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在大型城市酒店使用微型燃气轮机系统供热和供电
Timothy C. Wagner，博士ASHRAE成员 Richard S. Sweetser会员ASHRAE
Neil P. Leslie，PE会员ASHRAE Therese K. Stovall，PE会员ASHRAE
摘要：本文描述了在加利福尼亚州旧金山的一家大酒店安装和运行热电联产（CHP）系统的合作成果。这个热电联产系统集成了四个微型燃气轮机，双效吸收式冷却器，两个燃气增压器以及控制硬件和软件，以确保系统可预测，可靠和安全地运行。冷水机组直接通电回收来自微型燃气轮机的热排气，并可配置为提供冷水或热水。安装后，该系统能够在环境温度为59°F（15°C）时提供高达227 kW的净电功率和142冷冻水（RT）。在某些条件下，该系统显示出提供80％以上的热电联产效率的能力。然而，整整一年，效率是由于与现有建筑设备的非最佳整合，只有54％。并讨论了从这个测试和验证项目中汲取的重要经验教训，以及衡量该系统的性能和经济方面的考虑。
介绍
每年，美国的商业建筑物用电量约为42亿兆瓦时（14万亿英热单位）。到2030年，他们的电力消耗预计将增长50％以上（DOE 2007）。由于电力是在远程发电厂中产生的，因此在转换和交付过程中，这些能源中约有70％会丢失，因此实际上只有4个四倍电量被输送到建筑物。另一方面，热电联产（CHP）能够产生电力和有用的热能，因此只有不到30％的可用能量损失（Petrov等，2006）。热电联产不是一项新技术。事实上，高效热电联产工艺被用于许多最早的发电厂，包括20世纪20年代在布鲁克林建成的770兆瓦水电厂（ConEdison 2007）。此外，由于热能流由再生发电机废气产生，因此与使用电网供电和本地锅炉的传统组合提供能量的情况相比，污染物的总量少。一些观察家认为，小型热电联产机组只能取代高效中央燃气联合循环发电厂，因此总排放量可能会增加。然而，针对这个问题的一项研究发现，考虑到每个CHP情景，总排放量和经济总成本都降低了（Hadley等，2003）。
在2004年对热电联产装置的国家清单进行审查发现，它们大多数都位于工业应用领域，如造纸厂和化工厂（RDC 2005）。同样的审查发现，电力容量在80千瓦和1兆瓦之间的热电联产机组不太可能在这种工业环境中使用，提供了大约6,800千兆瓦时（23,000亿Btus）的热能。多项市场研究得出结论认为，建筑领域热电联产系统使用量的显着增长是可能的。到2020年，商业建筑的发电潜力超过35GW（RDC 2005; EEA 2003a，2003b）。这些研究指出，商业部门当前的热电联产系统是浓缩的，目前，它们在教育和医疗保健建筑中进行了销售，但包括酒店在内的许多其他建筑部门都存在巨大的潜力。酒店全年需要大量同步电力和热能，因此可能与热电联产系统很好地匹配。酒店也代表了可重复制造生产的机会，因为许多酒店都属于大公司。本文描述的热电联产系统包括四台产生净额定容量227kW的微型涡轮机和142制冷吨（RT）（Wagner等，2007）的双效吸收式制冷机。在CHP系统中使用微型燃气轮机提供了充分利用可用能量的充分记录的优点。对于任何简单的布雷顿动力循环来说，随着环境温度的升高，循环效率的下降是很好理解的。在炎热的夏季，当电力需求通常最高时，这可能是一种损害。然而，人们并没有认识到基于Brayton动力循环的热电联产系统（包括热活化设备，如本项目中使用的吸收式制冷机）实际上随着环境温度的升高而整体系统效率提高。这一趋势是由于涡轮机排气温度的增加而导致补偿增加CHP的热激活部件的效率。
这已在实验室记录（Zaltash et al。2006），并且也在此处报道的实地数据中显示。本文描述的系统的一个重要方面是，CHP系统已经由制造商真正集成以匹配每个组件的容量和性能参数。以前的研究已经显示了整个系统性能与每个组件的设计和规模之间的重要关系（Zaltash et al。2005）。
这些组件包括微型涡轮机，吸收式制冷机，多台换热器，燃气增压器和控制系统。例如，这里使用的双效吸收式制冷机最初设计用于接受来自燃烧室的热量，但它重新设计了先进的热交换器以接收来自微型涡轮机废气的热量（Rosfjord et al。2003）。双效吸收式冷水机组还表现出在从单倍效应单位到双重效应单位的效率提高与其相应的成本和复杂性增加之间的平衡问题（Mone et al。2001; Ziegler 2002）。
目的
本文描述的测试和验证项目的目标是:在位于加利福尼亚州旧金山的一家豪华酒店安装，操作和监控热电联产系统。项目期间收集的信息用于描述CHP系统在典型酒店运行条件下的技术和经济表现，并描述在未来设计和安装中使用的经验教训。
途径
该设备制造商与该酒店的研究机构和母公司合作，在旧金山的酒店建造，交付，安装，测试和演示基于微型燃气轮机的热电联产系统。酒店的母公司强烈希望采用这种解决方案来抵消由于系统的能源效率，低排放和其他地点的可复制性而带来的能源负荷。预制的集成系统使用四台微型涡轮机和一台双效吸收式制冷机提供基本负载电力和空间温度调节。此前的研究确定了该系统的技术，包括分流阀和控制技术，以独立满足电气和冷却需求（Wagner 2004）。系统性能以前就在制造商的CHP实验室的特定操作条件下记录下来，该实验室包含负载库以根据已建立的行业方法学模拟各种热负荷（Rosfjord et al.2003）。根据本文所述的项目，热电联产系统的设计是为满足特定场地要求而量身定制的。与酒店，公用事业和城市一起解决了网站集成问题。CHP系统安装以后，使用远程监测系统安监测一年。
该热电联产系统包含四个微型涡轮机，每个微型涡轮机在59°F（15°C）的海平面条件下额定功率为60千瓦。额定氮氧化物排放量在15％排气氧下低于9 ppm，满足安装时有效的当地排放要求。每台微型燃气轮机的排气都汇集在一起，为双效吸收式制冷机提供输入能量（图1）。溴化锂冷水机组由蒸发器，吸收器，冷凝器，高温和低温发生器，溶液热交换器，制冷剂和溶液泵，吹扫装置，控制装置和辅助装置组成。该冷水机组采用直接燃烧的冷水机组，增加了第一级发生器的传热面积，以补偿较低温度的入口能量。由于它是双效设备，冷水机组可有效地将输入的热能转化为冷水，并实现约1.3的性能系数（COP）。双效功能还允许手动切换冷水机组作为冷水机组或加热器。
图1 CHP系统原理图。
以这种方式，热电联产系统可以成为“四季”产品，提供空间冷却或空间加热。控制系统在微型燃气轮机和冷却器之间的管道中包括分流阀。如果冷却需求为零，则该阀将微型涡轮排气转向大气中。如果存在寒冷的需求，分流器将定位为提供冷水机组所需的能量以满足需求。在空载情况下隔离冷水机组的能力对于避免冷水机组内的浓度过高和可能的溶液结晶很重要。分流阀设计并经过测试，以确保这一能力。图1中还示出了燃气增压器（FGB），其将由燃气公用供应的天然气燃料的压力升高到微型燃气涡轮机所需的水平。每个CHP系统将一个FGB用于一对微型涡轮机。 FGB由一台微型涡轮机对内产生的直流电供电;因此，微型涡轮机经历寄生电负载，电流输出。该对中的另一个微型涡轮机没有这种输出减少。表1详细列出了CHP系统在95°F（35°C）和59°F（15°C）条件下的性能规格。净功率水平包括两个FGB的功率。
如上所述，综合该项目的电气和冷却能力，导致热电联产效率超过80％。为了在应用中达到这个水平，建筑物必须有效利用整个系统的输出能力。项目地点和冷水机组一体化CHP系统安装在旧金山市中心的豪华酒店。该酒店由一个房地产投资信托基金拥有，其投资组合包括26个州的100多个物业，其中包括在加利福尼亚州和佛罗里达州的大量持股，以及亚特兰大，波士顿，纽约和华盛顿附近的城市。DC酒店最近完成了1250万美元的翻新工程，并拥有336间客房。业主希望为能源基础设施增加一个热电联产系统，因为它符合企环境管理的愿景并具有节省能源成本的潜力。根据历史数据和分析，酒店能源需求平均为670千瓦电力和1200千瓦总电力。图2追踪了2002年11月开始的全年的瞬时电力需求。年内的电力需求很少下降到500 kW以下。由于全年酒店的重要且持续的空调需求，热电联产系统仅集成了与冷水循环（图3a，3b和3c）。吸收式冷水机组与两台现有的300RT电动冷水机组（一台主机和一台备用机组）并行运行。但是，建筑冷水供应回路的设计冷水流量远高于吸收式冷水机组。适应不同的流量和压力下降时，需要带有电动隔离阀的旁路回路来平衡不同运行模式下的流量。在采用CHP的吸收式冷水机组模式（图3a）中，电动阀定位为允许返回冷却水仅流过吸收器和旁路回路。通过吸收器的冷冻水流速设定值为270 gpm（17 L / s），由吸收器出口处的流量计测量。旁路回路的流量变化根据建筑物的冷水需求。在同步制冷机模式下（图3b），阀门设置允许流过吸收式冷水机组和其中一台电动冷水机组，但不通过旁路。当发生这种情况时，电动冷水机组的较低的流动阻力将通过吸收器的冷水流量降低到170 gpm（11 L / s）。在仅电动冷水机组模式下（图3c），阀门位置隔离了吸收式制冷机组和旁路回路。通过活性电冷却器的冷冻水流量大约为500 gpm（32 L / s）。
在城市环境中安装
热电联产系统安装在屋顶四层以上的屋顶（图4）。围墙的空间直接位于酒店机械室的上方，但狭长且毗邻户外庭院。靠近机械室最大限度地减少了冷水回路的管道集成的挑战，但靠近庭院需要系统非常安静。此外，酒店附近的地面空间可用于吊装设备，这是一个狭窄的私人通道。这些问题中的每一个都已解决。卫生防护中心系统管道和FGB位置通过修改设置符合现有的屋顶空间标准包装位置。然后将所有组件放置在离开现有备用发生器和冷却塔的原始位置。限制提升机通道对于将冷水机组推到屋顶位置提出了重大挑战。虽然每台微型涡轮机的重量仅为1700磅（770千克），但吸收式冷水机组重达18,500磅（8400千克）。最初的起重机吊车将微型燃气轮机和FGB吊装起来，而无需特殊设备;冷水机组的第二部电梯（图5）被拖延了一个月，以确定起重机空间要求，城市许可证以及进入大型起重机酒店附近的私人小巷。
表1.热电联产系统性能规格
图2酒店年度电力需求情况，从2002年11月1日开始。
图3冷水机组运行模式：（a）仅吸收冷水机组模式（即CHP模式），（b）同时模式和（c）仅电动冷水机组模式。
图4 四层屋顶的热电联产系统位置。
电网互联
美国的大部分电网通过径向连接向最终用户提供电力。尽管发电厂电缆中可能有许多分支，但最终用户在现场还有一个最终的径向反馈线。当分布式发电源位于这样的最终用户处时，径向互连中包括反向功率继电器以断开该现场源以防止电能被输出回到电网。
一些大城市地区的最终用户的电力供应使用多个馈线的网络到站点。多种电源在电力供应中提供冗余，增强了电力可靠性。但是，他们也需要在客户侧的每个公用馈线上的变压器提供网络保护器。网络保护器是一个断路器和一个反向电流保护继电器的组合，用于防止电流反向流动到发生故障的馈线上。其目的是防止电能从一个馈电器流回到另一个馈电器。保护器设置为瞬时检测到反转并打开接触器，但是该开启需要5-25秒，并且需要手动重置。酒店拥有网络电力连接和现场发电机。这种情况需要专门的研究和电气升级，因此需要额外的成本来实现安全可靠的热电联产系统的并网。当现场发电安装在网络供电的现场时，现场负载可能暂时低于发电机输出，导致电力输出，除非使用其他预防性设备。这种可能性通过在发电机和正常负载之间需要缓冲器而被最小化。但是，这个措施没有保证出口永远不会发生。如果导出确实发生，网络保护器会感应到反向电流并立即开始打开。公用事业公司表示担心，所有的网络探测器都可能感知到逆转并开始打开，使网站无需任何电网供电，并且需要时间和成本来重置它们。为了避免这种情况，该站点需要进行重要的互连升级（图6）。
网络保护装置的升级具有可调节的时间延迟，以避免瞬时响应，并且如果电网电力的净需求降至25kW以下，则会打开一个低功率继电器。此外，控制器会隔离现场发电机，如果它会感觉到任何一个网络保护器已经打开或者是因为馈线故障或电源输出增加冗余保护以防止反向电流流向任何馈线。该实用程序所需的互连升级成本总计约为140,000美元。实施统一的互连标准有可能降低项目成本。
图5狭窄巷道内的吸收式冷水机组。
图6用于网络互连的添加设备。
数据采集系统
使用制造商的远程监控系统测量CHP系统的性能为期一年。远程监控系统提供来自Intranet或者Internet的本地和远程监控互联网。系统报警会自动转发到远程监控中心以便立即响应。性能数据和报警历史存储在中央数据库中。远程监控中心的互联网门户网站提供与网站的连接并允许数据库查询和报告。数据是从每台微型燃气轮机和冷水机组的远程监测系统测量数据以及该设备的附加仪器获得的。来自每个微型涡轮机的重要参数包括净电功率和环境温度。附加仪器测量天然气燃料的总流量和吸收式冷却器中冷却水的流量，返回温度和离开温度。远程监控系统每六分钟获取一次数据。每个条目由三个数据记录组成一个用于制冷机，一个用于四个微型涡轮机，另一个用于效率监测。表2为这些数据记录中的每一个提供了记录或计算的性能参数的子集。每个记录都有一个日期/时间戳。当远程监控系统的各个方面运行正常时，这三个记录具有相同的日期/时间戳
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