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[分享] 分布式能源站低负荷运行难点及解决思路

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发表于 2018-3-28 09:10:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
华电产业园建设的分布式能源站设计工作于2011年开始,建设有4 座规模不等的大楼,用作宾馆和办公场所,根据原始资料要求,能源站需满足产业园25 万m2 建筑冷、热负荷供应及部分电力负荷需求。

1 能源站机型选择和运行方式

华电产业园全部用电设备的累计负荷为27.318 MW,考虑0. 6 的同时系数,电负荷需求为16.391 MW。根据对华电总部大楼、燃气大厦等类似功能建筑冷热电负荷的调研,预测园区最大稳定电负荷为8.755 MW。其中,A 座、B 座电力负荷预测为2.130 MW,C 座、D 座消防电负荷为0.466 MW,即产业园初期投用时平均电负荷约为2.596 MW。

根据负荷预测结果,确定了“满足用户冷、热负荷供应,在此基础上保证发电效率最大化的原则”。确定了机组数量和机组额定容量后,保证机组额定冷、热负荷下满足用户要求,高峰和极端温度天气下投入直燃机和电制冷机等调峰设备,满足建筑的最大冷、热负荷需求。在此条件下,发电出力可基本满足产业园的供电需求,不足电力由市政电网补充。由于机组并网不上网,所以电力输出将通过自身负荷平衡,当机组出力负荷富余时,可降负荷以保证电网负荷平衡,也可启动冷、热制备设备消耗富余电力,达到电负荷和热负荷的同时平衡。

根据以上原则,确定分布式能源站的发电装机容量为6 MW 级。最初考虑采用3 台2 MW 级的燃气内燃发电机组,后来因为场地紧张,分布式能源站确定采用2 台3 MW 级燃气内燃发电机组。仅A座、B 座投用且办公面积达到70% 时,单台燃气轮机孤网运行可满足用电需求。

由于能源站并网不上网,当用户用电负荷低于单台机组50%时,发电机将停止工作,电负荷完全由市政电网满足; 电力负荷高于发电机最大出力时,不足部分由电网补充。发电机停运及发电余热不足时,冷、热负荷由直燃机、电制冷机等调峰设备提供。由于采用内燃机组,单台机组最低运行负荷约50%额定负荷,故用户电负荷低于50%额定负荷时,为保护设备,机组将自动跳闸,电源切换到电网负荷,这一状况虽然是所有分布式能源机组的共性问题,但对用户来说是希望避免的情况,故如何处理是亟须解决的难题。

2 运行现状及过渡季节预测

能源站投运后遇到的第1 个难题是园区4 座大楼同时建设,但第1 幢办公大楼投运后就必需投入运行,此时用户电负荷低于单台机组的最低稳燃负荷,投运后56 天内共计发电2342.5MW·h,但实际用户用电量1 658.1 MW·h,实际平均电负荷仅1 232 kW。由于市政电网尚未接入,为保证大楼正常工作,迫使采用了一些非常规手段以保证用电。正常工作日、周末、春节等典型日的负荷比较见表1。

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由表1 可知,正常上班状态和周末、节假日条件下用电情况差别很大,夜晚时差别更大。这虽然是一种极端情况,但需要高度重视和认真解决。

另外,休息日和晚间,办公、电梯、餐厅等用电负荷下降较多,产业园实际用电负荷仅为燃气轮机额定负荷的28% ~ 38%。峰值负荷1 900 kW 也仅为燃气轮机额定负荷的56.8%。由于负荷率低,负荷波动的问题尤为突出,当1 台电梯突然启动时,冲击电流比较大,特别是当2 台电梯同时动作时( 虽然概率很小,但有发生的可能) ,造成孤网运行电压大幅波动,当电压波动大于内燃机发电机保护值时,导致机组迅速跳闸。

由于产业园投运年为暖冬,热负荷相对较低,上述问题更加突出。停止供暖后,能源站和二级泵房的供暖设备停运,因此C 座、D 座大楼用电量将大幅下降; 其他建筑物与供暖有关的设备( 盘管、风机等) 停运也会造成负荷进一步大幅度下降,估计白天负荷在800 kW 左右( 不考虑其他楼装修、施工等用电) ,晚上及假日负荷在500 kW 左右,相当于燃气轮机要在25%额定负荷下长期运行。故分布式能源站如果长期在25%负荷率以下运行是非常困难的。

3 能源站长期低负荷运行的弊病

内燃机组一般按照常规应用环境进行设计,按80% ~ 100%额定负荷下运行最优效率的原则工作,设备部件( 包括涡轮增压器) 、空燃比等均按此选定。如果在低于50% 额定负荷下运行,机组在恒定稀薄燃烧下的空燃比( 即燃料和空气的比例在1. 0∶ 2.2左右) 下,按照涡轮增压器的曲线特性,进气量要大于实际负荷做功时的进气量,导致混合气体在气缸内燃烧时,只有一部分能量进行机械做功,其余则以热能的形式随烟气排放出去,从而在低负荷下出现排气温度过高、效率降低、积炭加快等状况。

内燃机组长期低负荷运行时产生的影响可归纳为以下几点。

( 1) 气缸积炭。长时间低负荷运行会加快在进气阀、燃烧室( 气缸盖和活塞顶) 等部位积炭,而积炭是燃料和润滑油的窜气混合后不完全燃烧产生的沉积物。

( 2) 积炭危害。当燃烧室积炭到一定程度会引起气缸爆震而损害活塞及曲轴,使发动机体损坏的几率增大。气缸爆震现象发生后,为保护设备部件安全,燃气轮机即刻甩负荷停机,因此能源站运行极不稳定,随时会出现停机; 涡轮增压器涡轮处积炭会使进气效率降低,导致出力不足、效率降低; 长时间积炭还会影响点火效率。

( 3) 润滑油耗量增加。燃气轮机低负荷运行时,润滑油耗量比满负荷时增加1 倍,现为0.6g /( kW·h) 。

( 4) 低负荷运行对设备的危害。燃气轮机在50%额定负荷运行时,比70% 额定负荷运行时耗气量增加10%。烟气温度过高而超出余热回收设备运行的设计温度时,可能导致余热回收设备损坏,维修周期缩短后,部件更换过快会导致维修费用增大。

燃气轮机长期低负荷运行,会对燃气轮机造成不必要的损害,缩短设备运行寿命和增加设备生命期内运行成本,同时运行稳定性差。因此,所有燃气内燃机厂家均建议用户避免燃气轮机在40% 额定负荷以下长期运行。

目前,世界上燃气内燃机仍无任何成熟的低负荷运行技术或应用案例,个别厂家正在进行试验研究,以期解决或降低低负荷率运行的问题。

4 解决问题的思路及措施

近些年投运的分布式能源站,存在的问题主要集中在3 个方面: 机组最低稳燃负荷及负荷点; 机组不同输出能的变化幅值; 机组不同输出能的相互关系。解决了上述问题,就提高了分布式能源站对用户的适应性,提高了机组的综合效率,同时能降低运行费用及综合造价。下面探讨解决问题的思路和具体措施。

4. 1 降低机组最低稳燃负荷点的思路和措施

降低机组最低稳燃负荷点,就能使分布式能源站更广泛地适应用户需求,解决问题的方法主要有以下几种。

( 1) 降低内燃机和燃气轮机自身最低运行负荷点。由于机组自身的特点,虽然不可能降到极低的范围,但如果能控制在30% 额定负荷以下,将会使机组具有更广泛的适应性,对于内燃机来说,需要研制更宽泛的或可变动的空燃比,而燃气轮机还要避免轴系的共振和末级叶片的余速损失,这需要设备厂家配合。

( 2) 采用多台机组也能降低最小负荷点,但可能造成成本上升和场地占用的变化,需要根据情况分析确定。

( 3) 通过系统内部的能源互换方式解决最低稳燃负荷的问题。能源之间是可以互相转换的,当用户电负荷需求低于机组实际输出负荷时,可通过转换部分电能至热能的方式解决( 如果用户电负荷、热负荷都低于机组实际输出时,本方案不成立) 。

( 4) 决定分布式能源站机组数量的重要判断依据是,当用户的电负荷与热负荷总(和低于实际电负荷与热负荷总和时,可考虑降低单机容量,增加机组数量。

4. 2 关于机组不同输出能的幅值变化方法

( 1) 重新分配电、热、冷的负荷分配设计点,即移动热、电负荷的分配点,可适当提高内燃机烟气出口温度,降低发电段热焓的使用量,这样电负荷比例就会下降,热负荷比例就会上升。

( 2) 采用蓄能的方法调节用户日负荷的变化,可以在用户不需要热或冷时储存部分能量,当外界需要时再释放,间接地满足了用户在不同时间段对不同种类能的需求。

4. 3 关于机组不同输出能的相互转换方法

( 1) 当电负荷输出大于用户实际需求,热负荷输出小于用户实际需求时,可将电负荷转换为冷、热负荷,以取得用户对不同能的动态需要量,如夏季在电负荷富余条件下,可采用蓄冰的方法将电能转换为其他能源。

( 2) 如果能源站附近有直供电需求用户,而且电网政策允许直供电的话,可直接售给其他有需求的用户。

4. 4 现场采取的措施和方法

( 1) 产业园其他建筑物在加快装修,增加了用电负荷,可将部分多余电量提供给其使用。

( 2) 将临时用电电源引至园区,与能源站供电在低压侧切换倒闸后,再由园区正式低压配电系统送至各用电单元。为防止在低压侧与电网并网,倒闸停电前需逐一关闭较重要的低压电子设备,如关闭二次泵房低压大型变频器及确保电梯无人乘坐等。

( 3) 在保证电能质量的前提下内燃机压线运行,加强内燃机定期检查和维护,根据气候变化适时调整供热参数,尽量减少直燃机的运行时间,并在办公楼等处采取正常节电措施等。

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