熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能管理論文

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摘要

根據(jù)動力裝置，熱電冷聯(lián)產(chǎn)可分為外燃燒式（蒸汽動力裝置）和內(nèi)燃燒式（燃?xì)鈩恿ρb置）。分析了外燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能條件，計算表明內(nèi)燃燒式系統(tǒng)具有節(jié)能優(yōu)勢和潛力。

關(guān)鍵詞:熱電冷聯(lián)產(chǎn)供熱供冷節(jié)能

Abstract

Accordingtothekindofpowerplantthecombinedheating,coolingandpowerproductionsystemcanbedividedintoexternalcombustionandinternalcombustiontypes.Analysestheconditionsofenergyefficiencyfortheexternalcombustionsystems.Explainstheadvantageandenergysavingfortheinternalcombustionsystemsbyaexample.

Keywords：combinedheatingcoolingandpowerproductionheatingandcoolingenergyefficiency

0引言

熱電冷聯(lián)產(chǎn)（trigeneration）是同時生產(chǎn)電能（或機(jī)械能）、熱能和冷媒水的一種聯(lián)合生產(chǎn)方式，由熱電聯(lián)產(chǎn)（cogeneration）發(fā)展而來，是熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與制冷技術(shù)（吸收式或壓縮式）的結(jié)合。

熱電冷聯(lián)產(chǎn)裝置的選擇范圍很大。就動力裝置而言可選擇外燃燒式蒸汽動力裝置和內(nèi)燃燒式燃?xì)鈩恿ρb置；就制冷而言可選擇壓縮式、吸收式或其它熱驅(qū)動制冷方式，還可以根據(jù)用戶性質(zhì)、條件選擇大規(guī)模熱電冷聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)裝置和設(shè)在用戶現(xiàn)場的三聯(lián)產(chǎn)裝置。熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程也有許多優(yōu)選的余地。

在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用中，背壓汽輪機(jī)常常受到區(qū)域供熱負(fù)荷的限制不能按經(jīng)濟(jì)規(guī)模設(shè)置，多數(shù)是容量相當(dāng)小和效率低的，而燃?xì)廨啓C(jī)則通過技術(shù)革新已經(jīng)產(chǎn)出了尺寸小、質(zhì)量輕、機(jī)械效率高和排氣溫度高的產(chǎn)品。產(chǎn)品的容量從小于750kW到大于75kW，甚至有容量超過300kW和小于80kW的。它們用于熱電聯(lián)產(chǎn)時，機(jī)械效率為30%～40%，熱效率為70%～80%。所以在有燃?xì)夂腿加偷牡胤剑細(xì)廨啓C(jī)正日益取代汽輪機(jī)在熱電聯(lián)產(chǎn)中的地位。

20世紀(jì)90年代初建成的日本新宿區(qū)域供熱供冷中心的熱電冷聯(lián)產(chǎn)是一個大規(guī)模系統(tǒng)的典型實例。該系統(tǒng)由燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、汽輪機(jī)拖動的離心式冷凍機(jī)、背壓汽輪機(jī)排隊汽余熱驅(qū)動的吸收式冷凍機(jī)等組成。作為基本負(fù)荷制冷機(jī)采用這種"前置式"組合，能適應(yīng)一年中冷、熱負(fù)荷的變化而保持高效運行，節(jié)能達(dá)10%。近年來我國上海浦東國際機(jī)場和上海市黃浦區(qū)中心醫(yī)院也建成了燃?xì)廨啓C(jī)熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

1外燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)

外燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是由鍋爐產(chǎn)生高壓高溫蒸汽，利用汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并帶動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電；汽輪機(jī)的抽汽或排汽對外供熱和驅(qū)動吸收式制冷機(jī)制冷。此外，該系統(tǒng)還可作如下變化：用制冷壓縮機(jī)取代交流發(fā)電機(jī)，或在抽汽式汽輪機(jī)的抽汽處裝第二臺帶動制冷壓縮機(jī)的汽輪機(jī)。

熱電冷聯(lián)產(chǎn)對于熱電廠來說夏季要供冷從而全年可以多發(fā)電，提高了設(shè)備利用率。但是與凝汽式發(fā)電相比，供熱汽輪機(jī)組電效率降低，所以說，外燃燒式熱電聯(lián)合生產(chǎn)熱能是以發(fā)電量的減少為代價的。筆者在文獻(xiàn)[1]中估算了利用汽輪機(jī)抽汽或排汽對外供熱和驅(qū)動吸收式制冷機(jī)制冷情況下的供熱、供冷一次能耗率。方法是在消耗同等數(shù)量燃料熱的條件下，熱電機(jī)組因供熱而比用凝汽式機(jī)組所減少的發(fā)電量，折合成一次燃料熱，作為聯(lián)產(chǎn)供熱消耗的能量。因這種方法固定了發(fā)電能耗率，故可只根據(jù)供熱和供冷一次能耗率來估計哪一類熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是節(jié)能的。而且用該法也便于與其它單純供熱和供冷的系統(tǒng)比較。這種方法還能區(qū)別汽輪機(jī)型式、進(jìn)汽參數(shù)及供熱參數(shù)等不同因素的影響。這一點對于供冷能耗估算是至關(guān)重要的。

估算結(jié)果表明，利用聯(lián)產(chǎn)熱供暖供冷與用鍋爐或直燃熱相比總是節(jié)能的。至于把得用聯(lián)產(chǎn)熱供暖與電動熱泵供暖相比，以及利用聯(lián)產(chǎn)熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)供冷和電動制冷相比的結(jié)果，則不能一概而論。由于汽輪機(jī)型式和進(jìn)、排汽壓力有高有低，制冷機(jī)和熱泵的特性系數(shù)COP也有高有低，還有電廠效率和實際運行情況等等，所以必須全考慮有關(guān)因素具體分析。總體上，利用外燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)的熱能供熱制冷，需要汽輪機(jī)有較高的進(jìn)汽壓力和熱驅(qū)動制冷機(jī)較高的性能系數(shù)，才能與具有較高性能系數(shù)的電動制冷機(jī)和熱泵相競爭。汽輪機(jī)直接拖動的壓縮式制冷一次能耗率取決于制冷機(jī)的COP，與電動制冷類似。

2內(nèi)燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)

在內(nèi)燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)通過一或兩個軸，向交流發(fā)電機(jī)和/或制冷壓縮機(jī)提供機(jī)械能。由一自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)和制冷壓縮機(jī)提供能量的比例。內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱可以直接或間接（通過余熱鍋爐）用于供熱及吸收式制冷機(jī)組制冷。回收排氣余熱所得蒸汽也可先帶動汽輪機(jī)發(fā)電或產(chǎn)生機(jī)械功，構(gòu)成燃所-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，進(jìn)一步提高熱能動力裝置的效率，然后再由汽輪機(jī)的抽汽或排汽供熱及由吸收式制冷機(jī)組制冷。

內(nèi)燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)熱能是從回收燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣或冷卻汽缸的余熱所得，若未采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，則不影響發(fā)電量卻提高了熱能利用率。所以可視為廢熱利用，從能源的有效利用來看比外燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)更為有利。

20世紀(jì)90年代初美國專為區(qū)域供能開發(fā)了熱電冷三聯(lián)產(chǎn)機(jī)械。其特性是：與原動機(jī)（燃?xì)廨啓C(jī)）在同一根軸上連接著發(fā)電機(jī)/電動機(jī)和制冷壓縮機(jī)；天然氣和電的任意組合都可用于驅(qū)動螺桿壓縮機(jī)，而原動機(jī)產(chǎn)生的軸功可用于在任意比例下生產(chǎn)冷媒水和發(fā)電；用原動機(jī)的排氣生產(chǎn)出熱。從來自區(qū)域供能裝置運行的實際數(shù)據(jù)，得出單位冷量的天然氣消耗量換算成供冷一次能耗率為：帶熱回收的三聯(lián)產(chǎn)0.317，三聯(lián)產(chǎn)0.667。三聯(lián)產(chǎn)裝置的年滿負(fù)荷運行時數(shù)達(dá)到5000～7000h[2]。

下面以一個例子說明熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的流程，以及在內(nèi)燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率和節(jié)能率的計算。

圖1所示的復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[3]是在上面電量描述的在內(nèi)燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展的。該系統(tǒng)由以天然氣為一次能源Qp的內(nèi)燃機(jī)（ICE）、發(fā)電機(jī)（G）、吸收式制冷系統(tǒng)（ARS）和蒸氣壓縮式制冷/熱泵系統(tǒng)（HP）組成。熱泵的驅(qū)動力P是常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總電量NCCU的一部分。NCCS是熱電冷聯(lián)產(chǎn)的輸出電量。內(nèi)燃機(jī)的供熱量QICE是來自燃燒產(chǎn)物熱量QCP與來自冷卻汽缸的熱量QEC之和。用QCP作吸收式制冷系統(tǒng)的驅(qū)動熱能；熱泵冷凝器放熱QCH和冷卻汽缸得熱QEC用于供熱水。圖示系統(tǒng)分別從吸收式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)得到冷量QEA，從換熱器HEEC和HEWH及熱泵冷凝器得到熱量QEC+QWH+QCH，以及電量NCCS。這個系統(tǒng)的特點是回收吸收式制冷機(jī)的吸收器和冷凝器的放熱作為壓縮式熱泵蒸發(fā)器的吸熱。前者作后者的低溫?zé)嵩矗笳邽榍罢咛峁├鋮s水。它還能生產(chǎn)出兩種溫度的熱水以滿足不需要。

計算采用如下參數(shù)：

復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗量QP=243.1kW，從內(nèi)燃機(jī)回收的熱量QICE=125.17kW，常規(guī)熱電機(jī)組輸出的電量NCCU=74kW，從換熱器HECP取得的熱量QCP=66.28kW，從換熱器HEEC取得的熱量QEC=58.89kW，電熱比，常規(guī)熱電機(jī)組的總效率，分產(chǎn)時發(fā)電與輸電效率ηe=0.35，分產(chǎn)時鍋爐供熱效率ηf=0.9,分產(chǎn)時壓縮式制冷系統(tǒng)性能系統(tǒng)COPCRS=2.5。

對于圖1的復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作計算得到：可利用熱輸出量之和

∑QH=QCP+QEC=QWH=188.47kW

供冷量

∑QC=QEA=46.01kW

壓縮式熱泵系統(tǒng)的驅(qū)動力

P=17.28kW

電力輸出

NCCS=NCCU-P-=56.72Kw

復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率

熱電冷分產(chǎn)系統(tǒng)的一次能耗率

PERSG=1.455

一次能的節(jié)約率

計算結(jié)果表明，該復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與采用鍋爐、壓縮式制冷機(jī)和凝汽式發(fā)電機(jī)的熱電冷分產(chǎn)相比節(jié)能率達(dá)42.6%。盡管它采用了性能系統(tǒng)只有0.7的單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，但因制冷機(jī)的排熱得到利用，整個系統(tǒng)仍有很低的一次能耗率。

3結(jié)束語

利用外燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)的熱能供熱制冷，與利用直燃/鍋爐熱相比總是節(jié)能的，但與性能系數(shù)較高的電動制冷和熱泵相比較，則需要汽輪機(jī)有較高的進(jìn)汽壓力和熱驅(qū)動制冷機(jī)有較高的性能系數(shù)。所以說，外燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能是有條件和有局限性的。

內(nèi)燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)熱能是從回收燃燒產(chǎn)物或冷卻氣缸余熱所得，不影響發(fā)電量，故具有節(jié)能優(yōu)勢。文中介紹的復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，與分產(chǎn)相比系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)40%。可見，通過優(yōu)化設(shè)備配置和系統(tǒng)流程，內(nèi)燃燒式熱電冷聯(lián)產(chǎn)還有很大的節(jié)能潛力。

在區(qū)域供熱和供冷應(yīng)用中有條件地以內(nèi)燃燒式或燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)聯(lián)產(chǎn)裝置取代外燃燒式聯(lián)產(chǎn)裝置是一種趨勢。當(dāng)然還需針對不同供能對象和負(fù)荷條件進(jìn)行設(shè)計，解決好能量利用的合理性與用戶條件的現(xiàn)實性的矛盾，才能收預(yù)期的節(jié)能效果。

近來，微型燃?xì)廨啺l(fā)電技術(shù)在美國和日本興起，設(shè)備發(fā)電容量30～80kW，發(fā)電效率達(dá)26%～28.5%。這種小型化、高效率和分散型的發(fā)電裝置，有可能成為21世紀(jì)能源技術(shù)的主流，并將掀起"電源小型分散化"的技術(shù)革新熱。可以想見，小型分散化熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將會與之伴隨發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

1陳君燕，冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的能耗估算，暖通空調(diào)，2001，31（3）.

2MornhedGel,CastenTR.Innovationindistrictheatingandcooling1984-1994andtheireconomicimpact.ASHRAETrans,1995,101,partI:911-916.

3HavelskyV.Energeticefficiencyofcogenerationsystemsforcombinedheat,coldandpowerproduction.IntJrefrig,1999,22(6):479-485.