伊若璇 胡雪姣 饒政華 廖勝明

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

工業(yè)園區(qū)天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能分析

伊若璇 胡雪姣 饒政華 廖勝明

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

本文建立了基于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)的CCHP系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，研究吸收式制冷機(jī)供冷量、蒸汽輪機(jī)供熱量及制冷機(jī)能效比等因素的影響。研究結(jié)果表明，一次能源利用率和相對(duì)節(jié)能率隨吸收式制冷機(jī)供冷量的提高和蒸汽輪機(jī)供熱量的降低而下降；吸收式制冷機(jī)能效比對(duì)相對(duì)節(jié)能率的影響不大；補(bǔ)燃提高了系統(tǒng)的一次能源利用率，補(bǔ)燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統(tǒng)性能。本研究對(duì)區(qū)域型冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán) 冷熱電聯(lián)產(chǎn) 相對(duì)節(jié)能率

0 引言

天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CCHP）是一種直接面向用戶(hù)，按照用戶(hù)需求供應(yīng)冷、熱、電的能源系統(tǒng)，具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已得到了廣泛重視[1]。合理分配系統(tǒng)的冷、熱、電三種供能形式，實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能最優(yōu)化是目前研究的熱點(diǎn)。Mago等[2]指出設(shè)計(jì)合理的三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可顯著提高能源利用率，降低運(yùn)行費(fèi)用。Cardona等[3]提出了CCHP系統(tǒng)設(shè)備選型的一般方法：原動(dòng)機(jī)最佳容量應(yīng)按用戶(hù)熱負(fù)荷峰值的48%選取，吸收式制冷機(jī)容量按照制冷峰值負(fù)荷的70%確定。安青松等[4]以（火用）經(jīng)濟(jì)系數(shù)最小、成本最低和收益最高為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算了系統(tǒng)所需要的燃機(jī)負(fù)荷、購(gòu)電量和補(bǔ)燃負(fù)荷。上述研究多以微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)為核心的小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為對(duì)象。

本文對(duì)基于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的CCHP區(qū)域能源系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，研究了吸收式制冷機(jī)供冷量、蒸汽輪機(jī)供熱量及制冷機(jī)能效比等因素對(duì)系統(tǒng)能源利用率和節(jié)能性的影響。本文結(jié)果對(duì)CCHP區(qū)域能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用具有參考價(jià)值。

1 數(shù)學(xué)方法

圖1為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)CCHP系統(tǒng)圖?？諝庠趬簹鈾C(jī)中壓縮升壓后進(jìn)入燃燒室，與天然氣混合燃燒生成高溫高壓煙氣，推動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉Πl(fā)電。采用雙壓無(wú)再熱余熱鍋爐回收利用燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)煔庥酂?，產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)抽凝式蒸汽輪機(jī)發(fā)電，在蒸汽輪機(jī)中間級(jí)抽取蒸汽用于供熱或用作溴化鋰吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源。吸收式制冷不能滿(mǎn)足用戶(hù)冷負(fù)荷要求時(shí)，開(kāi)啟機(jī)械壓縮式制冷機(jī)。系統(tǒng)發(fā)電量不能滿(mǎn)足用電負(fù)荷時(shí)，則從城市電網(wǎng)購(gòu)電補(bǔ)充。

圖1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)CCHP系統(tǒng)圖

1.1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱力學(xué)模型

1）燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)數(shù)學(xué)模型

壓氣機(jī)耗功wc及出口溫度T2：

燃燒室燃燒過(guò)程：

燃?xì)馔钙阶龉t及排氣溫度T4：

聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)部分的發(fā)電量Pgt為：

式中：ε為壓氣機(jī)的壓縮比，ε=P1/P2；qa、qf、qg分別為空氣、天然氣和燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，kg/s；cpa、cpg為空氣和燃?xì)獾亩▔罕葻崛?，kJ/(kg·K)；ka、kg為空氣和燃?xì)獾臍怏w常數(shù)；LHV為天然氣的低位發(fā)熱量，kJ/kg；v為燃?xì)馔钙降膲簱p系數(shù)；ηAC為壓氣機(jī)的等熵壓縮效率，ηr為燃燒室的燃燒效率；ηt為燃?xì)馔钙降牡褥嘏蛎浶?；ηMgt、ηTgt分別為燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率。

2）雙壓無(wú)再熱余熱鍋爐模型[5]

產(chǎn)生的高壓蒸汽流量q為：

高壓蒸發(fā)器進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹椋?/p>

高壓省煤器出口溫度Tw2為：

低壓蒸汽流量ql為：

低壓蒸發(fā)器進(jìn)口燃?xì)鉁囟萒δl為：

低壓省煤器出口溫度Tw1為：

式中：h表示焓值，kJ/kg；T和Tl為余熱鍋爐高、低壓蒸汽溫度，K；Tδh和Tδl為高、低壓蒸發(fā)器入口燃?xì)鉁囟?，K；Tsh和Tsl為高、低壓蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，K；δh和δl為高、低壓蒸發(fā)器進(jìn)口燃?xì)獾墓?jié)點(diǎn)溫差；△Tah和△Tal為高、低壓省煤器出口設(shè)定的接近點(diǎn)溫差，K。

3）蒸汽輪機(jī)膨脹過(guò)程的簡(jiǎn)化模型[6]

假定蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的膨脹過(guò)程線(xiàn)為一斜線(xiàn)，并可通過(guò)由經(jīng)驗(yàn)選定的汽機(jī)相對(duì)內(nèi)效率計(jì)算得出。

式中：△hr和△hs分別是蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的實(shí)際焓降和等熵膨脹焓降，kJ/kg。

4）制冷機(jī)模型

假設(shè)用于吸收式制冷的供熱量為qa，則吸收式制冷機(jī)制冷量Qa為：

機(jī)械壓縮式制冷機(jī)制冷量Qe為：

式中：Pe為制冷機(jī)耗電量；COPa、COPe為吸收式和機(jī)械壓縮式制冷機(jī)的能效比。

1.2 CCHP系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用一次能源利用率η和相對(duì)節(jié)能率η'[7、8]作為CCHP系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

一次能源利用率表示聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量輸出量與輸入量的比值，可由下式計(jì)算：

式中：P、C、H分別為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸出電量、供冷量與供熱量。該指標(biāo)在一定程度上反映了評(píng)價(jià)對(duì)象的熱力學(xué)性能，但不能直觀(guān)反映其節(jié)能性。

相對(duì)節(jié)能率用于比較CCHP系統(tǒng)和常規(guī)分產(chǎn)系統(tǒng)在能源消耗數(shù)量上的差異，可由下式計(jì)算：

式中：qre表示在與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)出等量能量產(chǎn)品的情況下，分產(chǎn)系統(tǒng)的燃料耗量。相對(duì)節(jié)能率為正值表示CCHP系統(tǒng)是節(jié)能的，反之表示系統(tǒng)不節(jié)能。相對(duì)節(jié)能率與參考分產(chǎn)系統(tǒng)有關(guān)，本文采用“電網(wǎng)+燃?xì)忮仩t+機(jī)械壓縮式制冷機(jī)”作為參考分產(chǎn)系統(tǒng)。我國(guó)電網(wǎng)平均發(fā)電效率33.3%，輸變電損失8.1%[9]；考慮熱網(wǎng)損失后的燃?xì)忮仩t效率87.3%；機(jī)械壓縮式制冷機(jī)COP為5.0。

2 結(jié)果與討論

以長(zhǎng)沙地區(qū)某工業(yè)園區(qū)的CCHP區(qū)域能源系統(tǒng)為研究對(duì)象。該園區(qū)內(nèi)需要集中供冷的建筑包括工業(yè)、辦公、賓館和商場(chǎng)等多種類(lèi)型，總面積100.8萬(wàn)m2，根據(jù)不同建筑類(lèi)型選取冷指標(biāo)，確定園區(qū)的總冷負(fù)荷為80MW。園區(qū)熱負(fù)荷主要是生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等的生產(chǎn)工藝用汽，蒸汽需求量50t/h，蒸汽壓力1.0MPa，溫度210℃，園區(qū)總電力負(fù)荷約為140MW。根據(jù)上述冷、熱、電負(fù)荷需求，設(shè)計(jì)2×60MW級(jí)的基于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)的CCHP系統(tǒng)。系統(tǒng)滿(mǎn)足園區(qū)全部冷負(fù)荷需求，雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的設(shè)計(jì)供冷量為20MW；系統(tǒng)總供熱量28MW，由蒸汽輪機(jī)抽汽和燃?xì)忮仩t共同承擔(dān)。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電一部分用于機(jī)械壓縮式制冷機(jī)供冷，其余部分上網(wǎng)。

表1 主要計(jì)算參數(shù)

驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷的蒸汽壓力為0.8MPa；余熱鍋爐高壓蒸汽壓力5.0MPa，低壓蒸汽壓力0.6MPa；從余熱鍋爐到蒸汽輪機(jī)高、低壓缸進(jìn)口的蒸汽壓損系數(shù)為3%，高壓蒸汽溫降3℃，低壓蒸汽溫降2℃；蒸汽輪機(jī)機(jī)械發(fā)電效率0.97，排氣壓力8kPa；按照ISO條件選取環(huán)境參數(shù)。天然氣成分和物性參數(shù)按照西氣東輸氣源品質(zhì)考慮；水和水蒸氣物性參數(shù)計(jì)算模型為IAPWS-IF97[10]，燃?xì)馕镄杂?jì)算參考文獻(xiàn)[11]。其他計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.1 吸收式制冷機(jī)供冷量、抽汽供熱量的影響

CCHP系統(tǒng)通過(guò)從蒸汽輪機(jī)抽取蒸汽驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)制冷或供應(yīng)熱用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。吸收式制冷機(jī)供冷量和抽汽供熱量決定了蒸汽輪機(jī)的總抽汽量，是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

表2顯示了吸收式制冷機(jī)供冷量對(duì)CCHP系統(tǒng)性能的影響。若吸收式制冷機(jī)供冷量增加，則電壓縮式制冷機(jī)供冷量相應(yīng)減少，η和η'線(xiàn)性下降。上述結(jié)論與基于燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的CCHP系統(tǒng)[12、13]不同?；谌?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的CCHP系統(tǒng)發(fā)電余熱用于供冷或供熱，所以增加供冷量即可回收更多的余熱，系統(tǒng)性能相應(yīng)提高。而基于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)的CCHP系統(tǒng)配置了蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電余熱除了可用于供冷、供熱外，還可以用于發(fā)電。由于余熱總量不變，當(dāng)供冷、熱量增加時(shí)，蒸汽輪機(jī)發(fā)電量必然減少。從表2可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電余熱用于發(fā)電有利于系統(tǒng)節(jié)能。

表2 吸收式制冷機(jī)供冷量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

表3顯示了蒸汽輪機(jī)的抽汽供熱量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。當(dāng)CCHP系統(tǒng)抽汽供熱量不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求的28MW時(shí)，需要開(kāi)啟燃?xì)忮仩t輔助供熱。隨著抽汽供熱量H的增加，所需的燃?xì)忮仩t輔助供熱量減少，η，η'有所增加，說(shuō)明從蒸汽輪機(jī)抽汽供熱有利于系統(tǒng)節(jié)能。本文選定的燃?xì)忮仩t的供熱效率為90%，參考供熱系統(tǒng)的能耗較低，導(dǎo)致H增加時(shí)，η'的提高幅度不大。如果參考供熱系統(tǒng)的效率降低，CCHP系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

表3 抽汽供熱量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.2 制冷機(jī)能效比的影響

圖2顯示了吸收式制冷機(jī)和機(jī)械壓縮式制冷機(jī)的能效比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由于環(huán)境、負(fù)荷和熱源參數(shù)等條件的變化，制冷機(jī)無(wú)法運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下，使得在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的能效比將發(fā)生改變。COPa的提高可增加吸收式制冷機(jī)的供冷量，即減少了由供冷引起的能量損耗，一定程度上可提高CCHP系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能率η'。COPa從0.7提高到1.4，但是η'也只增加了1.7%左右，這是因?yàn)槲帐街评錂C(jī)能效水平較低，即使有所變化，其能耗變化也不大；另外，吸收式制冷機(jī)僅承擔(dān)用戶(hù)部分冷負(fù)荷，其能耗在CCHP系統(tǒng)總能耗中所占的比例較小。CCHP系統(tǒng)的η'隨著COPe的增大而有所增加。機(jī)械壓縮式制冷機(jī)的耗電量隨著COPe的提高而減少，上網(wǎng)電量增加，同時(shí)園區(qū)從電網(wǎng)的購(gòu)電量減少。電網(wǎng)的發(fā)電效率較聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電效率低，所以CCHP系統(tǒng)的能耗降低。

圖2 制冷機(jī)能效對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.3 補(bǔ)燃的影響

CCHP系統(tǒng)的最大抽汽量小于用戶(hù)的需求蒸汽量時(shí)，可在余熱鍋爐中補(bǔ)充燃燒一定量的燃料，以增加余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量。

圖3 補(bǔ)燃對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖3顯示了補(bǔ)燃對(duì)系統(tǒng)性能的影響，△qf為補(bǔ)燃天然氣的流量，計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[14]。當(dāng)用戶(hù)的需求冷負(fù)荷超過(guò)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供冷量80MW，供冷量不足的部分（△qa）將由吸收式制冷機(jī)提供，并通過(guò)補(bǔ)燃獲得驅(qū)動(dòng)蒸汽，即此時(shí)補(bǔ)燃用于供冷。如圖所示，補(bǔ)燃提高了一次能源節(jié)能率η，說(shuō)明通過(guò)補(bǔ)燃來(lái)增大系統(tǒng)的吸收式供冷容量的方式有利于改善系統(tǒng)性能。若補(bǔ)燃獲得的蒸汽用于供電，即用于增加蒸汽輪機(jī)發(fā)電量，增大聯(lián)合循環(huán)的單機(jī)功率，同時(shí)使系統(tǒng)輸出的冷量、熱量與用于供冷時(shí)相等。如圖所示，η隨補(bǔ)燃的增加而提高，且η的增長(zhǎng)率高于補(bǔ)燃用于供冷時(shí)的值。這是因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)的輸出冷量、熱量與用于供冷的情況相等，但輸出電量增加，即消耗等量天然氣補(bǔ)燃用于供電時(shí)系統(tǒng)輸出的總能量更多。因此，補(bǔ)燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

本文建立了基于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了吸收式制冷機(jī)供冷量、蒸汽輪機(jī)供熱量和制冷機(jī)能效比等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：

1）對(duì)給定的用戶(hù)負(fù)荷，相對(duì)節(jié)能率隨著吸收式制冷機(jī)供冷量的增加而降低；增加蒸汽輪機(jī)供熱量有利于改善系統(tǒng)的節(jié)能性，尤其是在鍋爐供熱效率較低時(shí)，從蒸汽輪機(jī)抽汽供熱的節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2）制冷機(jī)的能效比的提高一定程度上可以提高系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能率。

3）在CCHP系統(tǒng)中補(bǔ)燃提高了一次能源利用率，且補(bǔ)燃后增加的蒸汽用于供電比用于供冷更有利于提高系統(tǒng)性能。

[1] Xu J Z.Research,development and the prospect of combined cooling,heating,and power systems[J].Energy,2010,35:4361-4367

[2] Mago P J,Chamra L M.Analysis and optimization of CCHP systems based on energy,economical,and environmental considerations[J].Energy and Buildings,2009,41(10):1099-1106

[3] Cardona E,piaeentino A.A methodology for sizing tri-generation plant.Applied Thermal Engineering,2003,23(13):1665-1680

[4] 安青松.基于燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模擬[C].天津:天津大學(xué),2004

[5] 焦樹(shù)建.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的理論基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

[6] 王亞茹,陸亞俊.熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗分析[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2000,33(5):90-95

[7] 馮志兵,金紅光.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2005,26(5):725-728

[8] Fumo N,Mago P J,Chamra L M.Cooling,heating,and power energy performance for system feasibility[J].Journal of Power and Energy,2008,222(4):347-354

[9] 周鳳起,王慶一.中國(guó)能源50年[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2002

[10]王培紅,賈俊穎,程懋華.水和水蒸汽性質(zhì)的IAPWS-IF97計(jì)算模型[J].動(dòng)力工程,2000,20(6):988-991

[11]張世錚.燃?xì)鉄崃π再|(zhì)的數(shù)學(xué)公式表示法[J].工程熱物理學(xué)報(bào), 1980,1(1):10-16

[12]周大漢,柳建華,王瑾,等.吸收式制冷應(yīng)用于冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗特性分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),26(1):98-102

[13]馮志兵,金紅光.冷熱電系統(tǒng)特性探討[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2004, 25(S1):21-24

[14]吳仲華.燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)表[M].北京:科學(xué)出版社,1959

Performance Evaluation of Combined Cooling, Heating and Power System for an Industry Park

YI Ruo-xuan,HU Xue-jiao,RAO Zheng-hua,LIAO Sheng-ming
School of Energy Science and Engineering,Central South University

A mathematical model of Combined Cooling,Heating and Power(CCHP)system based on the gas-steam combined cycle is established to evaluate the CCHP system performance for an industry park.The effects of variables such as absorption chiller capacity,steam turbine heating capacity and Coefficient Of Performance(COP)of chillers are discussed.It is found that fuel utilization efficiency and fuel energy saving ratio decrease as the absorption chiller capacity increase and steam turbine heating capacity decrease.The chiller COP has limited impact on system performance.Supplemental combustion leads to the increase in fuel utilization efficiency,and the system performance is higher as the steam obtained from supplement combustion is used for electricity generation as compared to cold supply. The results are of significance for CCHP application and generalization in zones.

gas-steam combined cycle,combined cooling,heating and power,fuel energy saving ratio

1003-0344（2015）04-040-4

2014-3-31

伊若璇（1989～），女，碩士研究生；湖南省長(zhǎng)沙市中南大學(xué)校本部能源科學(xué)與工程學(xué)院207室（410083）；E-mail:ruoxuanyi@163.com

中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(72150050395)