燃气轮机冷热电联产系统集成理论与特性规律

冷热电联产系统作为一种面向终端用户、同时解决多重用能需求和实现多重目标的总能系统，是分布式能源系统中发展前景最为明朗的方向。本文依托国家S863计划“微型燃气轮机重大专项”、国家自然科学基金重点资助项目“适合西部的多功能能源系统”和“奥运能源展示中心分布式冷热电联产系统方案报告”等科研任务，研究冷热电联产系统中若干关键问题，主要包括冷热电联产系统的集成和评价、燃气轮机联产系统设计工况和全工况特性规律以及新型联产系统开拓等。 本研究基于热能“温度对口，梯级利用”的原理，提出了冷热电联产系统的集成原则。联产系统集成时，关注系统内、外各种热能的品位及其不同子系统对热能的利用效果的影响方式与关联规律。以热能的综合梯级利用为主线，全面考虑系统的全工况性能、经济性以及与用户的具体需求等，因地制宜提出了冷热电联产系统的集成原则，为指导冷热电联产系统的应用提供理论依据。 对联产系统的评价准则和节能特性进行研究。研究表明，由于总能源利用率将各种能量等同看待，当量(火用)效率过分看重能量的作功能力，折合发电效率在扣除冷、热能影响的方式上存在问题，因而它们不适合评估联产系统。经济(火用)效率在某种程度上体现了不同能量的市场需求，相对节能率考察的是燃料节省情况，相对而言，它们比较适于联产系统评价。另外，通过分析各子系统的参数和补燃量对系统性能的影响，给出了联产系统节能需要满足的条件，得到了回收热能优先利用方式的判别条件，提议采用以联产系统燃料使用情况为基准的节能系数评价系统性能的方法。 对燃气轮机联产系统的设计工况和变工况进行研究。研究表明，联产系统的性能与燃气轮机温比和压比有很大关系。对于简单循环联产系统，相对节能率最佳压比小于发电最佳压比；对于回热循环联产系统，在所研究案例条件范围和回热器传热温差固定的前提下，相对节能率最佳压比略大于发电最佳压比，为3.4左右。与同温比、压比的回热循环联产系统相比，简单循环联产系统相对节能率偏低。变工况时，随负荷降低，简单循环和回热循环联产系统的相对节能率均降低；当燃气轮机功率降低至设计工况的10％时，两种联产系统相对于参照系统的节能优势常将逐步消失。由于负荷波动，两系统全工况相对节能率均大幅下降，当与蓄能系统结合或采用回热可调的燃气轮机时，全工况相对节能率会有相当程度的改善。 研究提出了一种与可再生能源和环境资源相结合的新型联产系统。该系统中吸收式系统与压缩式系统有机互补：供热模式下，两种系统均按热泵模式运行，压缩式系统的输出充当吸收式系统的低温输入，两者构成复合热泵；制冷模式下，两种系统以并联方式运行，压缩式系统充当吸收式系统的补充。可再生能源和环境资源在供热模式下充当系统的低温热源，制冷模式下充当制冷机组的热阱，从而与系统整合成一个有机整体。典型应用案例研究表明，联产系统额定供热工况和制冷工况时系统相对节能率分别可达45.6％和31.6％；与传统联产系统相比，两种工况下相对节能率均增加约10个百分点。