摘 要

与传统的集中式供能方式相比，分布式CHP联供作为一种新兴的能源结构，在经济效益、能效和减排方面都有较大的优势，本文从CHP联供的含义、系统特点、目前国内外的发展状况等方面展开了简单的阐述，同时针对武汉理工大学余家头校区的传统耗能结构， 提出了分布式CHP联供方案设计。根据余家头校区的冷、热、电等各个时段的负荷需求，以最短时间内能回收成本以及总费用最少为目标，重点阐述了设备选型配置、运行策略设定以及综合性能评估，并且在经济性分析时，建立了数学模型进行比较。结果表明，在电价、气价不变的情况下，选用4000KW的燃气轮机发电机组及成套设备组成CHP联供系统提供冷热电，在较好的运行策略模式下，初投资最少为1384万，每年所需花费也较为755万，不采用CHP联供则每年电费为870万，12年就能回收成本，CO₂年排放量大大降低，仅为408吨，且在干式低排放（DLE）技术的配合下，也能大大减少NO_x的排放，可减少到25ppm甚至更低。

关键词：CHP联供、余家头校区、方案设计

Abstract

Compared with the traditional centralized energy supply mode, distributed CHP as a new energy structure has great advantages in terms of economic efficiency, energy efficiency and emission reduction. The meaning and system characteristics of this paper from CHP joint supply At present, the development status at home and abroad has been briefly explained. At the same time, the design of distributed CHP joint supply scheme is proposed for the traditional energy-consuming structure of the Yujiatou campus of Wuhan University of Technology. According to the load demand of various periods of cold, heat and electricity in Yujiatou Campus, with the goal of recovering the cost and the minimum cost in the shortest time, the equipment selection configuration, operation strategy setting and comprehensive performance evaluation are emphasized. In the economic analysis, a mathematical model was established for comparison. The results show that under the condition of constant electricity price and gas price, the 4000 KW gas turbine generator set and complete sets of equipment are used to form a CHP co-supply system to provide cold and heat electricity. Under the better operation strategy mode, the initial investment is at least 13.84 million per year. The cost is also more than 7.55 million. If you don't use CHP, the annual electricity bill will be 8.7 million. The cost will be recovered in 12 years. The annual CO2 emissions are greatly reduced, only 408 tons, and in dry low emission (DLE) technology. In combination, it can also greatly reduce NOx emissions, which can be reduced to 25ppm or even lower.

Keywords: Cogeneration, combined heat and power, Yujiatou Campus, Design

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外发展研究研究现状 2

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文研究内容和方法 4

1.3.1 主要研究内容 4

1.3.2 主要研究方法 4

1.4 技术路线 5

第2章 CHP联供系统 6

2.1 系统组成 6

2.2 联供系统的优点和局限性 7

2.3 本章小结 8

第3章 CHP联供设计 9

3.1 武汉余家头校区用能特点 9

3.1.1 用电量调查 9

3.1.2 冷、热负荷调查 10

3.2 CHP联供系统选型 11

3.2.1 动力发电机组 11

3.2.2 余热利用机组 17

3.3 CHP联供系统配机和运行策略分析 19

3.4 经济性和环保性分析 22

3.5 本章小结 24

第四章 总结 25

4.1 总结 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景

人类每一次的进步和发展都离不开能源，然而，随着人口的不断增加，从而导致了能源人均不平衡、严重环境污染等一系列冲突性问题，这些冲突性问题逐渐成为制约当今世界经济飞速发展和社会平稳发展的重要因素。在我国不可再生能源的消耗占比中，污染物排放最多的煤炭占所有消耗量的66%、石油占所有消耗量中的18%、而污染物排放量最少的天然气仅占6%；然而在世界平均水平中，燃煤比例仅为26.5%。因此，我国的煤炭消耗所占比重过高，导致我国的碳排放总量为世界碳排放总量的25% ^[1]。除了二氧化碳之外，其他燃料燃烧所产生的大量SO_X、NO_X以及PM2.5等的排放，导致我国近年来频频出现酸雨和雾霾等对人体有害的现象。在这种情况下，调整能源结构是我国当前面临的最关键的问题。作为无污染高效率的低碳能源，天然气的发展有利于环境的有效改善，并减少二氧化碳排放、优化能源消费结构，尤其是燃气冷热电三联供。

分布式能源兴起于二十世纪80年代。分布式能源最早出现在1982年，那时美国出现了工厂以废气发电来满足其和周围工厂的电负荷和热负荷。在那之后，热电联供（CHP）逐步发展起来，成为了可经由长期历史验证的技术。后来，随着吸收式制冷机的发展，发电之后废气所产生的余热除了通过锅炉供热之外还可以通过吸收式制冷机进行制冷，这样使得冷热电三联供（CCHP）逐渐发展起来，能源的利用效率进一步提高，最高达到95%以上。

余家头校区地处武汉，属北亚热带季风性湿润气候，夏季炎热、冬季寒冷；并且地处腹地，离海较远，形如盆地故容易集中热量且难以散出，地临长江湖泊较多故夜晚水汽多，配上城市热岛效应，十分炎热，与南京、重庆、南昌并称中国四大火炉之一，炎天温度普遍高于37℃，极端最高气温44.5℃。梅雨季节雨量集中，年降水量为1100毫米。因此夏天冬天空调制冷制热都必不可少，湿气还很重。在武汉理工大学余家头校区，因为地处武汉较为中心地带，情况也是如此：夏天无比闷热，白天在外面小走几步就会大汗淋漓，只得在宿舍避暑；夜晚不开着空调也难以入睡。而冬天没有暖气供应，较为阴湿，即使穿着大衣羽绒服也会手脚冰冷，故需要空调来制热。因此要保持室内常温是一个很重要的问题。目前的供能方式效率较低，仅仅是使用发电厂供电驱使空调等制冷或制热，此举不仅效率低下，而且经济开销高。与之相对应的，与传统的集中供能方式相比，分布式冷热电三联供作为一种新兴的能源消费结构，有利于协调改善余家头校区的供电制冷制热分布不平衡和效率低下等问题。

1.2 国内外发展研究研究现状

1.2.1 国外发展现状

冷热电三联供在国外已有30多年发展历史。

Mago, PJ 和Chamra, LM^[2]按照电力负荷(FEL)和热负荷(FTL)策略对CCHP系统进行运行，并根据运行成本、一次能源消耗(PEC)和二氧化碳排放(CDE)进行评估和优化。其研究还包括对CCHP系统在运行过程中遵循混合电热负荷(HETS)优化运行策略的分析和评估。结果表明，采用任何优化准则运行的CCHP系统比不采用任何优化准则运行的CCHP系统具有更好的性能。结果还表明，高温超导系统是CCHP系统运行的一个很好的选择，因为它可以很好地降低成本、PEC和CDE。

Yaser Kialashaki^[3]提出了一个线性规划优化模型，用于CCHP系统的最佳规划和规模。该模型的目的是通过在经济观点同时考虑电冷却器和吸收式冷却器来给出CCHP系统的设计。并在德黑兰进行了一项数值研究，以评估CCHP系统模型。线性规划（LP）模型通过考虑系统的资本成本来确定CCHP设备的最佳尺寸。其表明，通过考虑电力回购，电气冷却器的最佳尺寸减小，并且在没有电力回购的情况下，热电联产（CHP）单元和吸收式冷却器的最佳尺寸显着增加。此外，LP模型通过忽略资本成本来确定系统的最优运营策略。与仅包含电冷却器的CHP系统相比，包含电气和吸收式冷却器的最佳操作的CCHP系统可以使运行成本降低18％。

Baniasad Askari和M. Oukati SadeghM. Ameri^[4]研究了由锅炉，平板太阳能集热器，吸收式制冷机和储热罐组成的典型的冷却，加热和电力组合（CCHP）系统。 所描述的系统被认为是供应住宅建筑的给定电力，冷却和供暖需求; 加热和冷却需求分别为100和50 kW。 为了找到具有高可靠性，低成本，低油耗和低排放的最佳混合配置，FORTRAN语言的作者提供了计算机程序。 在他们的工作中考虑了不同的燃料价格。 结果表明，最优运行策略随着锅炉和NGG燃料价格的变化而变化，同时也随着太阳能集热器数量，蓄热能力的增加而变化，从而降低了年度总排放量。

Hossein Khodaei^[5]为了满足大型工业用户的冷却，加热和电力能源需求，引入了一种新型系统，包括组合冷却，加热和电力（CCHP），结合可再生能源，如光伏（PV）和 风力涡轮机（WT）。 此外，作为供热器，实施太阳能蓄热系统（STS）以满足大型消费者的供暖需求。 需求响应计划的使用时间和实时定价率被认为可以降低总能源采购成本。 考虑到两个研究案例没有和实施STS来研究STS对大型工业消费者能源采购过程优化的影响，问题得以解决。 该问题被表述为MILP，并在GAMS优化程序中的CPLEX求解器下求解。 通过数值研究分析了所考虑系统的应用。

Esrafilian,M和Ahmadi,R^[6]提出了一种多联产方案，将当地海水淡化装置与CCHP系统相结合，为基什双塔提供冷，热和电力以及提供岛上淡水需求的一部分，并在能源，环境方面进行评估。在经济方面。将所提出的系统与采用单独的生产系统作为参考的传统CCHP和脱盐系统进行比较。这里，两种类型的脱盐技术，即多效蒸馏（MED）和反渗透（RO）工艺，用于提供脱盐水。实施遗传算法以确定最佳操作参数。结果表明，在多联产系统中，整个系统的年平均发电效率，年一次节能率（APESR）和年度总成本节约率（ATCSR）分别提高了3.45％，9.73％和6.49％，分别与传统系统相比。使用MED流程可以将ATCSR从9.8％提高到16.0％，具体取决于淡水市场价格。此外，与参考相比，二氧化碳排放量（CDE）每年减少1460.5吨。还表明，可以回收93.87％的MED输入热量用于生活热水（DHW）。

1.2.2 国内研究现状

国内冷热电三联供研究起步虽然较国外稍晚，近年来也在稳步发展。

朱翰超和马蕊^[7]介绍了热电联供微电网系统的需求侧管理方法，充分利用需求侧资源探索系统的经济性。首先，对系统中采用的DSM技术进行建模，包括对DSM的采用方式和调用成本。其次，在以配置成本综合优化为目标函数的基础上，考虑到各种必要的约束条件，建立了考虑需求侧管理的微电网优化配置模型。用混沌粒子群优化算法求解已建立的模型。优化配置结果表明，离网模式下系统优化配置成本高于并网模式，考虑需求侧管理技术的系统优化配置成本小于需求侧管理方法。通过将需求侧管理方法引入系统，可以降低系统优化配置成本，证明模型的正确性和有效性。

严毅和张承慧^[8]等为了提高能源效率和能源梯级利用率，设计了一种具有压缩空气储能的新型冷热电供应微电网结构;考虑多能量流和多级热源的共存从流程设计的角度出发，优化了热电联产微电网中压缩空气储能的工作模式。分析了不同工作模式下系统的输出能量和损耗。在此基础上，提出了一个综合的环境效益，节能率和安全性系统运行多目标优化模型，可以在不同的工作条件下获得微电网的最佳工作模式和各主动设备的出力规划。实例结果表明，优化运行策略具有明显的节能效果;同时，模式细化和温度匹配有效地提高了系统能量梯级利用率。

杨志鹏和张峰^[9]等为了分析热泵和储能装置的经济和节能效果，在分时电价和微电网运行的条件下，以调度周期内系统总运行成本最小为目标函数，建立了一个采用混合整数规划方法求解了光伏，燃料电池，CCHP系统，地源热泵和储能装置的微电网运行优化模型，并与常见CCHP微电网优化调度模型进行了比较。 仿真实例表明，热泵和储能装置可以改变系统中冷，热，电的耦合关系，增强系统的灵活调节能力，具有显着的经济效益。

1.3 本文研究内容和方法

CHP联供以其能效利用高、供能安全可靠、节能环保等优点逐渐被应用于各个领域。正是它的高效能源利用率和节能环保，应用于武汉理工大学余家头校区刚好合适。基于目前的CHP联供发展状况，本文对余家头校区的用能情况进行了一系列的调研，并对CHP联供提出了一定的设计方案以及经济性和环保性进行了评估。

1.3.1 主要研究内容

本文的主要研究内容如下：

（1）调研武汉理工大学余家头校区的气候特点及用能情况：余家头校区地处武汉市，冬天寒冷，夏天酷热。用电高峰期尤为明显。同时用能处于一种较为不科学的方式，亟需改善以降低能耗。

（2）设计并选择余家头校区的CHP联供方案：在弄清楚用能情况的基础的上，需要设计几种较为合适的CHP联供方案以符合余家头校区的用能情况。

（3）比较几种CHP联供方案的经济性和环保性：在设计出几种较为合适的方案之后，要对方案进行评估，比较，从而选择一个最合适的方案。

（4）计算最合适的CHP方案的能源利用率以及每年的节约能源情况：与传统相比，所设计的CHP联供方案投资以及每年所能节省的资金，并在多长时间能够收回成本。

1.3.2 主要研究方法

合适的研究方法在课题研究的过程中起着至关重要的作用，本文的主要研究方法如下：

（1）文献查阅。文献查阅是快速获知国内外在相关领域研究成果的最有效途径，通过文献查阅，可充分了解本课题在当下的发展情况，学习相关研究思路及方法。

（2）调查研究。调查方法是科学研究中常用的基本研究方法，它综合运用各种方法以及谈话、问卷、个案研究、测验等科学方式，对研究对象进行有计划的、周密的和系统的了解，并对调查搜集到的大量资料进行分析、综合、比较、归纳，从而得知研究对象的规律。

（3）数学模型法。由于不能进行实验验证，因此有必要建立一定的数学模型来进行经济性和成本回收分析。

（4）归纳总结。通过归纳总结，可在当前发展的研究基础上，对不同学者研究思路及方法进行总结分类，由此确立本文的研究方向及技术发展路线。同时，归纳总结也可广泛用于研究方法的选用和后处理分析等方面。

1.4 技术路线

首先分析不同季节的用能情况，包括夜晚白天的用能情况及用电高峰期的用能情况；

然后根据用能需求进行分布式能源供能选型，选出不同的分布式能源供能组合，其中包括燃气轮机、内燃机、蒸汽轮机、太阳能等。

最后对于不同组合的初投资、经济性、排放性等进行对比，选出最佳方案。

第2章 CHP联供系统

CHP联供技术是以一次能源（本文采用排放较少的天然气）为基础，用燃机燃烧天然气产生的热能直接发电，同时将排出的高温烟气回收，使用中温热能进行供热，而低温热能用于制冷，热电效率可高达80%以上的分布式冷热电供能系统（如图2.1所示）。电能通过供电系统送至用电设备，热能可以用于通过蒸汽供暖和供应热水，冷能可用于空调制冷，使得春夏秋冬室内都保持一个舒适的温度。

图2.1 CHP联供系统的能源梯级利用

2.1 系统组成

CHP联供系统由动力发电系统和余热利用系统组成。按不同的动力发电设备可分为3种：

（1）燃气轮机冷热电联供。如图2.2。

图2.2 燃气轮机冷热电联供

（2）内燃机冷热电联供。如图2.3。

图2.3 内燃机冷热电联供

（3）微燃机冷热电联供。如图2.4。

图2.4 微燃机冷热电联供

2.2 联供系统的优点和局限性

三联供系统凭借其能源梯级利用方式和灵活的分布式设置，在以下几个方面优势明显^[10]：

1. 能源结构优化。

天然气属于清洁能源。但在武汉等地区冬、夏两季处用电高峰期，单纯靠电厂低效率火力发电造成能量的极大浪费。而利用燃气冷热电联供将一部分高峰用电转移到CHP联供系统供电，同时供热制冷，有利于改善能源供给结构。

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