　3）系统排放分析

　　分析排放即分析系统对环境的影响如表4，将“影响”转化为数值，需要进行系统对环境的定量评估。本研究主要考虑系统的CO₂排放对环境的影响，其中主要是温室效应，它会造成全球气候变暖，使全球降水量重新分配，加速冰川融化，造成海平面上升等。

　　因此，减少大气中的CO₂排放量是人类的一项紧迫任务。通过比较系统在不同运行模式下的CO₂排放量，分析系统对环境的友好性，这是判断系统运行模式优劣的重要因素之一。特别指出，本次研究的生物质冷热电联供系统采用清洁环保的生物质作为燃料，生物质本身也吸收CO₂，因此可以认为生物质气化式冷热电联供系统在生物质燃烧过程中不会产生任何对环境有副作用的物质。表5为各运行模式下CO₂排放量的具体数据：

　　用柱状图7更能直观地对比各运行模式的排放性能：

　　从计算结果来看，在排放分析中，生物质气化式冷热电联供系统占据了相当大的优势，“以热定电”的CO₂排放量是分供系统的58.9％，“以电定热”的CO₂排放量是分供系统的11.2％，“混合模式”的CO₂排放量是分供系统的56.9％。在联供系统的三种运行策略中，“以电定热”优势明显，对全球变暖潜能的影响也是最小的。分供系统的二氧化碳总排放量是最高的，主要原因是系统的电负荷完全由电网供应，且冷负荷也由电制冷设备满足，而电网供电主要是用煤发电，发电过程中会燃烧产生二氧化碳，且天然气供暖过程也会产生大气污染物。相比较之下，生物质气化式冷热电联供系统，尤其是“以电定热”模式具有很好的环境效益。

　　4.3综合性能比较

　　为更好地比较不同系统不同模式的经济、能耗以及排放三方面综合性能，可以通过一个综合指标来衡量系统优劣。设综合性能指标为J，则有：

　　以计算公式结合本章的系统计算数据，分别计算不同系统下不同模式的综合性能指标，最终得到结果如表3：

　　可以看出，整体而言联供系统较分供系统具有更好的综合性能。其中“以电定热”的综合性能最好，综合性能指标远超过剩余几种运行模式，主要原因是：“以电定热”模式中，系统无需从国家电网购电，故相比其他模式，节省了大量的燃煤。众所周知煤炭的排放系数是极大的，煤炭燃烧过程会产生大量二氧化碳，对环境的影响力巨大；其次，虽说“以电定热”在经济和能耗方面并不是最优模式，但其在排放方面的优势过于明显，已足够弥补其在经济和能耗方面的微小差距。故总体而言，“以电定热”是系统最优运行模式，在未来最具有发展优势。

　　小结

　　本研究利用DeST软件模拟出建筑全年的逐时冷热负荷，同时结合电气设备参数计算出全年电负荷。采用单一因素分析法分别从经济、能耗和排放三方面进行分析比较，得出系统最优运行策略，揭示系统高效运行机理。经过比较可以发现，每个系统都有自身的优势和不足。本文中特别引入了分供模式进行综合性能比较，最终得到结论：联供系统在以经济、能耗及排放三项指标为基础的综合性能比较中占据优势，而其中“以电定热”运行模式综合指标最优，是系统最优运行策略。

　　参考文献：

　　[1]李维俊，高鹏，常春，陈俊武.生物质能与可持续发展[J].北方环境，2013，25（12）：4-7.

　　[2]孙培勤，孙绍晖，韦古强，范天刚.我国生物质能源现代化应用前景展望[J].中外能源，2014，19（06）：21-28.

　　[3]韩小霞，胡从川.生物质气化热电联产发展概述[J].建设科技，2016（13）：79-81.

　　[4]杨昆.基于生物质气化的冷热电联供系统研究[D].[硕士学位论文].保定：华北电力大学，2015.

　　[5]周晓波，陶志强，王芳.天然气冷热电联供系统工业案例应用[J].上海节能，2016（01）：45-49.

　　[6]朱锡锋.生物质热解原理与技术[M].第一版.北京：科学出版社，2014.7~29.