王 穎,寧浩然,孫 穎,楊志行

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150028; 2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)院研究院,哈爾濱 150030)

0 引 言

中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)正在轉(zhuǎn)型,未來煤碳不再是主要能源,可再生能源占比不斷增加。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電力需求不斷增大,國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保問題更加重視。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委能源局編制的《2010年熱電聯(lián)供發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景發(fā)展目標(biāo)》,到2020年全國(guó)熱電聯(lián)供裝機(jī)容量將近2億kW。在有條件的地方,要積極發(fā)展熱電聯(lián)供、冷熱電及冷熱電氣多聯(lián)供。冷熱電聯(lián)供是指從相同一次能源系統(tǒng)中,得到電能(或機(jī)械能)、有效熱量和有效冷量,并將這幾種能源提供用戶使用。冷熱電聯(lián)供不僅實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用,完成冷熱與電負(fù)荷同時(shí)供應(yīng),還能減少污染氣體的排放,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。

黑龍江省屬于嚴(yán)寒地區(qū),冬季供暖周期長(zhǎng),室內(nèi)的供暖溫度對(duì)人體舒適性有影響[7],要求供暖平穩(wěn)高效。研究表明,現(xiàn)階段中國(guó)北方采暖地區(qū)300 MW熱電聯(lián)供機(jī)組發(fā)電煤耗基本與超超臨界機(jī)組相當(dāng),約275 g/(kW·h)或更低,熱電供熱煤耗優(yōu)于集中鍋爐,因此熱負(fù)荷較大的地區(qū),應(yīng)該大力建設(shè)300 MW及以上熱電聯(lián)供機(jī)組[8]。350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能在保證供暖的基礎(chǔ)上,為周邊的工業(yè)園區(qū)或制冷需求系統(tǒng)配套供冷的可能,以滿足需求。

1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型的搭建

受氣候影響,黑龍江省熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組比重較大,采暖期供熱機(jī)組按照以熱定電的方式運(yùn)行,調(diào)峰能力有限,對(duì)機(jī)組進(jìn)行旁路及低壓缸少蒸汽等不同技術(shù)的改造,可以實(shí)現(xiàn)靈活性調(diào)峰[9]。文中以嚴(yán)寒地區(qū)某現(xiàn)運(yùn)行的靈活性調(diào)峰350 MW超臨界機(jī)組的抽汽凝汽式汽輪機(jī)為基礎(chǔ),抽取合適參數(shù)的蒸汽作為熱源,驅(qū)動(dòng)溴化鋰雙效吸收式制冷機(jī)組,實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。

此冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分為熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)和制冷子系統(tǒng),其搭建系統(tǒng)原理圖如圖1所示。從圖中可以看出,熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)是一種傳統(tǒng)的最常見方式,燃煤在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的熱能,在汽輪機(jī)中實(shí)現(xiàn)高品位熱能的第一次利用,完成發(fā)電;利用汽輪機(jī)五段抽汽,將低品位蒸汽熱能用于供熱和制冷,最大限度地節(jié)約能量。制冷子系統(tǒng)為更好地利用低品位蒸汽,采用蒸汽熱源驅(qū)動(dòng)的溴化鋰雙效吸收式制冷機(jī)組,其熱力系數(shù)[10]為1.1～1.3,具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、能量調(diào)節(jié)范圍廣、維護(hù)操作簡(jiǎn)單、可利用低品位熱能等一系列優(yōu)點(diǎn)。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)原理圖

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用及面向用戶需求,保證了靈活穩(wěn)定供熱,又可以實(shí)現(xiàn)供冷,大大提高了一次能源的利用率。

2 系統(tǒng)分析與計(jì)算

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評(píng)價(jià),可基于熱力學(xué)第一定律分析法,主要運(yùn)用熱平衡原理,以熱效率為基本準(zhǔn)則,對(duì)用能設(shè)備和系統(tǒng)的能量有效利用情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),目前常用的是一次能源利用率(primary energy rate,PER),也稱系統(tǒng)熱效率,是系統(tǒng)輸出能量與輸入能量的比值,并且把功、熱、冷等同看待,可以進(jìn)行換算,能較好地描述系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換利用的有效性與優(yōu)劣,簡(jiǎn)單易懂,一次能源利用率越高,系統(tǒng)的熱力性能越好。

對(duì)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),一次能源利用率計(jì)算式如下:

式中:Qh1即Qheat-load,為CCHP的供熱量,kJ;Qc1即Qcool-load,為CCHP的制冷量,kJ;Wel為CCHP的發(fā)電量,kW·h;Ein為CCHP的輸入能量,kJ。

此CCHP可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的冷熱電聯(lián)供,其計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

表1中,工況1為低壓缸少蒸汽和低旁供汽聯(lián)合運(yùn)行,工況2為低壓缸少蒸汽運(yùn)行,工況3為五抽正常供汽運(yùn)行,三種工況是當(dāng)前嚴(yán)寒地區(qū)供熱的主要形式,通過“熱電解耦”技術(shù)滿足電網(wǎng)和熱用戶峰谷差的要求,靈活調(diào)配,提高了機(jī)組靈活性。

擬從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的汽輪機(jī)五段抽汽抽取蒸汽,蒸汽參數(shù)滿足雙效吸收式制冷機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源要求,三種工況的蒸汽壓力分別為0.29 MPa、0.26 MPa和0.31 MPa,每個(gè)工況擬抽取蒸汽流量20 t/h。從表1中結(jié)果可以看出,冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率分別為96.27%、86.08%和76.27%,說明此系統(tǒng)的能源利用率較高,熱力性能較好。

從圖2中可以看出,雖然冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電功率變化,但機(jī)組的熱網(wǎng)供熱量變化曲線較為平緩,維持在760 GJ/h左右。當(dāng)熱用戶所需要的蒸汽負(fù)荷降低時(shí),根據(jù)調(diào)控中心的要求,靈活調(diào)整機(jī)組負(fù)荷,在較大的范圍內(nèi)同時(shí)滿足熱負(fù)荷和電負(fù)荷的需求。此系統(tǒng)在供電變負(fù)荷情況下,可以保持平穩(wěn)的供熱量,實(shí)現(xiàn)熱電解耦。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)冬季長(zhǎng)期供暖來說,穩(wěn)定高效供熱是十分必要的。

圖2 機(jī)組熱網(wǎng)供熱量變化曲線

從圖3可知,隨著不同運(yùn)行方式和負(fù)荷工況變化,發(fā)電功率由106 MW變化到192 MW, 系統(tǒng)供電煤耗隨之變化,從177.57 g/(kW·h)增加到252.03 g/(kW·h)。這是因?yàn)殡S著發(fā)電功率的增加,蒸汽動(dòng)力裝置的朗肯循環(huán)存在的冷凝熱損失在能源梯級(jí)利用中變?yōu)榭捎媚芰康谋壤絹碓叫?供熱量也是可用能量)。

圖3 供電煤耗變化

如圖4所示,隨著不同工況發(fā)電功率的變化,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱效率和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的一次能源利用率均隨之發(fā)生變化,且變化趨勢(shì)相同。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不同工況發(fā)電功率減少,供熱量變化不大,且供熱實(shí)現(xiàn)了冷凝熱損失的回收利用,而系統(tǒng)輸入能量變小,故其熱效率提高。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),同樣對(duì)低品位的蒸汽熱能加以利用產(chǎn)生冷量,實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用,且其熱力系數(shù)大于1,故同基礎(chǔ)的一次能源利用率較發(fā)電效率提高。

圖4 效率隨發(fā)電功率變化

此冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為了研究供冷的可能,擬抽取蒸汽量相對(duì)較小,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小,實(shí)際工程可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。由于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),進(jìn)一步利用低品質(zhì)的熱能,使系統(tǒng)的一次能源利用率進(jìn)一步提高,系統(tǒng)方便可行,經(jīng)濟(jì)性較好。

3 結(jié) 語

1) 基于嚴(yán)寒地區(qū)350 MW超臨界機(jī)組,結(jié)合溴化鋰雙效吸收式制冷技術(shù),完成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的供電煤耗、供熱量、發(fā)電效率及一次能源利用率進(jìn)行計(jì)算分析,為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2)從經(jīng)濟(jì)和工程實(shí)際兩個(gè)角度考慮,冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),是抽取低品位的蒸汽進(jìn)行利用,既可以實(shí)現(xiàn)靈活平穩(wěn)供熱,又提供供冷的可能,具有較高的一次能源利用率,是未來系統(tǒng)高效可行的方式。