李金平,楊笑語,張 博,黃娟娟,王春龍

(1. 蘭州理工大學 西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學 甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室,甘肅 蘭州 730050; 3. 蘭州理工大學 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術協同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050; 4. 蘭州理工大學 能源與動力工程學院,甘肅 蘭州 730050)

能源問題是社會的熱點話題，隨著社會的進步、人口的增長，人類對于能源的需求導致化石能源正在日益枯竭.2018年度我國對于煤炭的產量增加了8 200萬噸油當量[1]，大量使用煤炭發(fā)電、供暖，對于環(huán)境和資源的傷害是不可逆轉的.國家在《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中大力推廣生物質發(fā)電，針對不同地區(qū)，因地制宜，發(fā)揮生物質的優(yōu)勢，并且將環(huán)保問題貫穿于生物質開發(fā)利用當中，所以如何高效合理的回收生物質燃燒后煙氣中的余熱成為一大問題.不僅因為余熱回收潛力巨大，而且可以降低電廠的運行成本，從而實現節(jié)能減排.熱泵[2]作為一種通過回收低品位熱能或余熱、廢熱，從而產生可供使用的熱源的節(jié)能設備，在回收煙氣余熱、實現能量梯級利用方面具有極高的利用潛力.

Sarkis 等[3]提出了一種將生物質能和太陽能結合起來的新型發(fā)電系統，并與未加入太陽能的標準系統進行了建模和比較，從能源、、經濟和環(huán)境的角度對系統的性能進行了評估，為生物質聯合太陽能的發(fā)電系統提出了重要見解.聶勇等[4]研究表明：如果將天然氣鍋爐的煙氣溫度每降低10 ℃(高于煙氣露點)，鍋爐的效率可以提高 0.5%；如果能夠將燃氣鍋爐的排煙降到露點溫度以下，每降低1 ℃，鍋爐的熱效率能夠提高3.6%.李金平等[5]以Aspen plus軟件建立了雙效溴化鋰吸收式熱泵模型，并對熱電聯產余熱利用方式進行了優(yōu)化，結果每年可節(jié)約標煤12.45 t.Khalilzadeh等[6]針對風力發(fā)電所產生的余熱聯合飲用水供應不足和風能豐富的地區(qū)提出了一種集成系統，可以利用該系統為地區(qū)提供飲用水，并對系統進行了能量、以及經濟性的分析.Wang 等[7]通過與熱泵相結合的方式，對工業(yè)過程中產生的余熱，利用Aspen Plus軟件對該集成系統進行了分析，并比較了不同類型熱泵在不同余熱回收方案中的節(jié)能性和經濟性，結果表明加入了熱泵的系統能夠擁有更好的熱力學性能和經濟性能.姜迎春等[8]提出一種吸收-壓縮復合熱泵系統用來回收工業(yè)工程中的低溫煙氣余熱，利用Aspen Plus軟件模擬了系統，分析了系統的效率.學者Zeghici等[9]針對羅馬尼亞供暖中存在的問題，設計了一套用于區(qū)域供暖的復合系統，系統含有熱泵以及新型儲熱系統，利用TRNSYS進行了仿真，結果表明，與舊區(qū)域供暖系統相比，一次能源消耗減少約43.56%，可以減少82%的CO2排放.裴玉萍[10]針對在新農村快速轉型時清潔供暖方面所存在的問題，提出了將生物質能和空氣能相結合的供暖方式，建立了一套生物質鍋爐和空氣源熱泵相結合的系統，并建立了基于TRNSYS軟件的復合供暖模型，進行了瞬時模擬計算和分析.

國內外對于煙氣余熱回收都有一定的研究，但實際中部分熱電聯產電廠對于煙氣進行脫硫脫硝及除塵后，會對煙氣進行直接排放，這將會浪費大量煙氣中的余熱.針對如何將煙氣余熱和熱泵相結合進而為用戶供暖的研究較少，所以本文在新型熱電聯產系統中提出一種復合供暖系統，將煙氣余熱與吸收式熱泵和余熱型熱泵相結合，通過回收煙氣余熱為用戶制取供暖用水.利用TRNSYS軟件對系統進行了建模，分析了系統的穩(wěn)定性，并從的角度對系統進行了分析，最后對比了一個采暖季時期復合供暖系統的各項效益.

1 新型熱電聯產系統介紹

圖1所示為新型熱電聯供系統.該系統是由原生物質熱電聯產系統、吸收式熱泵供暖系統以及水源熱泵供暖系統三部分組成的.其中原生物質熱電聯產系統中主要是由進料倉、鍋爐、汽輪機等組成，吸收式熱泵供暖系統主要是由吸收式熱泵和多個煙氣-水換熱器構成,水源熱泵供暖系統是由水源熱泵、煙氣-水換熱器構成.

1. 進料倉; 2. 輸送機; 3. 汽包; 4. 鍋爐; 5. 過熱器; 6. 省煤器; 7. 空氣預熱器; 8. 送風機; 9. 高壓加熱器; 10. 除氫器; 11. 煙氣冷卻器; 12. 低壓加熱器; 13. 凝結水泵; 14. 凝汽器; 15. 汽輪機; 16. 發(fā)電機; 17. 除塵器; 18. 一級煙氣換熱器; 19. 二級煙氣換熱器; 20. 三級煙氣換熱器; 21. 四級煙氣換熱器; 22. 發(fā)生器; 23. 冷凝器; 24. 蒸發(fā)器; 25. 吸收器; 26. 壓縮機; 27. 蒸發(fā)器; 28. 節(jié)流閥; 29. 冷凝器; 30. 集水器; 31. 分水器; 32. 熱用戶; 33. 循環(huán)水泵

生物質直燃鍋爐產生的煙氣進入吸收式熱泵供暖系統中的一級煙氣換熱器，置換出的水作為吸收式熱泵的驅動熱源進入發(fā)生器，熱網回水通過分水器直接進入吸收器，為二級煙氣換熱器提供水源.二級煙氣換熱器置換出的熱水可以直接進入集水器，作為供暖用水.三級煙氣換熱器中換出的水作為吸收式熱泵的低溫熱源進入蒸發(fā)器.煙氣繼續(xù)進入水源熱泵供暖系統，通過四級煙氣換熱器，與水進行換熱，升溫后的水進入水源熱泵的蒸發(fā)器，在熱泵系統中進行二次升溫，達到供暖溫度后輸送給熱用戶，完成整個系統.

2 復合供暖系統的構建及評價

文中以瞬時仿真模擬軟件TRNSYS為平臺，搭建了由生物質直燃鍋爐、吸收式熱泵供暖系統和水源熱泵供暖系統組成的復合供暖系統.

2.1 系統的構建

基于TRNSYS模擬軟件的復合供暖系統模型如圖2所示，主要模塊及功能見表1.

圖2 基于TRNSYS的復合供暖系統模型Fig.2 Model of a composite heating system based on TRNSYS

表1 主要單元模塊及功能

其中模擬初始值生物質鍋爐設定參數為30 MW，產生煙氣溫度145 ℃，煙氣流量152 387 m3/h，吸收式熱泵機組的供回水溫差設置為5℃.在完成對于模塊的選取、參數的設置后，作出如下假設[11]：

1) 不計水泵熱損失對于流體溫度的影響；

2) 不計管道中流體對外的熱損失；

3) 環(huán)境溫度取自文獻測量值，對全年的溫度進行簡化；

4) 系統產生的熱量可以完全被負荷所利用；

5) 采暖時間為11月15日至次年3月15日.

2.2 性能指標計算

為了衡量在加入復合供暖系統后，與原熱電聯產系統相比系統性能指標的變化，對系統的余熱回收率、節(jié)能率、綜合能源利用率以及從的角度進行分析.

煙氣余熱回收效率：

(1)

式中：Q2為采用復合供暖系統回收的煙氣余熱量，kW；Q1為煙氣總熱量，kW.

節(jié)能率：

(2)

式中：Er為分布式冷熱電能源系統的報告期能耗，kgce；Ea為分布式冷熱電能源系統的校準能耗，kgce.

其中校準能耗為

Ea=P×eref,p+C×eref,c+H×eref,h

(3)

式中：P為分布式冷熱電能源系統的報告期凈供電量，kW·h；C為分布式冷熱電能源系統的報告期總供冷量，kW·h；H為分布式冷熱電能源系統的報告期總供熱量，kW·h；eref,p為到達終端用戶的供電能耗參照值，根據文獻[12]取值320.86×10-3kgce/(kW·h)；eref,c為供冷能耗參照值，取值為78.26×10-3kgce/(kW·h)；eref,h為供熱能耗參照值，取值為147.25×10-3kgce/(kW·h).

綜合能源利用率：

(4)

式中：η為分布式冷熱電能源系統的綜合能源利用率；Ert為報告期能耗，kW·h.

(5)

式中：ei為燃料化學，kJ/s；B為每小時燃料量，kg/h；Qar為收到基低溫熱值，kJ/kg.

es=ef+ep+et

(6)

式中：es為鍋爐的總損，kJ/s；ef為鍋爐燃料燃燒損，kJ/s；ep為鍋爐排煙損，kJ/s；et為鍋爐傳熱損，kJ/s.

(7)

式中：eg為煙氣所吸收的熱量，為爐膛內燃燒平均溫度，K;T0為環(huán)境溫度，K.

式中：η為鍋爐熱效率，%.

(10)

式中：Qm為新型系統與原系統相比節(jié)省標準煤的質量，kg；Qc為復合供暖系統在采暖季提供的總熱量，MJ；qm為標準煤的熱值，取29.3 MJ/kg.

(11)

式中：CCOP為熱泵的制熱性能系數；Qh為熱泵單位時間內制熱量，kW；W為單位時間內消耗的功率，kW.

3 復合供暖系統的模擬及分析

3.1 TRNSYS模擬結果

1) 吸收式熱泵蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差

通過Origin對輸出結果整理后，得到在采暖季運行的吸收式熱泵供暖系統中蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差，如圖3所示.

圖3 吸收式熱泵蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差

從圖3中可以看出，在復合供暖系統運行即采暖季時，吸收式熱泵供暖系統中蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差大致呈現著相同的趨勢.在開始采暖初期，由于外部環(huán)境溫度較高，所以用戶對于室內所需熱量需求較少，從而供回水溫差較低，隨著氣溫的降低，用戶對于熱量需求加大，所以溫差逐漸增大.

因為1月份是一年當中最冷的月份，所以在1月份時，用戶的熱需求量達到最大，同時供回水溫差差值也達到最大.隨著氣溫的回升，在采暖季的末期，用戶對于熱量的需求降低，蒸發(fā)器和冷凝器的供回水溫差逐漸減小.在非采暖季，系統不運行時，供回水溫差為0 ℃.

2) 制熱量

圖4是針對吸收式熱泵供暖系統和水源熱泵供暖系統在采暖季的制熱量.圖中是以開始供暖的0時為起點，結束供暖的24時為終點.

圖4 吸收式熱泵和水源熱泵供暖系統的制熱量Fig.4 Heating capacity of absorption heat pump and water source heat pump heating system

為了探究系統的穩(wěn)定性，對吸收式熱泵系統和水源熱泵系統的制熱量進行分析.從圖4a可以看出，在采暖季時吸收式熱泵系統的制熱量在5 000～5 400 kW波動，其平均制熱量如圖4a中橫線所示為5 193.27 kW.根據前期搭建的理論模型進行系統理論計算，吸收式熱泵供暖系統制熱量為5 383.46 kW，模擬結果與理論計算的誤差在3.5%.從圖4b中可以看出水源熱泵系統的制熱量在7 000～7 400 kW中波動，平均制熱量為7 207.75 kW.理論計算時，水源熱泵系統的平均制熱量為7 415.51 kW，模擬結果與理論計算的誤差在2.8%.因此也可以說明，當處在采暖季時，新型熱電聯產系統中的復合供暖系統運行穩(wěn)定，大多數時刻可以滿足用戶所需供熱量，并且與傳統供暖系統相比，穩(wěn)定性較好.

3) 吸收式熱泵和水源熱泵的CCOP

針對吸收式熱泵和水源熱泵的性能系數CCOP，由圖5可以看出，從采暖季開始到結束，復合供暖系統中的吸收式熱泵和水源熱泵的運行穩(wěn)定，兩者的CCOP也呈現出較為平緩的趨勢.從圖5中水源熱泵的運行曲線可以看出，水源熱泵的CCOP在4.3上下波動，其平均值為4.32.在吸收式熱泵運動曲線中，排除個別點后，其CCOP也較穩(wěn)定，均在1.7上下波動，平均值為1.61.由此說明在整個采暖季，新型熱電聯產系統中的吸收式熱泵和水源熱泵運行良好且穩(wěn)定，可以持續(xù)穩(wěn)定輸出熱量提供給熱用戶.

圖5 吸收式熱泵和水源熱泵的COP

3.2 新型熱電聯產系統系統分析

表2 新型熱電聯產系統分析

Tab.2 Exergy analysis table for new cogeneration system

表2 新型熱電聯產系統分析

名稱/(kJ·s-1)所占比例/%輸入化學60 501.39100.00燃燒過程損失13 261.6121.92傳熱過程損失12 094.2319.99排煙過程損失9 075.2115.00換熱器總損失115.750.19吸收式熱泵系統283.800.47水源熱泵系統352.710.58輸出25 318.0841.85

圖6 吸收式熱泵和水源熱泵各部件損圖

4 復合供暖系統對生物質直燃熱電聯產系統的影響

4.1 節(jié)能效益

在加入復合供暖系統后，與原生物質直燃熱電聯產系統進行比較，如圖7所示.其中系統節(jié)能率由22.4%提高到27.6%，系統綜合能源利用率由81%提高到88.8%，煙氣回收利用率由65.9%提高到81.4%.可以看出，復合供暖系統的加入對于煙氣余熱回收以及系統性能指標有著積極作用.

圖7 系統性能指標對比Fig.7 Comparison of system performance indexes

4.2 減排效益

經計算可得，在加入復合供暖系統后，新型熱電聯產系統與未對煙氣余熱進行回收的原熱電聯產系統相比在一個采暖季可以節(jié)約標煤6 416.53 t.根據文獻[14]可以計算出，在一個采暖季，復合供暖系統的節(jié)能減排效果見表3.

表3 污染物減排量

4.3 供暖效益

在供暖季，當復合供暖系統穩(wěn)定運行時，新型熱電聯產系統與原熱電聯產系統相比，可以穩(wěn)定為外界額外輸出 12 799.87 kW的熱量.根據[15]《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》(CJJ34—2010)可以得到，針對不同的建筑物類型采暖熱指標是不同的.選取了住宅(40 W/m2)、學校(60 W/m2)、大禮堂(130 W/m2)三種分別作為小型、中型以及大中型建筑類型的代表進行計算，計算結果見表4.

表4 不同建筑類型的供暖面積

5 結論

針對生物質直燃電廠煙氣中存在大量余熱難以回收利用的問題，提出了一種新型熱電聯產系統.在該系統中搭建了以生物質直燃鍋爐燃燒產生的煙氣為熱源，吸收式熱泵和水源熱泵相結合的復合供暖系統，對煙氣余熱展開利用，并通過TRNSYS軟件對系統進行了建模和模擬，同時對系統進了分析和效益分析得出以下結論：

1) 新型熱電聯產系統中復合供暖系統在一個采暖季可以穩(wěn)定運行，向用戶持續(xù)不斷的輸出熱量；吸收式熱泵的冷凝器和蒸發(fā)器的供回水溫差在采暖季隨著室外溫度的變化發(fā)生著變化，呈現著先增大后減小的趨勢；復合供暖系統中吸收式熱泵供暖系統和水源熱泵供暖系統的制熱量均處在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)，兩者中吸收式熱泵的制熱性能系數穩(wěn)定在1.7，而水源熱泵的則穩(wěn)定在4.3.

3) 在加入復合供暖系統后，新型熱電聯產系統每采暖季可節(jié)約標煤6 416.53 t.與未回收煙氣余熱的原生物質直燃熱電聯產系統相比，加入回收排煙余熱后，系統煙氣余熱回收利用率提升了15.5%，節(jié)能率提升了5.2%，綜合能源利用率提升了7.8%.CO2減排量為16 682.98 t，SO2減排量為128.33 t，NOx減排量為449.16 t.新型熱電聯產系統在穩(wěn)定運行情況下，與原熱電聯產系統相比，可額外為不同類型的建筑提供相應的供暖面積.

致謝：本文得到蘭州理工大學紅柳一流學科方向項目(0807J1)的資助，在此表示感謝.