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1、中国工程热物理学会工程热力学与能源利用第十一届年会编号：0 5 1 0 7 9热电冷联产系统的节能分析张晓晖- 杨茉z 蔡祖恢z 卢攻2 余敏21 苏州大学热能动力工程系2 1 5 0 0 62 上海理工大学动力工程学院2 0 0 0 9 3( T e l ：0 5 1 2 6 1 0 8 0 9 6 7E - m a i l ：z h a n g x h e m 1 2 6 c o r n )摘要：从系统基础能源消耗角度建立起以热电比、热效率、性能系数以及基准分产系统的热力性能参数表示的联产系统相对于分产系统节能判断关系式，易于工程应用，并以实际热电机组为例进行计算验证研究表明，热电冷联产系
2、统节能是有条件的，在热电联产基础上发展热电冷联产关键是对供热机组的选择，吸收式制冷机对节能影响很小，得到了以往被忽略的动力与制冷的匹配关系。1 引言热电冷三联供技术目前正处于快速发展中。在一些没有稳定工业热负荷的热电厂，如果仅是热电联产，热负荷通常会受季节等因素的影响，无法实现完全的热电联供，这会降低热电厂供能的热经济性。以热电厂的供热为能源，利用溴化锂吸收式制冷机组集中制冷，从而实现热电冷三联供，可以使热电厂的热负荷相对较为平稳，提高热电机组的负荷因子，因而热经济性较高。由于热电冷各子系统的( 动力系统、供热系统和制冷系统) 选择余地较大，如何具体构造三个子系统、匹配三种能量除了经济性影响因
3、素外，联产系统的能耗特性是最主要的因素，它将影响联产系统的节能效果。就上述问题相关的研究工作有：A d w i nM a r t e n s 以发电份额、供热份额论述了不同原动装置( 内燃机、蒸汽机、燃气轮机等) 热电联产节能的相对性，H a v e l s k y l 2 1 及T c h o u a t cH e t e u 吲则利用节能率概念分析了以燃气轮机为原动装置热电冷系统的节能性，从这些文献可见国外对于以蒸汽轮机为基础的热电冷联产系统的为研究对象的节能分析模型 还不多见。国内对此类热电冷联产系统的节能判断研究报道很多，由于出发点不同，所得结论有相同之处，也存在相互不一致的地方，从不
4、同侧面反映联产系统的节能性，如采用当最热力系数f 4 j 、联产系统发电煤耗唧、燃料节省【6 】 7 】等方法的研究。本文正是针对此种研究现状，对联产系统的能耗性能进行研究，得到了联产系统节能必须的条件关系式，建立了联产系统节能定量分析模型，为联产系统集成提供可靠的理论依据，为热电冷联供系统的推广应用奠定基础。2 热电冷联产系统节能分析模型建立本文以一次( 或基础) 能源消耗量作为比较基准。实际运用中常用热电比和热电厂总效率来考核热电厂，所以在F 面能耗的分析中将推导出以热电比和热效率等因素表示的联产机组节能模型表达式，这样更具有实际指导意义。以一单抽热电联产机组的能量转换系统为例，该系统向外
5、界输出的能量由两部分组成，一是向外输出的电能，二是向外输出的热量考虑到为不影响汽轮机通流效率的改奉文研究工作得到上海市重点建设学科项目支持2 7 8变，使汽轮机处于额定工况，比较实际的热电冷联产系统的热和冷的能量供给是在已有的同一抽汽口抽出用于供热和制冷，这样，可以利用热电比对热电冷联产系统进行分析。对丁二联产机组，一般常用燃料利用系数( 也称总热效率) 和热电比世作为量化 指标，联产机组热电比可表示为：K = p P( 1 )其中Q 为联产机组供热量，P 为联产机组发电量，引入五表示用于吸收式制冷机发生器加热热量l l 总的抽汽供热量的份额，这样丘Q 为制冷用热量，r l X ) Q 为供热
6、用热量。 考虑一般情况，联产机组处于系统之中，系统包括电网主力凝汽机组的供电、热电冷联产机组的发电、供热与制冷，压缩式制冷机制冷，供热锅炉供热，通常情况下，联产系 统所提供的冷、热、屯输出与用户所要求的不完全一致，将外界用户冷、热和电需求化为无因次量表示，即外界用户需求制冷量Q 。与联产机组发电量P 比、外界用户需求供热量Q x r 与联产机组发电量P 比、外界刚户需求电量匕与联产机组发电量P 比分别为：K ? 2 Q “P ，K h = Q 。P ，K ，= 气P联产机组不足供热( E P r 1 一五J 心) 、不足发电( K 。P P ) 及不足制冷( K 。P C O P ) l E
7、K P ) 由系统中分产的参考锅炉房( 效率为r b ) 、凝汽机组( 效率为r p )和电压缩制冷机( 性能系数为c D Z ) 供给。上述联产节能分析的比较基准不应低于当前国家规定允许的最低建设标准，取 3 0 0 M W 纯凝汽机组发电效率作为分产凝汽机组发电效率基准；取集中供热效率8 0 作为比较基准，电能驱动的压缩制冷机的性能系数取5 0 。由式( 1 ) 、( 2 ) 可得联产系统的一次能耗为：r 朋上：型+ 竖螋 n qb分产系统的一次能耗为：+ ( K v - 1 ) P + ( K , - C O P n M Q P ( 3 )r l ，C O P , r l ，r 删。：垡
8、+ 型+ 旦 、5，7 。刁。玎。c o t “联产系统与分产系统的一次能耗比为：K + 1r 1 一a ) K1c o P x K( P E ) o ：】+ 坠堡坠婴坠 ( P E ) ；K h 。K P 。K ： 叩。叩，叩，C O P2 7 9“)( 5 )若联产机组给定，如K = 1 2 ，= 0 8 ，名= 0 2 ，c 皑= O 7 条件下，外界负荷K ，K 。，K 。对联产系统与分产系统的一次能耗比影响曲线见图1 示：随着用户侧热、电和冷负荷增大，即K 。，K 。，K 。的增大，联产系统的能耗与分产系统的一次能耗比增大，表明在联产机组输出满足不了用户需求冷、热或电量时，随着外界需
9、求的增加，由联产机组和其他分产系统构成的联产系统所消耗的一次能耗与分产系统相比要增加。3 热电冷联产系统一次节 能率及节能条件 上面分析了用户所需要 的和联产系统所提供的能量不完全相同时，联产系统的一次能耗情况。当用户所需要的 和联产系统所提供的能量完全相同时，那么联产系统具有最大的节能潜力。因此，为了求得联产系统节能条件，就必图l 联产系统与分产系统的一次能耗比影响曲面需在上述条件( K h = r 1 一A ) K ，K 。= 1K c = C O P , X K ) 下求取，为此，引入联产机组的一次节能率I ：，= 掣根据上述条件，可得到：，：丝土二! 丝土：l f P E ) 。K +
10、 1塾 ! 二苎丛+ 一1 + 一C O P A K r 。r ，c o e w ，( 6 )相对于一定的参考基准( 分产系统中的供热锅炉效率仉、主力凝汽机组效率r 。和电压缩式制冷机性能系数C O P 给定) ，节能率为正，表示联产系统节能，节能率为负，表示联产系统不节能。1 ) 热电冷联产系统节能条件由联产系统的能耗与分产系统的一次能耗比公式( 5 ) 或联产机组的次节能率公式( 6 ) 都可推得联产系统节能条件为：矾，堕L( 7 )2 ( 1 - 2 ) K 【1 巫C O P1 2 K盯仉叩Pc o e j z ，在分产系统一定条件下即参考基准确定时，热电冷的节能条件只与表征联产机组性
11、质的热电比K 、燃料利用系数、制冷用热量份额五和吸收式制冷机性能系数C O P 大小有关。用图形表示为四种联供情况，A = 0 为热电联供，五= 1 为冷电联供，丑= 0 3 和A = 0 7 为热电冷三联供。由图2 可见，由于联产机组燃料利用系数不可能大于1 ，即用实线表示的上限，四条曲线对应联产机组能耗与分产能耗等值线，联产机组节能约束为曲线上方至上限区域。只要有抽汽供热，热电比就大于o ，随着2 的增大，节能运行区域变小，冷电联供时，节能条件更苛刻。而且热电比越小时，很容易满足节能条件。从联产机组节能约束曲线的分析可提示我们，实行热电冷三联产时机组的一次节图2 联产机组节能约束曲线能率相
12、对于热电联产的一次节能率低，为了使热电冷三联产达到节能目的，应优先选择热电比小而燃料利用系数大的机组。下面将对热电联产、冷电联产及热电冷联产系统的节能条件进行具体讨论。2 ) 热电联产的节能为了达到节能目的国家部委在“关于发展热电联产的规定的通知”中指出：各类热电联产机组应符合F 列指标；( 1 ) 总热效率年平均大于4 5 。( 2 ) 热电联产的热电比：单机容量在5 0 兆瓦以下的热电机组，其热电比年平均应大于1 0 0 ；单机容 萨5 0 兆瓦至2 0 0 兆瓦以下的热电机组，其热电比年平 均应大于5 0 ；单机容量2 0 0 兆瓦及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于5 0 。
13、作为有益的补充，事实上从通式( 7 ) 令五= 0 可具体得到热电联产的节能条件式： 噼牛r 6r p不难推出热屯联产的总热效率下限为：f w = 巩，即热电厂的热效率应大于或 等于参考电站的效率刁。，一般为3 6 1 文件确定热电厂的总热效率为年平均不低于4 5 ，高y - 参考电站的效率数值。2 8 1热电厂要实现热电联产，不供热就不能叫热电厂，在热电厂的总热效率为年平均不低于4 5 ，相应计算出供热机组应达到的热电比K 0 5 ，即不低于5 0 。同国家法规相一致，从而为热电联产节能判断提供了理论依据。只有热电比和热效率数值满足式( 8 )时，热电联产机组才能达到节能目的，单独满足热电比
14、不低于0 5 ，热效率不低于4 5 条件也不一定节能，这从全国2 l 家电厂9 6 年的实际运行数据汇总表计算具体实例中可以加以验证”J 。3 ) 冷电联产的节能如前所述，热电冷联产是在原有热电联产基础上发展而来的，A = 1 表示抽汽热量 全部用于制冷，从约束曲线图，对应的节能约束条件最为苛刻，如果冷电联产节能那么热电冷联产肯定节能，相反，如果热电联产节能，在热电联产机组上实施的冷电联产则不一定节能，所以讨论最不利情况五= l 时冷电联产的节能判断很有必要。由式( 7 ) 可见，冷电联产的节能条件除与热电比、热效率有关外，还与吸收式制冷机的性能系数有关，只有合理匹配热电比、热效率与吸收式制冷
15、机的性能系数同时满足式( 7 ) 约束条件时，冷电联产系统才可能节能。针对多数热电厂冬、夏两季热负荷不平衡的问题，热电厂在夏季利用机组的富余抽图3 冷电联产与热电联产节能对比开发热电厂的夏季热负荷，实行热、联产的改造。但如上节分析，即使热本身是节能的，但在此基础上的冷电不一定节能，冷电联产节能时联产机电比、热效率的节能匹配区间更窄，下。3 所示的是热屯联产机组( 配置的锅o 9 ) 的均满足节能条件，节能率为在热电联产基础上的冷电联产系统 l 情况) 节能性却存在差别。从图中可以看出只有N C 2 0 0 机组满足节能条件，其他机组则不满足冷电联产节能条件。同时热效率、热电比和吸收式制冷机的性
16、能系数对联产系统的节能率影响大小是不同的，为分析这些参数对联产系统节能性能的影响规悻，以参考基准凝汽电站效率图4 热效率、热电比及性能系数对节能率影响仉= O3 6 、电压缩式制冷机性能系数 钞只= 50 为例，进行数值计算，比较最不利情况即联产抽汽全部用于制冷热效率、热电比和吸收式制冷机的性能系数对联产系统节能率人小影响曲线见囹4 ，热效率、热电比数值对系统 5 能率影响比吸收式制冷机的性能系数影响大约1 0 个百分点，而且热电比越小系统节能率上升的更快。由于单设、双效和三效吸收式制冷枫的性能系数有一区段范围，而且不连续，为 进一步比较性能系数在更大范围肉变化时对节能率影响，假设吸收式制冷机的性能系数连续变化，仍以上面参考分产系统为基准，图5 中上下两个曲面分别表示热效率高、低 两种极端情况对比。可以看出， 尽管吸收式制冷机的性能系数从0 7 提高到2 0 ( 对应单效机和 四效机的C O P 数
