热电冷/冰电池联合循环——异步融错 能源系统发电技术的梦之组合

【摘要】燃机进气冷却异步融错能源系统：将热电系统与冰蓄冷（冰电池）组合，实现能量的互换。将不同的能源需求，在不同的需求时段，针对不同的用户，根据不同的负荷特性进行异步式融合交错。利用燃气轮机、离心制冷机组和冰蓄冷的特性将能量进行随机调节，互相转化。实现系统的异步配合，协调互补。随时将多余电力转换为冰存储，用存冰应对冷需求的峰谷变化，同时根据燃气轮机受到环境温度变化的影响甚大的特性，通过冰水来预冷燃气轮机进气以获得更大出力来调节电力峰谷的变化，从而达到系统最优化、降低综合系统造价和节能的多重目的。

关键词：异步融错  分布式能源  冰蓄冷  冰电池  超冷 

燃机进气冷却异步融错能源系统：将热电系统与冰蓄冷（冰电池）组合，实现能量的互换。将不同的能源需求，在不同的需求时段，针对不同的用户，根据不同的负荷特性进行异步式融合交错。利用燃气轮机、离心制冷机组和冰蓄冷的特性将能量进行随机调节，互相转化。实现系统的异步配合，协调互补。随时将多余电力转换为冰存储，用存冰应对冷需求的峰谷变化，同时根据燃气轮机受到环境温度变化的影响甚大的特性，通过冰水来预冷燃气轮机进气以获得更大出力来调节电力峰谷的变化，从而达到系统最优化、降低综合系统造价和节能的多重目的。

2003年11月，由世界著名超冷技术公司--美国瑷玛斯（Imux）公司与中国分布式能源技术推广机构--群鹰公司组合团队正式提出：将采用热电冷联产与冰蓄冷（冰电池）技术组合为一能够异步式协调运行，具有热电冷融错能力的分布能源系统来解决广州大学城18平方公里内10所大学14万学生的制冷、生活热水、部分电力的综合供应。

在分布式能源项目中，热电冷需求的同步问题是一个非常困扰的问题，往往用电高峰与用热或冷的高峰难以同步，或者过于同步，从而导致了巨大的需求变化差异与峰谷问题，使得系统无法适应。分布式能源系统是在一个相对狭小的区域空间内对能源需求进行整合，优化空间小，手段有限，导致设备利用率降低，能源浪费增加，最后很难使系统达到设计的能源效率与经济效果。在系统设计中，若按照用电用冷和热的高峰确定容量，势必系统容量太大，全年多数时间无法运行；若按照基本负荷设计容量，又必然会发生可能是高峰能力不足，低谷能力过剩。如果不能找到一种手段来解决分布式能源的同步问题，将影响该技术的健康发展。

笔者曾经三度推广了采用余热吸收式制冷的分布式三联供系统，然而这一系统只能同步进行热电冷三联产，无法实现热电冷异步调节，除非采用直接补燃或再燃才能解决对冷和热的正相调节问题，而负相调节则必须通过将余热资源排空浪费的办法才能解决，其节能性虽然好于热电冷分产，但经济效益还是受到不小影响。

广州大学城今后将有14万学生在此就读，总人口达到30万人，这样大的一个项目用户使用能源的方式又非常相似，同时上课，同时下课，同时吃饭，同时睡觉。无论是电、热、冷都会出现巨大的峰谷差异，如果采用传统观念和技术将根本不可能解决。有专家建议利用大学城南部江对岸的一座5.5万kW燃煤热电厂，建设一条过江隧道，将10bar蒸汽送入全岛，采用溴化锂吸收式空调为10所大学800多万平方米进行制冷。

然而，所有大学都会在8点开始上课，8-9点将可能出现全岛制冷高峰，而此时正好是广州电网的用电高峰，热电厂如果并网电厂运行，就需要接受广州地调指挥。它面临着必须一边应对发电高峰，一边应对制冷蒸汽需求的蒸汽供应高峰。根据抽凝式蒸汽轮机发电机组特性，由于进汽通流量限制，当抽气量增加，凝汽量减少时，发电量将会下降。而制冷高峰期过后，制冷蒸汽需求降低时，正好也是电网越过用电高峰进入平峰的阶段，即便有足够的蒸汽发电了，电网也不需要了，因为广州电网的峰谷特性与制冷空调特性曲线非常吻合，如果采用只能同步的技术，没有蓄能措施将无法应对这种需求的复杂变化。若是作为大学城自备电厂解网运行，却又面对大学城自身的电负荷与冷负荷同步性差的问题，大学用户的电力负荷如果电制冷被集中制冷代替，用电将主要以照明为主，将会出现当日照好时，需要制冷增加，而照明电力减少的问题；而入夜，照明电力达到高峰时，因为气温会有所下降，空调负荷也会随之减少。尤其夜间电力需求将会变的很低，但空调负荷依然会有。还有一个问题是负荷变化将会非常明显，非常迅速。例如一场暴雨，可能会使电力负荷迅速增加，而随之空调负荷又可能迅速下降，燃煤机组将很难适应这种激烈复杂的变化，即便今后安装的燃气轮机机组若没有一个有效的缓冲系统，也很难适应这种变化多端的负荷特性。

解决上述问题首先需要一种技术将发电、供热、制冷分离，解决系统的异步工作问题，可以分别使用各种能源的变化，并使三种能源不仅具备独立的调节能力，同时可以实现互补和转换，而且这种转换应该是廉价的。为解决这一问题，瑷玛斯与群鹰经过仔细研究，决定将两种非常成熟的技术进行衔接--冰蓄冷与燃气轮机进气冷却增容技术。经过测算，系统各种能源的保障容量完全可以异步适应大学城各种复杂的需求变化。分布式能源站的燃气轮机因而可以保持在一条最佳工况直线下运行，达到最佳的能源效率与最低的排放状态。其优点还不仅于此，它还可以帮助大学城用户对于网电的需求进行优化，不仅可以使电网供电变为一条恒定直线，完全没有波动，而且可以通过在固定容量电费的条件下，尽量增加利用电量电价达到降低综合电价的经济效益。

也是因为建立了冰蓄冷系统，将可以使用超冷技术得以应用，将1.1℃冰水供应到全岛的每一用户，解决了一系列的技术障碍，降低了所有环节的建造和运行成本。

      广州大学城将要建设的分布式能源站将采用以澳洲液化天然气为燃料的燃气轮机-蒸汽轮机联合循环热电冷联产技术，但是采用何种形式能源利用技术的效率更高？技术更合理？解决能源合理利用的核心因素是中国科学院吴仲华院士早就提出的一个基本原则--“温度对口，梯级利用”。大学城能源需求主要的种类有电力、制冷冰水、60℃生活热水和少量洗衣、消毒用的低品位蒸汽。将燃气轮机500℃余热烟气用于生产180 ℃蒸汽制冷和供应60℃的生活热水显然温度不对口，肯定会造成浪费。所以，瑷玛斯-群鹰的系统方案采用了利用蒸汽轮机冷凝水、余热锅炉后段废热和制冷机冷却水余热的方式供应热水。除此之外，最大限度提高系统的电能和冷能的转换效率。

    冷效率法是同济大学龙惟定教授最早提出的，是一个对热电冷三联产效率的综合评价方法，它强调对 用的利用效率，而不是热的利用效率，使我们摆脱了显然不够合理的热效率比较法。龙惟定教授的方法是：在同等燃料耗量下，无论采取那种能源转换方式，最后折算为冷量，谁产生的冷量越多，谁的效率越高，谁的系统就最优化。这一评价方法尤其对于以制冷为主的项目最为合适。

    根据下表比较，以及广州大学城分布式能源站项目的实际需求分析，采用全电式和离心式热电冷三联产的效率比吸收式制冷高10%以上。因此，瑷玛斯-群鹰在大学城项目中建议采用全电式和离心式混合热电冷三联供方式，并配之冰蓄冷及冰电池系统。冷效率方式比较方式    单位    蒸汽吸收制冷前置循环热电冷三联产    蒸汽吸收制冷联合循环热电冷三联产    蒸汽离心制冷前置循环热电冷三联产   

全电离心制冷联合循环热电冷三联产

燃料当量    kW    100    100    100    100

发电效率    %    33%     42%    33%    50%

转换电量    kW    33    42    33    50

电制冷效率    COP    4    4    4    4

转换冷量    kW    132    168    132    200

高位余热量    kW    47    13    47   

转换功当量    kW            18

制冷效率    COP    1    1    4

余热制冷量    kW    47    13    72

总制冷量    kW    179    181    204    200

 

     瑷玛斯-群鹰将使制冷机组与冰蓄冷（冰电池）技术有机地融合，采用双蒸发器制冷机组可以制冷水也可以制冰，动力源采用电动和蒸汽涡轮混合编组，可以利用多余的电能驱动电动离心机组制冷，也可以利用燃气轮机余热锅炉产生的高压蒸汽作为动力，驱动蒸汽涡轮离心机组制冷。实际上，蒸汽涡轮离心机组虽然节省了发电环节的电能损耗，而且可以与蒸汽发电机组共用冷却塔，却增加了一台机组与场地的投资，如果不考虑国家对于热电厂的热电比考核的因素，也是完全可以省略的。当然，在其他一些制冷量大而发电量小的项目中，可以考虑采用余热锅炉补燃技术与蒸汽轮机驱动离心机制冷，通过对余热锅炉补燃，增加蒸汽供应量来实现增加制冷量的目的。

瑷玛斯拥有一种外溶冰超冷供冷技术，能够为用户提供1.1℃近乎于冰浆的超低温冷水，保证系统不会解冻，并可以将这种低温冷冻水远距离输送，由于该技术的输送温度低和流速快，且输水管道截面直径仅为目前中国和日本常用方式的一半。在广州大学城项目中，采用传统方案需要建设一对直径1.2米的冷冻水环岛主管道，而瑷玛司-群鹰组团只需要0.6米的一对管道即可。超冷技术不仅主管道投资大幅度减少，所有的支管网和用户空调系统的投资都大量减少。因为是低温高速输冷，所以冷损失极小，几乎可以忽略不计。这种超低温冷冻水，吸收潜热能力强，除湿效果非常好。用户使用这种低温冷冻水制冷供应全新风空调系统，空气湿度可以从目前的50-60%，下降到40%，在达到同等舒适程度的条件下，至少可以节能10%，及减少10%的冷费。低温冷冻水用途极为广阔，除制冷外，可以代替大型冷冻箱进行食品和药物的保鲜等等。除此之外，另一个最重要的效益就是为分布式能源站的燃气轮机发电机组进行进气制冷，以提高机组出力。因为其温度低，降温温差大，降温系统小，从而投资节省。

美国Solar 大力神 130机组的出力与环境温度关系曲线

Availabie Performance

    对于燃气轮机，环境温度直接影响到它的发电出力和发电效率，尤其是出力。许多燃气轮机发电厂夏季的发电出力平均损失20-30%，而夏季正值电力需求的高峰，如果能够有效修正，等于系统增加20-30%的发电容量。如若建立一个储冰槽，将夜间低谷的电力转换为冰储存起来，在白天用于降低燃气轮机进口温度来增加处理，无疑等于建立了一个蓄电系统，所以有人将其称之为“冰电池”。以美国索拉公司大力神130燃气轮机发电机组为例，其对于温度变化的效率和出力变化差异巨大。

美国Solar 大力神 130机组10-35℃环境温度变化对出力的影响

工况    容量(kW)    比例    效率

15℃ISO工况    13182    100%    32.78%

10℃工况    13704    104%    33.12%

35℃工况    10784    82%    30.97%

10-35℃工况差    2920    27%    2.15%         

    根据计算（见下表），要想将一台13MW的索拉大力神130机组的进气温度从35℃降至10℃，需要每小时对约14.5万立方米空气进行冷却。

美国Solar 大力神 130机组10-35℃环境温度变化的流量计算

项目名称    单位    10℃    35℃    差值

出力    kW    13713    10791    2922

燃耗    GJ/h    149.05    125.44    23.61

效率    %    33.12%    30.97%    44.55%

烟气流量    kg/h    182442    155456    26986

    m 3/h    149543     127423     22120

空气流量    m 3/h    145305     123856     21448 

       每小时将130机组进气温度降低到10℃仅需要在夜间低谷时段消耗305kWh的电能，加上这一部分消耗的能量，发电效率仅下降0.24%，而每kWh低谷电可以换取9.57kWh高峰电力，其经济性极为显著。建造成本与运行成本都小于抽水蓄能电站，是一种非常理想的蓄能技术。

美国Solar 大力神 130机组10-35℃环境温度变化的效率评估

项目名称    单位    数值

冷却空气量    m 3/h    145305

单位体积空气冷却能耗    kJ/m 3    1.21

温差    ℃    25

需要冷量    kWh    1221

制冷COP        4

制冷耗电量        305

10℃发电出力    kW    13713

10℃发电燃耗    kW    41403

系统总能耗    kW    41708

发电效率    %    32.88%

发电效率下降率    %    0.24%

      索拉大力神130机组只有13MW，如果广州大学城采用联合循环总装机容量120MW，其中有84MW为燃气轮机，进气降温技术可以在夏季增加出力近19MW的电力，如果要维持6小时的顶峰能力，需建立一个不到3500冷吨的冰需冷系统。如果考虑这一系统将可能时实时运行--随时将多余电力转换冷量收存，并根据负荷变化而随时又转换成为电力输出，其系统规模将可能明显减少。

采用超冷进气冷却技术的澳大利亚达尔文港海峡岛发电厂

瑷玛斯CEO Tom Brady先生曾经采用其超冷进气冷却技术成功解决了澳大利亚达尔文港海峡岛燃气轮机发电厂的处理不足问题。该电厂安装了5台GE 6B燃气轮机发电机组，每台机组的设计出力为36MW。但是由于当地环境温度高达37℃，燃气轮机的实际出力不足32MW。采用了瑷玛斯的蓄冰冷却技术后，进气温度降至9℃，其高峰时段的顶峰出力达到40MW。全厂燃气轮机发电量增加了25%，等于增加了一台同容量的燃气轮机发电机组。照片上白色装置为进气冷却系统。

燃气轮机联合循环发电厂的单位造价为5000元/kWh左右，广东电网的高峰期为6小时，建立一个能够每日维持使用6小时的冰蓄冷系统，投资为6×100美元/冷吨，基本也在5000元人民币左右，与电厂造价相当，但是蓄冰系统可以帮助发电厂保持负荷出力稳定在最佳工况状态下，减少变工况损失和减少污染排放等。况且，蓄冰系统还可以帮助企业向周遍用户销售冷冻水来增加收益。其主要电力应来自夜间环境温度较低机组效率较高时段的低谷电力，或者从电网购买价格更加低廉的低谷煤电或水电蓄能。今后，电力将逐步实行峰谷电价和竞价上网，高峰时段能够增加发电出力的技术将会为发电企业带来巨大利益。

热电冷三联供技术与冰电池的完美组合将解决分布式能源面临的许多问题，当然，她更适合于相对规模较大的项目，特别是与广州大学城相当的一批国家与地方政府直接参与的大型重点建设项目，例如：北京2008奥运会、北京CBD、上海2010年世博会、中关村等项目。