熱電聯(lián)產(chǎn)

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

熱電冷聯(lián)產(chǎn)（trigeneration）是同時生產(chǎn)電能（或機械能）、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，背壓汽輪機常常受到區(qū)域供熱負(fù)荷的限制不能按經(jīng)濟規(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則通過技術(shù)革新已經(jīng)產(chǎn)出了尺寸小、質(zhì)量輕、機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，機械效率為30%～40%，熱效率為70%～80%。所以在有燃?xì)夂腿加偷牡胤?，燃?xì)廨啓C正日益取代汽輪機在熱電聯(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、汽輪機拖動的離心式冷凍機、背壓汽輪機排隊汽余熱驅(qū)動的吸收式冷凍機等組成。作為基本負(fù)荷制冷機采用這種"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10%。近年來我國上海浦東國際機場和上海市黃浦區(qū)中心醫(yī)院也建成了燃?xì)廨啓C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，利用汽輪機將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并帶動交流發(fā)電機發(fā)電；汽輪機的抽汽或排汽對外供熱和驅(qū)動吸收式制冷機制冷。此外，該系統(tǒng)還可作如下變化：用制冷壓縮機取代交流發(fā)電機，或在抽汽式汽輪機的抽汽處裝第二臺帶動制冷壓縮機的汽輪機。

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[1]中估算了利用汽輪機抽汽或排汽對外供熱和驅(qū)動吸收式制冷機制冷情況下的供熱、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，熱電機組因供熱而比用凝汽式機組所減少的發(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)別汽輪機型式、進汽參數(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。由于汽輪機型式和進、排汽壓力有高有低，制冷機和熱泵的特性系數(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?？傮w上，利用外燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)的熱能供熱制冷，需要汽輪機有較高的進汽壓力和熱驅(qū)動制冷機較高的性能系數(shù)，才能與具有較高性能系數(shù)的電動制冷機和熱泵相競爭。汽輪機直接拖動的壓縮式制冷一次能耗率取決于制冷機的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)燃機或燃?xì)廨啓C通過一或兩個軸，向交流發(fā)電機和/或制冷壓縮機提供機械能。由一自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)交流發(fā)電機和制冷壓縮機提供能量的比例。內(nèi)燃機或燃?xì)廨啓C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組制冷?；厥张艢庥酂崴谜羝部上葞悠啓C發(fā)電或產(chǎn)生機械功，構(gòu)成燃所-蒸汽聯(lián)合循環(huán)，進一步提高熱能動力裝置的效率，然后再由汽輪機的抽汽或排汽供熱及由吸收式制冷機組制冷。

內(nèi)燃燒式熱電聯(lián)產(chǎn)熱能是從回收燃?xì)廨啓C或內(nèi)燃機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)機械。其特性是：與原動機（燃?xì)廨啓C）在同一根軸上連接著發(fā)電機/電動機和制冷壓縮機；天然氣和電的任意組合都可用于驅(qū)動螺桿壓縮機，而原動機產(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復(fù)合式聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的流程

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（ICE）、發(fā)電機（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?，后者為前者提供冷卻水。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)燃機回收的熱量QICE=125.17kW，常規(guī)熱電機組輸出的電量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、壓縮式制冷機和凝汽式發(fā)電機的熱電冷分產(chǎn)相比節(jié)能率達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，但因制冷機的排熱得到利用，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，則需要汽輪機有較高的進汽壓力和熱驅(qū)動制冷機有較高的性能系數(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40%?？梢姡ㄟ^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?？梢韵胍姡⌒头稚⒒療犭娎渎?lián)產(chǎn)系統(tǒng)將會與之伴隨發(fā)展。

參考文獻

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.

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